水力学ok3

江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
1. 质量
一切物质都具有质量，液体也部例外。质量是物质的基本属性之一，是物 体惯性大小的量度，质量越大，惯性也越大。单位体积流体的质量称为密度或 容重、重率，以 r 表示，单位：kg/m3。
□对于均质液体，设其体积为V，质量m ，则为密度
U dU T A A h dy T du U A dy h
（1 - 4）
du — 流速梯度，流速沿y方向的变化率； 式中：τ——液体内摩擦切应力； dy
μ——动力粘度，又称绝对粘度或动力粘滞系数，其单位为：帕斯 卡· 秒，即[ Pa﹒s ]或[ （N/m2）﹒s ]
图1-1
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
U u( y) h du U dy h y
（1 - 3）
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
设平板面积为A ，牛顿实验得出液体内摩擦力关系有：
T ∝
AU h
由此就有：
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
b. 液体表面张力 表面张力常用表面张力系数σ来度量。单位长度的表面张力，称为表面张力 系数，其单位为N／m，它随液体种类和温度而变化。水的表面张力系数，当t＝ 20℃时，σ ＝0.074N／m； 水银， σ ＝0.54N／m。 表面张力的作用是使液面拉紧，促使体积很小的液体形成球状液滴。它的作 用不但可发生在气体与液体分界的自由表面，也可发生在不同液体相接触的界面 处，还可发生在液体与固体接触的界面上。表面张力可导致液体内部产生附加压 强，对于一些实验装臵不可忽视。例如P9图1—5。 一般土木工程问题，由于表面张力很小，而且它只在液体界面上起作用，液 体内部并不存在其作用，因此常忽略不计。但在研究雨滴的形成，水舌簿面曲率 大的过堰水流，以及波长较小(小于4cm一7cm)的微幅波运动中，表面张力的影响 不可忽略。
第二节 液体的主要物理性质
2. 重量和重度 液体所受地球的引力，称为重力，常用符号G表示。 单位体积中的液体重力，称为重度，又称容重、重率，常用符号 r 表示。 按定义有：
□ 均匀液体：
G V
（ 1 —2a ）
□ 非均匀液体：
G dG lim ( x, y, z ) （ 1 —2b ） V 0 V dV
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
1. 定义 连续介质（continuum/continuous medium）：质点连续地充满所占空间的 流体或固体。 连续介质模型（continuum continuous medium model）：把液体视为没有 间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐 标和时间的连续函数的一种假设模型：u =u ( t , x , y , z )。
m V
□对于非均质液体，密度随点而 异。若取包含某点在内的体积，其中 质量，则该点密度需要用极限方式表 示
对于一般液体：
m dm lim V 0 V dV
（ 1 —1 ）
( x, y, z, t )
返回
式中：V——液体体积 t —— 时间
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
返回
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
4. 压缩性 液体宏观体积可随压强增大而减小的特性，称为压缩性；解除外力后又能恢 复原状的特性，称为弹性。 液体的压缩性和弹性，常用压缩系数 K 和 弹性系数 E 表示。
dV d K V dp dp 1 dp E dV K V
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
U dU T A A h dy T du U A dy h
（1 - 4）
公式1— 4即牛顿内摩擦定律。在水力计算中，ρ与μ常在同一公式中出现， 为简化计，有 ：γ=μ/ρ 式中：γ—— 液体的运动桔度，又称粘滞运动系数，其单位为米2 ／秒。
（1 - 5）
式中：K ——压缩系数 (m’／N) E——弹性系数； ρ——液体密度； V——液体体积； p——外加压强。
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
K值越大，液体越易压缩，E值越大，液体越不易压缩。 同一种液体的K和E值也随压强和温度而略有变化，因此液体并不完全符合弹 性体的虎克定律。因dV与dp的符号相反，为使β和E保持正值，故式中引入负号。
返回
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第三节 作用于液体的力
由前可知，分析液体微元隔离体的平衡或运动规律，并从中建立基本方程， 这是水力学的基本研究手段。所谓作用在液体上的力，即作用在隔离体上的外力。 按力的物理性质区分可有粘性力、重力、惯性力、弹性力和表面张力等，按力的 作用特点区分可有质量力和表面力两类。 一、质 量 力 作用在液体每一质点上，其大小与受作用液体质量成正比例的力，称为质量 力。在均质液体中，质量与体积成正比，则此时的质量力必与液体体积成正比， 故又称体积力。 水力学中常退的质量力有重力和惯性力。 设液体的质量为 m ，加速度为 a ，则其所受质量力有： F1 = - ma F2 = - mg 上式表示液体所受的质量力与加速度 a 或重力加速 g 的方向相反。水力学 中隔离体外力常采用单位质量力 f 作受力分析。设液体所受质量力为 F ，质量 为 m ，则 f = F / m 设F在三坐标轴上有三个分量，则可以得出公式。
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第一节 水力学的定义与任务
一、水力学定义：
1.水力学是用实验和理论分析的方法，研究以水为代表的液体机械运动规律及 其在工程中应用的一门科学。 2.自然界物质存在的一般形式有三种，即固体、液体和气体。 液体和气体统称为流体，在性质上有许多异同之处，在一定条件下，水力学 的运动规律也适用于气体运动。 从力学分析角度上看，流体与固体的主要区别在于它们对外力抵抗的能力不 同。 固体可以抵抗一定的拉力、弹性力学等等。固体当外力作用时，产生相应的 变形，相应的科学有材料力学、弹性力学等。 流体几乎不能承受拉力，处于静止状态下的流体还不能抵抗剪力，即流体在 很小剪力作用下将发生连续不断的变形，流体的这种特性称为：易流动性。至于 液体和气体的差别在于气体易于压缩，而液体难于压缩。由于液体所具有的物理 力学特性与固体和气体不同，在科学发展中，逐渐形成了水力学这样一门科学。
水 力 学
Shui Li Xue
土木教研室
主讲：谢志华 二00六年九月
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
目 录
Contents
第一章 绪论 第二章 水静力学 第三章 水动力学基础 第四章 液流型态及水头损失 第五章 孔口、管嘴恒定出流和有压管道恒定流 第六章 明渠恒定均匀流 第七章 明渠恒定非均匀流 第八章 堰流 第九章 渗流
2. 优点 排除了分子运动的复杂性。 物理量作为时空连续函数，则可以利用连续院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
二、液体的主要物理性质
1. 质量 2. 重量和重度 3. 牛顿内摩擦定律——液体的易动性与粘滞性 4. 压缩性 5. 气化特性和表面张力 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆
返回
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第一节 水力学的定义与任务
二、水力学的任务
水力学课程是土木工程专业（包括公路与城市道路、桥梁、交通工程专业） 的一门技术基础课，侧重介绍有关基本原理与方法，为专业课作前期基础理论应 用训练及业务素质的培养。 水力学属于物理学中力学的一个分支，它的任务是以水为模型研究液体平衡 与运动的规律、侧重于演绎推导及原理方法的应用，在交通土建、市政工程、水 利、环境保护、机械制造、石油工业、金属冶炼、化学工业等方面都有广泛的应 用。总的说来：水力学的研究方法包含理论分析、实验验证与补充、并利用现代 化的电子技术快速求解。 水力学的相关应用主要有： 1.在土建工程中的应用。如路基排水、地下水渗透、海洋平台在水中的浮性 和抵抗外界扰动的稳定性等。 2.在市政工程中的应用。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。 3.城市防洪工程中的应用。如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流 能力等。
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
内容构成：
静水压强 水静力学 静水压力 水力学 水动力学 三大控制方程
质量守恒： 连续方程
能量守恒： 能量方程
动量守恒： 动量方程
返回
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
一、液体的连续介质模型
微观： 流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状 况下，1cm3 液体中含有3.3×1022个左右的分子，相邻分子间的距离约为 3.1×10-8cm。 宏观： 考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比 分子距离和分子碰撞时间大得多。
与密度情况类似，在水力计算中常把液体看成均质体，并取 r ＝常数 (const)，且有：
G mg g V V
（ 1 —2c）
返回
江西理工大学建筑与测绘工程学院土木教研室
第二节 液体的主要物理性质
3. 牛顿内摩擦定律——液体的易动性与粘滞性 易动性：静止时，液体所不能受切力、抵抗剪切变形的特性。 粘滞性：在运动的状态下，液体所具有的抵抗剪切变形的能力。 在剪切变形过程中，液体质点间存在着相对运动，使液体不但在与固定接触 的界面上存在切力，而且在液体内部的的流层间也会出现成对的切力，此称为液 体内摩擦力。它是液体分子间动量交换和内聚力作用的结果。当温度增高时,液 体分子间距增大，内聚力小，而动量交换对，液体的粘性作用不大，因此液体的 粘滞性随温度升高而减小；气体也有粘滞性，当温度升高时动量加剧，因而粘滞 性将随温度升高而增大。通常压强对粘滞性的影响不大，可以忽略不计。由于液 体中存在粘滞性，运动液体需要克服内摩擦力作功，因此它也是运动液体机械能 损失的根源。