水力学-(完整版)PPT

2021/5/301第1章绪论第2章水静力学第3章液体运动学第4章水动力学基础第5章流动阻力和水头损失第6章量纲分析与相似原理第7章孔口、管嘴出流和有压管流第8章明渠均匀流第9章明渠非均匀流第10章堰流及闸孔出流第11章渗流第一章绪论2021/5/302本次课堂主要内容：液体的主要物理性质连续介质的假说作用于液体上的力水力学的任务实际工程中的水力学问题第一章绪论2021/5/303•红石嘴取水枢纽第一章绪论2021/5/3042021/5/3052021/5/306某污水处理厂2021/5/3071.1水力学的任务及其发展概况（1）、水力学的任务水力学的主要任务是研究液体（主要是水）的平衡和机械运动规律及其实际应用。第一章绪论现代水力学已被广泛地应用于水利、给排水、土建、环境、交通、机械、化工、采矿、冶金等各个工程领域，为工程设计和运行管理提供科学依据。市政工程如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、泵站和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础。城市防洪工程如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能力等。2021/5/308水力学水利工程建筑水力发电农田水利机电排灌港口工程河道整治给排水水资源环境保护冶金土木化工石油机械采矿水力学的应用第一章绪论2021/5/309Archimedes(285-212BC)Parallelogram（平行四边形）lawforadditionofvectorsLawofbuoyancy（浮力）第一章绪论（2）、水力学发展概况2021/5/3010LeonardodaVinci（达芬奇）(1452-1519)一维恒定流动连续性方程紊流（Turbulence）第一章绪论2021/5/3011IsaacNewton(1642-1727)LawsofmotionLawsofviscosityofNewtonianfluid第一章绪论2021/5/301219thcenturyNavier(1785-1836)&Stokes(1819-1905)N-SequationviscousflowsolutionReynolds(1842-1912)发现紊流（Turbulence）提出雷诺数（ReynoldsNumber）第一章绪论2021/5/301320thcenturyLudwigPrandtl(1875-1953)Boundarytheory(1904)ThefatherofmodernfluidmechanicsVonkarman(1881-1963)I.Taylor(1886-1975)现代流体力学理论的奠基者第一章绪论2021/5/3014在我国，水利事业的历史十分悠久:4000多年前的“大禹治水”的故事——顺水之性，治水须引导和疏通。秦朝在公元前256—公元前210年修建了我国历史上的三大水利工程（都江堰、郑国渠、灵渠）——明渠水流、堰流。古代的计时工具“铜壶滴漏”——孔口出流。清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。隋朝（公元587—610年）完成的南北大运河。隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605—617年）的赵州石拱桥——拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。第一章绪论2021/5/30151.2液体的连续介质模型连续性假定是指宏观上可以把液体看成是由无数个质点组成的稠密无隙的连续介质。第一章绪论在水力学中，质点是组成液体的最小基本元素，且质点间不存在间隙。亦即液体质点在宏观上可视为只有质量而无体积的“点”，而且充满其所占有的空间，因此，每个质点在其运动空间就唯一地占据一个空间点，反之亦然。2021/5/30161.3作用在液体上的力1.3.1表面力定义表面力是作用于液体的表面上的力，是相邻液体或其他物体作用的结果，通过相互接触面传递。APpAlim0ATAlim0表面力按作用方向可分为：压力：垂直于作用面。切力：平行于作用面第一章绪论2021/5/3017应力：单位面积上的表面力，单位：或；压强：单位面积上的压力；切应力：单位面积上的切力2mNPa1.3.2质量力质量力是作用在液体每一个质点上的力，其大小与液体的质量成正比。则单位质量力为mFfm当液体是均质的，其质量为总质量力为F第一章绪论2021/5/3018当总质量力在坐标上的投影分别为,，，yFzFXF则单位质量力在相应坐标的投影为，，，yfxfzfmFfmFfmFfzzyyXxkfjfiffzyx即，与加速度的单位相同。单位质量力的单位为2sm第一章绪论2021/5/3019液体的密度:单位体积液体所含有的质量，用表示表示。1.4液体的主要物理性质1.4.1液体的密度zyxA,,V为液体中取包含点的微元体积非均质液体的密度为VMVlim0式中VM——液体的密度——液体的质量——液体的体积Vm均质液体的密度为国际单位:3mKg一个标准大气压下，温度为4℃，水密度为31000mKg第一章绪论2021/5/30201.4.2粘性和理想液体1.粘性的概念及内摩擦力产生的原因粘滞性:由分子间的相互吸引力和分子不规则运动的动量交换产生的。(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成液体和气体的黏性随温度的变化不同温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度第一章绪论2021/5/3021流体的粘性是流体在运动过程中产生机械能损失的根源，是流体所固有的一个非常重要的性质。2.牛顿内摩擦定律和粘性的表示方法u设下板固定不动，上板以匀速向右运动。液体的内摩擦力产生在我们设想的这种有相对运动的薄层之间。当或不是太大时，实际测得液体的速度为线性分布。hu结论：第一章绪论2021/5/3022牛顿内摩擦定律：与垂直于流动方向的速度梯度du/dy成正比与流层的接触面积A成正比与流体的种类有关与接触面上压强P无关内摩擦力F任意速度分布的层状流动ydudAF第一章绪论2021/5/3023yuATdd牛顿内摩擦定律反映流体粘滞性大小的系数ν——运动粘性系数，m2/s——动力黏性系数，Pa·syudd切应力第一章绪论在理论分析和工程计算中2021/5/3024dtddydudydudtddtan速度梯度=直角变形速度第一章绪论流动性无限变形用直角变形速度来描述剪切变形的快慢。dydu速度梯度，表示速度沿垂直于速度方向y的变化率。2021/5/30251.4.3液体的压缩性和热胀性PPVVK压缩性：压强增高时，分子间的距离减小，液体宏观体积减小，密度增加，除去外力后能恢复原状的性质。式中的负号表示压强增大体积缩小体积压缩系数当温度保持不变，单位压强增量引起的体积变化率KNm/2单位：ppVVKdddd第一章绪论2021/5/3026热胀性：温度升高，液体宏观体积增大，密度减小，温度下降后能恢复原状的性质。TVTdVdddVVdpdKE1工程上常用体积模量衡量流体压缩性压缩系数的倒数体积弹性模量：E第一章绪论E一般工程设计中，水的体积弹性系数29N/m102可近似地取为2021/5/3027液体表面薄层内能够承受微小拉力的特性，存在于液体表面或两种不相混合的液体的交界面。由于表面张力的作用，管内的液体表面会高于或低于管外的液面，称为毛细管现象表面张力系数σ——液面上单位长度所受的拉力，单位N/m。1.4.4表面张力特性第一章绪论2021/5/30281.4.5汽化压强•液体的惯性、重力特性和粘滞性对液体运动有重要的影响，而液体的可压缩性、表面张力和汽化压强只有在特殊问题中才需要考虑，请注意区分。第一章绪论•实际应用中的空化现象与液体的汽化压强有关，需要注意。•汽化压强是指液体汽化和凝结达到平衡时液面的压强。•汽化压强随液体的种类和温度的不同而改变。2021/5/30291.5水力学的研究方法第一章绪论水力学是一门实践性很强的学科，它的理论都是生产实践和实验研究的总结，并在解决实际工程问题过程中经受检验、得到修正和进一步完善。理论分析法•无限微量法•有限控制体法（平均值法）实验研究法数值计算法2021/5/3030