水力学 绪论
水力学 (完整版)PPT
2020/4/5
16
第一章 绪论
1.3 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。
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
lim p
P
A0 A
lim
T
A0 A
2020/4/5
17
第一章 绪论
2020/4/5
1
第一章 绪论
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
2020/4/5
2
第一章 绪论
11
第一章 绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
2020/4/5
12
第一章 绪论
19th century
Navier (1785-1836) & Stokes (1819-1905)
N-S equation
viscous flow solution
Reynolds (1842-1912) 发现紊流（Turbulence） 提出雷诺数（ReynoldsNumber）
2020/4/5
13
第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
吴持恭版水力学-绪论-思考题答案
绪论
0.2 什么叫做粘滞性？粘滞性对液体运动起什么作用？
粘滞力对相对运动中较快的一层起阻碍作用，对较慢的一层起推动作用。
0.3 固体之间的磨擦力与液体之间的内磨擦力有何原则上的区别？何谓牛顿内
磨擦定律，该定律是否适用于任何液体？
固体的摩擦只在固体边界上产生，而液体质点之间的内摩擦力存在于整个液体内部和边界；而且其产生摩擦的物理本质也不同：前者是由电磁力引起的，后者是由粘滞力引起的。
牛顿内摩擦定律只适用于牛顿流体作层流运动的情况。
0.5为什么可以把液体当作“连续介质”？运用这个假设对研究液体运动规律有
何意义？
原因两点：1.水力学研究液体的宏观运动而不研究其微观运动；
2.分子间空隙的距离较研究的液流尺度极为微小。
1。
水力学知识点讲解
水力学第一章绪 论一液体的主要物理性质1．惯性与重力特性：掌握水的密度ρ和容重γ；2．粘滞性：液体的粘滞性是液体在流动中产生能量损失的根本原因;描述液体内部的粘滞力规律的是牛顿内摩擦定律 :注意牛顿内摩擦定律适用范围：1牛顿流体, 2层流运动 3．可压缩性：在研究水击时需要考虑;4．表面张力特性：进行模型试验时需要考虑;下面我们介绍水力学的两个基本假设： 二连续介质和理想液体假设1．连续介质：液体是由液体质点组成的连续体,可以用连续函数描述液体运动的物理量; 2．理想液体：忽略粘滞性的液体; 三作用在液体上的两类作用力第二章 水静力学水静力学包括静水压强和静水总压力两部分内容;通过静水压强和静水总压力的计算,我们可以求作用在建筑物上的静水荷载; 一静水压强：主要掌握静水压强特性,等压面,水头的概念,以及静水压强的计算和不同表示方法; 1．静水压强的两个特性：1静水压强的方向垂直且指向受压面2静水压强的大小仅与该点坐标有关,与受压面方向无关,2.等压面与连通器原理：在只受重力作用,连通的同种液体内, 等压面是水平面; 它是静水压强计算和测量的依据3．重力作用下静水压强基本公式水静力学基本公式p=p 0+γh 或 其中 ： z —位置水头,p/γ—压强水头z+p/γ—测压管水头请注意,“水头”表示单位重量液体含有的能量;4．压强的三种表示方法：绝对压强p ′,相对压强p, 真空度p v , ↑ 它们之间的关系为：p= p ′-p a p v =│p │当p ＜0时p v 存在↑相对压强:p=γh,可以是正值,也可以是负值;要求掌握绝对压强、相对压强和真空度三者的概念和它们之间的转换关系;1pa 工程大气压=98000N/m 2=98KN/m2下面我们讨论静水总压力的计算;计算静水总压力包括求力的大小、方向和作用点,受压面可以分为平面和曲面两类;根据平面的形状：对规则的矩形平面可采用图解法,任意形状的平面都可以用解析法进行计算; 一静水总压力的计算 1平面壁静水总压力c p z =+γdy du μτ=1图解法：大小：P=Ωb, Ω--静水压强分布图面积方向：垂直并指向受压平面作用线：过压强分布图的形心,作用点位于对称轴上;静水压强分布图是根据静水压强与水深成正比关系绘制的,只要用比例线段分别画出平面上俩点的静水压强,把它们端点联系起来,就是静水压强分布图; 2解析法：大小：P=p c A, p c —形心处压强方向：垂直并指向受压平面作用点D ：通常作用点位于对称轴上,在平面的几何中心之下;求作用在曲面上的静水总压力P,是分别求它们的水平分力P x 和铅垂分力P z ,然后再合成总压力P; 3曲面壁静水总压力1水平分力：P x =p c A x =γh c A x水平分力就是曲面在铅垂面上投影平面的静水总压力,它等于该投影平面形心点的压强乘以投影面面积;要求能够绘制水平分力P x 的压强分布图,即曲面在铅垂面上投影平面的静水压强分布图;2〕铅垂分力：P z =γV ,V---压力体体积;在求铅垂分力P z 时,要绘制压力体剖面图;压力体是由自由液面或其延长面,受压曲面以及过曲面边缘的铅垂平面这三部分围成的体积;当压力体与受压面在曲面的同侧,那么铅垂分力的方向向下；当压力体与受压面在曲面的两侧,则铅垂分力的方向向上; 3〕合力方向：α=arctg第三章 液体运动基本概念和基本方程这一章主要掌握液体运动的基本概念和基本方程,并且应用这些基本方程解决实际工程问题;下面我们首先介绍有关液体运动的基本概念： 一液体运动的基本概念1.流线的特点:反映液体运动趋势的图线 ; 流线的性质:流线不能相交；流线不能转折; 2 .流动的分类非恒定流 均匀流:过水断面上 恒定流 非均匀流 渐变流急变流在均匀流和渐变流过水断面上,压强分布满足： 另外断面平均流速和流量的概念要搞清; 二液体运动基本方程1. 恒定总流连续方程v 1A 1= v 2A 2 ,Q=vA 利用连续方程,已知流量可以求断面平均流速,或者通过两断面间的几何关系求断面平均流速;2. 恒定总流能量方程xz P P 2112A Av v =液流cpz =+γJ= —水力坡度 ,表示单位长度流程上的水头损失;能量方程是应用最广泛的方程,能量方程中的最后一项h w 是单位重量液体从1断面流到2断面的平均水头损失,在第四章专门讨论它的变化规律和计算方法,1能量方程应用条件：恒定流,只有重力作用,不可压缩 渐变流断面,无流量和能量的出入2能量方程应用注意事项:三选：选择统一基准面便于计算 选典型点计算测压管水头 : 选计算断面使未知量尽可能少 压强计算采用统一标准3能量方程的应用：它经常与连续方程联解求 ：断面平均流速,管道压强,作用水头等; 文丘里流量计是利用能量方程确定管道流量的仪器; 毕托管则是利用能量方程确定明渠水槽流速的仪器;当我们需要求解水流与固体边界之间的作用力时,必须要用到动量方程;3.恒定总流动量方程∑F x =ρQ β2 v 2x -β1 v 1x投影形式 ∑F y =ρQ β2 v 2y -β1 v 1y ∑F z =ρQ β2 v 2z -β1 v 1zβ—动量修正系数,一般取β=式中：∑F x 、∑F y 、∑F z 是作用在控制体上所有外力沿各坐标轴分量的合力,V 1i ,V 2i 是进口和出口断面上平均流速在各坐标轴上投影的分量;动量方程的应用条件与能量方程相似,恒定流和计算断面应位于渐变流段;应用动量方程特别要注意下面几个问题： 2动量方程应用注意事项：a)动量方程是矢量方程,要建立坐标系;所建坐标系应使投影分量越多等于0为好,这样可以简化计算过程;b 流速和力矢量的投影带正负号;当投影分量与坐标方向一致为正,反之为负c 流出动量减去流入动量;d 正确分析作用在水体上的力,一般有重力、压力和边界作用力作用在水体上的力通常有重力、压力和边界作用力 e 未知力的方向可以任意假设;计算结果为正表示假设正确,否则假设方向与实际相反 通常动量方程需要与能量方程和连续方程联合求解; 下面我们举例说明液体动量方程的应用： 3用动量方程求水流对弧形闸门的作用力wh g v p z g v p z +++=++222222221111αγαγ()υβυβρ 122-=∑Q F γpz +取包括闸门段水体进行示力分析,建立图示坐标,因水体仅在X 方向有当动量变化,故设闸门对水体的反作用力为水平力R x ,方向如图所示,作用在水体上的重力沿x 方向为零 x 方向的动量方程：P 1- P 2- R x =ρQ v 2-v 1 ∴ R x = P 1 - P 2 -ρQ v 2-v 1对于所取的两渐变流断面：P 1=1/2γH 2B ； P 2=1/2γh c 2B 水流对弧形闸门的作用力F 与R x 大小相等,方向相反,作用在水体上 下面我们简单介绍液体运动三元流分析的基础; 三三元流分析的基础不做考试要求 液体微团运动的基本形式： 平移、线变形、角变形、旋转 2. 有旋流动与无旋流动的区别;当ωx =ωy =ωz =0,为无旋流动或称有势流动; 3.平面势流的特点满足无旋条件： =0—存在势函数φ 满足连续方程： 0第四章 流态与水头损失在讨论恒定总流能量方程时我们曾经介绍过,水头损失h w 是非常复杂的一项内容,我们将就讨论水头损失以及与水头损失有关的液体的流态;一水头损失的计算方法1. 总水头损失： h w = ∑h f + ∑h j（1）沿程水头损失：达西公式圆管 λ—沿程水头损失系数R —水力半径 圆管 （2）局部水头损失ζ—局部水头损失系数从沿程水头损失的达西公式可以知道,要计算沿程水头损失,关键在于确定沿程水头损失系数λ;而λ值的确定与水流的流态和边界的粗糙程度密切相关; 下面我们就首先讨论液体的流态; 二液体的两种流态和判别1液体的两种流态：雷诺实验层流 —液体质点互相不混掺的层状流动;)(21yx u x y u z ∂∂-∂∂=ω=∂∂yy u+∂∂xx u gR l h f 242υλ=χA R =gd l h f 22υλ=4d R =h f ∝紊流 —存在涡体质点互相混掺的流动;h f ∝当流速比较小的时候,各流层的液体质点互相不混掺,定义为层流;当流速比较大的时候,各流层内存在涡体,并且流层间的质点互相混掺,定义为紊流;那么液体的流态怎样进行判别呢2.流态的判别：雷诺数Re,明槽： Re k =500 圆管： ,Re k =2000流态的判别的概化条件：Re ＜Re k 层流 ；Re ＞Re k 紊流判别水流流态的雷诺数是重要的无量纲数,它的物理意义表示惯性力与粘滞力的比值; 3. 圆管层流流动1断面流速分布特点 ：抛物型分布,不均匀： 2 沿程阻力系数：层流流动的沿程水头损失系数λ只是雷诺数的函数,而且与雷诺数成反比; 那么紊流中λ是怎么计算的呢 首先要了解一下紊流的特性;4. 紊流运动特性1紊流的特征—液层间质点混掺,运动要素的脉动2紊流内部存在附加切应力： 3紊流边界有三种状态：紊流中：当Re 较小 ＜ 水力光滑 当Re 较大 ＞6 水力粗糙；当R e 介于两者之间 过渡区4紊流流速分布 紊流流速分布比层流流速分布更加均匀对数流速分布指数流速分数 当 Re ＜105n=1/7通过尼古拉兹实验研究发现紊流三个流区内的沿程水力摩擦系数的变化规律;5. λ的变化规律 尼古拉兹实验 人工粗糙管层流区： λ=f 1Re=v R e R υ=v d υ=Re vu 2max =Re64=λReAc y u u x +=*ln κn m x r y u u ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=0vR 4⋅=υ603.0≤∆≤δδ∆光滑区：λ= f 2 Re紊流区： 过渡区：λ=粗糙区：λ= 紊流粗糙区也称为紊流阻力平方区,沿程水力摩擦系数λ与雷诺数无关,所以沿程水头损失与流速成正比;与雷诺实验结果一致;在实际水利工程中常用舍齐公式和曼宁公式计算流速或沿程水头损失,需要掌握; 6. 舍齐公式与曼宁公式舍齐公式： 曼宁公式： 适用：紊流阻力平方区 通常水头损失计算常用： 第五章 有压管流一有压管道恒定流1． 小孔口恒定出流：自由出流淹没出流μ—流量系数,μ=～ z —上下游水位差;1. 管嘴恒定出流 流量公式：—管嘴流量系数 = 工作条件：l =3～4d 管嘴与孔口相比,收缩断面C —C 处存在负压,所以同样条件下,管嘴的流量系数大,表明其过流能力大;二简单管道水力计算（1）短管和长管（2）管流的计算任务：a 求过流能力Qb 确定作用水头Hc 测压管水头线和总水头线的绘制;3 短管水力计算自由出流流量公式： 流量系数： b 淹没出流公式：4长管水力计算:特点： 忽略不计 )(Re,03r f ∆)(04r f ∆RJ C V=6/11R n C =gH A Q 2μ=z g A Q 2μ=gH A Q 2μ'=μ'μ'02gH A Q c μ=∑++=ζλμdlc 11gZA Q c 2μ=∑+=ζλμdlc 128Cg =λ∑+jhgv 22a LT 2=基本公式：— 流量模数5水头线绘制注意事项：1局部水头损失集中在一个断面 2管中流速不变,总水头线平行于测压管水头线（3） 总水头线总是下降,而测压管水头线可升可降 （4） 当测压管水头线在管轴线位置水头线以下,表示该处存在负压 （5） 注意出口的流速水头自由出流或局部损失淹没出流;下面我们举例说明简单管道的水力计算方法; 例1：倒虹吸管,已知Q =s,管径 d=,n=,l =70m,上下游的流速水头忽略不计,ζ进口=,ζ弯=,ζ出口=;求：上下游水位差z; 解：∴三管道非恒定流—水击 1． 水击现象： 画图水击定义：当阀门突然启闭,流速急剧改变引起水流压强大幅度升降,向上游或下游传播,并在边界上反射的现象;水击压强以压力波的形式向上游或下游传播2水击的波速和相长水击波速相长____相长是水击波传播一个来回的时间,L 是管长gd l h H f 22υλ==l KQ H 22=R Ac K =)/(11435s m DE K a δ+=aL T 42=gZ A Q c 2μ=d lc λζζζμ+++=出口弯进口213120244.08dC g==λ6161)4(014.011d R n C ==2222A g Q Z c μ=∑+=ζλμdlc 1周期____3水击分类：1直接水击 T s ≤T从边界反射减压波尚未回到阀门处,阀门已关闭,水击压强达到最大值 2间接水击T s ＞T 与上反之 4直接水击压强计算：因此在水利工程中的水轮机、泵站的压力管道设计中,必须十分重视水击的影响,防止发生水击破坏;延长闸门的关闭时间和缩短压力管道的长度,使管道内产生间接水击是降低水击压强的有效措施;第六章 明槽水流运动明渠水流主要讨论四部分内容：1. 明渠均匀流水力计算；2. 明渠水流流态的判别；3.水跃及水跃共轭水深计算；4. 明渠非均匀流水面曲线分析和计算; 一明槽均匀流1. 均匀流特征： 1水深,底坡沿程不变 过水断面形状尺寸不变2断面平均流速沿程不变3三线平行J = J z = i 总水头线、水面线、渠底2. 均匀流形成条件： 恒定流,长直棱柱体渠道,正坡渠道,糙率沿程不变3.明槽均匀流公式： Q = V A ∴ —流量模数4. 明槽均匀流水力计算类型：（1）求流量Q（2）求渠道糙率n （3）求渠道底坡：（4）设计渠道断面尺寸 求正常水深h 0、底宽b对于以上问题都可以直接根据明渠均匀流公式进行计算; 二明槽水流的流态和判别1. 明槽水流三种流态： 缓流 急流 临界流在这里我们要注意把明槽水流的三种流态与前面讨论过的层流、紊流区分开来;缓流、急流、临界流是对有自由表面的明槽水流的分类；层流、紊流的分类是对所有水流包括管流和明槽水流都适用；2. 明槽水流流态的判别：判别指标 V w Fr h k , i k 均匀流 缓流 V < V wFr ＜1h>h k i ＜ i k 急流V > V wFr ＞1h<h ki > i k)(0V V a p -=∆ρ)(0V V gaH -=∆6/11R nC =i K Ri AC Q ==R AC K =3. 佛汝德数Fr ：佛汝德数Fr 是水力学中重要的无量纲数,它表示惯性力与重力的对比关系,与雷诺数一样也是模型实验中的重要的相似准数,雷诺数表示惯性力与粘滞力的对比关系;3断面比能E s ：＞0 缓流 ＜0 急流 =0 临界流断面比能E s 是以过明渠断面最低点的水平面为基准的单位重量水体具有的总机械能;需要注意,;不同断面的断面比能,它的基准面是不同的,所以断面比能沿流程可以减少,也可以增加或不变,均匀流各断面的断面比能就是常数; 4临界流方程： 一般断面临界水深h k ： 矩形断面注意： 临界水深是流量给定时,相应于断面比能最小值时的水深; 5临界底坡i k ：均匀临界流时的底坡; i = i k ,须要强调,缓坡上如果出现非均匀流,那么缓流、急流都可以发生;对于陡坡也同样如此; 下面举例说明流态的判别：三水跃和跌水1. 跌水：由缓流向急流过渡;水深从大于临界水深h k 变为小于临界水深,常发生在跌坎和缓坡向陡坡过渡的地方;2．水跃：由急流向缓流过渡产生的水力突变现象;水平矩形断面明渠水跃： 1水跃方程： Jh 1=Jh 22共轭水深公式： 和3水跃长度 l j = h 2 - h 1四明槽恒定非均匀流特征22222gAQ h g h s E ααν+=+=21Fr dhsdE -=k B k A gQ 32=α32322g qgb Q k h αα==]181[22211-+=Fr hh ]181[21222-+=Fr hh 重力惯性力==hg V Fr（1）h 沿流程改变 （2）v 沿流程改变 ；（3）水面线不平行于渠底, J z ≠i 水面线不再是平行于渠底的一条直线;五棱柱体明槽恒定非均匀流水面曲线分析1． 基本方程：dh/ds 表示沿流程水深的变化规律 2.水面曲线分类：壅水曲线 水深沿流程增加 降水曲线水深沿流程减小2． 底坡分类： i ＜i k 缓坡i ＞0 正坡 i =i k 临界坡i ＜i k 陡坡i =0 平坡 i ＜0 逆坡3． 两条水深控制线1i ＞0,存在N-N 线正常水深h;控制线2各种底坡都存在k-k 线临界水深h k 控制线,沿程不变 3N-N 线与K-K 线划分12个流区;5.水面线变化规律2条水深线把5种底坡上的流动空间划分为12个流区,每个流区有一条水面曲线,共有12条不同类型的水面曲线,他们的变化规律总结如下：（1） 每个流区只出现一种水面线 （2） a 、c 为壅水曲线,b 为降水曲线（3） 接近K-K 线趋于正交；发生跌水或水跃接近N-N 线趋于渐近除a3、c3线 （4） 控制断面：急流在下游 ,缓流在上游 5正坡长渠道无干扰的远端趋于均匀流4． 水面线连接的规律（1） 缓流向急流过渡——产生跌水 （2） 急流向缓流过渡——产生水跃 （3） 缓流 缓流,只影响上游 （4） 急流 急流,只影响下游2221Fr K Q i ds dh --=0〉ds dh 0〈dsdh6.水面曲线分析实例:例1:缓坡连接缓坡,后接跌坎i 1＞i 2a 1线和N 2线后出现并且加粗图示缓坡接缓坡, i 1＞i 2上游来流为均匀流,下游也趋向于均匀流,从N 1线要与N 2线连接;根据水面线连接的原则,缓坡连接缓坡影响上游段,即上游形成a 1型壅水曲线;从另一角度分析若在下游坡从N1到N 2,则在b 1区发生壅水曲线,这是不可能的;此例也说明底坡改变将产生非均匀流;例2：陡坡连接缓坡：分析：水深从陡坡h 1＜h k 转入缓坡h 2,水面线必为壅水曲线;然而,无论在陡坡b 2和缓坡b 1区均不发生壅水,这就是从急流到缓流必定发生水跃,水跃的位置有三种情况,需根据共轭水深条件经计算确定; 下面我们介绍恒定非均匀流水面曲线的计算;六恒定非均匀流水面曲线计算1 基本方程分段求和法： 差分方程差分方程用平均水力坡度代替某点的水力坡度;2计算步骤1定性分析棱柱体渠道水面线确定壅水或降水,非棱柱体不用分析2确定控制断面水深 急流向下游,缓流向上游计算3设相邻断面水深,取△h=～把渠道分成若干断面第七章 泄水建筑物水流问题一堰流和闸孔出流图示堰流和闸孔出口,堰和闸通常是一体的;当闸门对水流不控制时,这就是堰流;当闸门从上面对水流控制,这就是闸孔出流;1． 堰闸出流的区别：堰流和闸流的判别：平顶堰： ≤闸孔出流＞堰流曲线堰： ≤闸孔出流 ＞堰流2.堰流:1 堰流基本公式: 根据能量方程可以导出m —流量系数与堰型、进口尺寸、堰高P,及水头H 有关ε1—侧收缩系数与堰型、边壁条件、淹没程度、水头H,孔宽、孔数有关 J i k Q i ds dE s -=-=22J i E E J i E s su sd s --=-∆=∆H eH eH e H e23012H g b m Q s σε=σs —淹没系数与水头H 和下游水深有关2三种堰型：薄壁堰：测流实用堰：WES 堰特点：H=H d ,m d = H 变化,相应m 也变化宽顶堰: m max =,淹没堰流的水流特性,淹没条件： ＞,σs ＜1 图 3计算任务：1确定过流能力Q ：2确定流量系数m:3确定眼堰顶水头H 0：3.闸孔出流：闸门形式可以分成平板闸门和弧形闸门,出图(1) 水流特征：收缩断面水深 e h c 2ε=(2) 基本公式 02gh b Q e s μσ=μ — 流量系数=F 闸门形式,闸底坎形式s σ—淹没系数,出现远离或临界水跃时,s σ=1;下面举例说明闸孔出流计算.例:矩形渠道中修建单孔平板闸门,b=3m,H=6m,e=,下游水深h t =,求:通过的流量;解：1不考虑淹没影响 =＜ 图缩小放此屏后侧∴闸孔出流 ∵宽顶堰上平板闸门由于下游水深h t =,是否淹没还需要判断2判断淹没情况:当查ε2= 收缩端面水深为 hc=ε2e= 求对应于h c 的共轭水深,以判别是否淹没 23012H g b m Q s σε=H e556.076.160.0=-=He μs m gh be Q /13.2723==μ25.0=He s m bcQ V c /693.9==2/3012H g b Q m S σε=3/210]2[mg b Q H S σε=0H hs∵h c2>h t ∴自由出流;淹没系数σs =1我们比较一下堰流和闸孔出流的过流能力.堰流：闸孔出流：在同样的条件下,水头H 的增加,堰流量要比闸孔通过的流量增加的快得多;所以在水利工程中经常利用堰及时排放汛期的洪水;二水流衔接水利工程中,从溢流坝、泄洪陡槽、闸孔、跌坎等水工建筑物下泄的水流具有流速高、动能大而且集中;因此我们必须要采取工程措施,消耗水流多余的能量,使下泄水流与下游河道能平顺地衔接;否则如果不采取工程措施,就会造成下游河床严重的冲刷,影响水工建筑物的正常运行;水流衔接形式 ：—淹没系数,它代表下游水深h t 与收缩断面水深的共轭水深的比值; 1当h t ＜：远驱水跃,σj <1; 从图中可知：远驱水跃在渠道中出现急流段,对河床冲刷能力强,不利于河床和建筑物的安全; 2当h t = ：临界水跃, ,σj =1,;临界水跃十分不稳定,水流条件微小的改变,会使临界水跃变为其它形式的水跃;3当 h t ＞ 淹没水跃 , σj ＞1三水流消能根据上面的分析,我们可以知道,远驱水跃存在急流段对下游最为不利；临界水跃不稳定,容易变为远驱水跃;对于淹没水跃,当淹没系数大于时,也不利于消能;因此通常需要采取修建消力池等工程措施,形成淹没系数为~的淹没水跃与下游水流衔接;1. 常用消能方式（1） 底流消能—水跃消能 利用从急流到缓流产生水跃的剧烈翻腾的旋滚,消耗水流多余的能量,适用于中低水头和地质条件差的情况,在渠道中闸和跌坎的下游广泛应用（2） 挑流消能 在泄水建筑物末端修建跳坎,把下泄水流挑射到远离建筑物的地方,水流在空中跌落扩散,落入河道与水流碰撞,产生强烈紊动混掺,消耗大量能量,多用于高水头和地质条件好的情况2. 底流消能 ：底流消能一般采用消力池形式;1消力池的类型:a) 降低护坦形成消力池m gh v h h c c c 789.3)181(222=-+=230H Q ∝210H Q ∝"c h "c h "c h "=c t j h h σ"=c t j h h σb) 护坦末端修建消力坎c) 综合式消力池2.降低护坦消力池设计1消力池深d 根据图示的几何关系,消力池深d 等于 a d=σj -△z-h t其中：消能池通常也可以用下式估算池深d ： d=σj -h t2消力池长度的计算 由于消力池末端池壁的作用,消力池中水跃长度比自由水跃L j 短L k =~L j3设计流量 池深设计流量 -h tmax Q 池长设计流量 Q max 保证水跃不发生在池外第八~九章 渗流和相似理论一渗流渗流运动是指水在有孔隙的土壤或岩石中的流动,如在土坝、井、闸坝的基础内均存在地下水的渗流运动由于自然界土壤组成的复杂性,地下水在土壤孔隙中的流动难以完全了解和表达,因此引入了渗流模型的概念;1 渗流模型1概念：忽略全部土壤颗粒的体积或存在,认为地下水的流动是连续地充满整个渗流空间;2渗流模型的条件：与实际渗流保持相同的边界条件、渗流流量和水头损失;需要注意的是：土壤中实际渗流的流速是大于在渗流模型中计算得到的渗流流速,在渗流中讨论的都是模型渗流流速;2．渗流基本定律1达西定律:断面平均流速：υ = kJ式中：J —渗透坡降；k —土壤的渗透系数,表示土壤渗透能力的大小;适用范围：恒定均匀层流渗流;3．恒定无压渐变渗流基本公式 —杜比公式"c h )181(232-+="c c c gh q h h ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡"-'=∆222)(1)(12c j t h h g q z σϕ''C j h d σ="c h ds dHk -=υJds dH=-式中：H —测压管水头,或称为水面高程, J —渗透坡降;对于渐变渗流,同一过水断面上的渗透坡降可以认为是常数,因此同一渗流断面上各点的流速为定值;（1） 无压均匀渗流地下河槽均匀渗流的断面平均流速和单宽渗流流量可以用下式计算：υ = k iq = kih 0在工程中经常打井取水或者用来降低施工区域地下水位4．井的渗流计算 图,动画（1） 井的分类无压井—在无压含水层有压井—井底深入到承压含水层完全井—井底落在不透水层上非完全井—井底未落在不透水层上2无压完全井 前图引过来出水量 式中：H —无压含水层水深,h 0—井中水深,R —影响半径,r 0—井的半径;浸润线方程： h 为距井中心r 处地下水深;我们举例来说明渗流计算的应用实际工程中的水流现象非常复杂,仅靠理论分析对工程中的水力学问题进行求解存在许多困难,模型试验和量纲分析是解决复杂水力学问题的有效途径;模型试验必须遵循一定的相似原理;（二） 相似原理1． 流动相似的特征几何相似运动相似动力相似2．相似理论在满足几何相似的前提下,动力相似是实现流动相似的必要条件,即要求在模型和原型中作用在液体上的各种力都成比例;一般性的牛顿普遍相似准则：Ne P =Ne M牛顿数 表示某种力与惯性力的比值 F 可以是任何种类的力,下标P 和M 分别表示原型和模型的物理量;这就是实现流动动力相似的牛顿相似准则;)/lg(36.10202r R h H k Q -=0202lg73.0r r k h h +=22υρL F Ne =在实际水利工程中作用在水流上的主要作用力是重力、惯性力和紊动阻力,粘滞阻力,通常难以全部满足相似要求;但是只要保证主要的作用力相似,也可以使模型试验的精度满足实际工程的需要;3． 重力相似准则佛汝德相似准则处于阻力平方区的明渠水流要求满足重力相似准则和紊动阻力相似的条件为F rP =F rM 式中：n P 、n M 分别是原型和模型的糙率,λn ,λL 分别是模型的糙率和长度比尺;满足重力相似准则条件下其它物理量的比尺关系：流速比尺： 流量比尺： 时间比尺： 作用力比尺： 61L Mn n n p λλ==5.0Lλνλ=5.2LQ λλ=5.0Lt λλ=3L F λλ=λρ。
第一章水力学绪论ppt课件
• 单位质量力：作用在单位质量液体上的质量力。
fF M
X Fx ,Y Fy , Z Fz MMM
第四节 水力学的研究方法
1.理论分析（经典力学为基础） 2.科学试验 （1）原型观测 （2）模型试验 （3）系统实验 3.数值模拟和数值计算
1.理解连续介质和理想液体的概念。 2.掌握液体的基本特征和主要物理性质，特 别是液体的黏滞性和牛顿内摩擦定律及其应 用条件。 3.理解作用在液体上的两种力。
3）了解连续介质模型以及粘度随温度的变化规律。
第一节 课程概述 •水力学的学科性质
研究对象 力学问题载体
流体力学
流体
强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用
水力学
水
力学
宏观力学分支 遵循三大守恒原 理
力学
1.水力学的概念 水力学就是研究以水为代表的液体机械运动规
律及其在实际应用的科学。 水力学所研究的基本规律：两大主要组成部分，水 静力学和水动力学。
水静力学：关于液体平衡的规律，它研究液体处 于静止（或相对平衡）状态时，作用于液体上的各种 力之间的关系。
水动力学：关于液体运动的规律，它研究液体在 运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关 系，以及液体的运动特性与能量转换等等。
定义概括了三个涵义：
第一:水力学虽以水为研究对象，但其基本原理同 样适用于一般常见的液体和可以忽略压缩性影响的 气体。 第二:水力学的主要研究内容是在外力作用下，静 止与运动的规律，液体与边界的相互作用。 第三:水力学研究的目的在于应用。
流体运动的三大要素：流体、运动、力
水力学中研究的液体是一种易流动、不易压缩、 粘性很小、均质等向的连续介质。
2.水力学的任务及其在工程中的应用
水力学
流线为什么不能相交？ 因流线上任一点的切线方向代表该点的流速方向，如果流 线相交，在交点出就会出现两个切线方向，而同一时刻同 一点流体质点不可能同时向两个方向运动。
3.3.3 均匀流与非均匀流
①定义：总流中沿同一流线各点流速矢量相同 ②性质：1流线相互平行；2过水断面是平面；3沿流程过水断面形 状和大小不变，流速分布图相同 非均匀流 ：沿同一根流线各点流速向量不同 在均匀流中，位于同一流线上各质点的流速大小和方向均相同。
有空间点上的运动情况，构成整个液体的运动。
用欧拉法描述液体运动时，液体质点的加速度应是当地加 速度与迁移加速度之和。
3.2 水流的分类
表征液体运动的物理量，如 流速、加速度、动水压强等 恒定流
按运动要素是否随时间变化
非恒定流
一元流 按运动要素随空间坐标的变化 二元流
三元流
均匀流 按流线是否为彼此平行的直线 非均匀流 急变流
Px hc Ax
曲面上静水总压力的水平分力等于曲面在铅垂投影面上 的静水总压力。
Pz Vp
曲面上静水总压力的垂直压力等于压力体内的水体重。 静水总压力
P Px2 Pz2
Pz tan Px
Pz arctg Px
例:某半圆柱面挡水建筑物，半径R=2m，宽度 b 2 m
代入到上式
0.6 pa 0.6 98060 V2 2 g H 2 9.806 2.8 20.78(m/s) g 9806
• 所以管内流量
qV
4
d 2V2 0.785 0.12 2 20.78 0.235(m 3/s)
水力学第一章 绪论
2 重力特性：物体受地球引力作用的性质。
Gmg gV
§1-4 流体的主要物理力学性质 ③分析说明：
速度梯度等于角变形速度 du d ；
dy dt 粘性切应力 在流体静止或相对静止时为零；
动力粘性系数 表征流体粘滞性的强弱，单位（ N s / m2 ）； 运动粘性系数 表征流体粘滞性的强弱，单位（ m2 / s ）。
社 1983 3闻德荪主编. 工程流体力学(水力学) 人民教育出
版社 1991
第一章 绪论
§1-1流体力学的任务及研究对象 什么是流体：从物质存在形式看是液体和气体；
从物质特点看具有易流动性。 什么是流体力学：是研究流体宏观运动规律的科
学。 什么是水力学：是研究水体宏观运动规律的科学。 水力学的任务：是研究液体（主要是水）的平衡
和运动规律及其实际应用。
§1-1流体力学的任务及研究对象
有那些研究领域要应用到水力学知识：水力发 电、港口航道、农田水利、环境保护、土木建 筑、道路桥梁、城市建设、水资源开发、防汛 抗旱等。
水力学研究那些运动规律：静止水体的平衡 （与固体的区别）、受力分析、运动水体的速 度、加速度、能量、自由液面的位置-5 作用在流体上的力 1 表面力：作用于流体表面、大小与面积成正
比的力；
表面力可作用与流体任意剖面上； 可分解为表面法向力（压力）和切向力； 单位面积上的压力为压强，单位面积上的切向
力为切应力； 应力量纲为 ML1T 2 ，单位面积上的力称为帕
斯卡1Pa 1N / m2
§1-5 作用在流体上的力 2 质量力：作用于流体每一部分质量上、大小
与质量成正比的力； F f m
水力学绪论
•重点掌握：基本概念、基本方程、基本应用、基础流体力学 重点掌握：基本概念、基本方程、基本应用、 重点掌握 •对专门水力学、高等流体力学、计算流体力学本课程不作要求。 对专门水力学、高等流体力学、计算流体力学本课程不作要求。 对专门水力学 牛顿三定律（惯性定律、F=ma、作用力与反作用力） 牛顿三定律（惯性定律、 、作用力与反作用力
v d(mu) ∑F = dt
v v F =v a m
二、连续介质模型 连续介质模型 实质——分子间有间隙，分子随机运动导致物 理量不连续。
1cm3有3.34×1022个水分子， 分子的间距为3×10-8cm。 ∴ 从宏观角度认为， 水为连续介质。 ρ=ρ(x，y，z) u=u(x，y，z) p=p(x，y，z)
对象——流体[液体(水)]
任务——研究水的机械运动规律 及其在工程上的应用
。
机械运动——研究物体受力以后 与时间的关系。
规律：客观存在的 自然法则。
应用——解决工程实际问题。 如：水力荷载、过水能力、水流流动形态、水能利用 和水能消耗
水利类流体力学：水工、水动、海洋等（ 水利类流体力学：水工、水动、海洋等（也 称水力学） 称水力学） 应用流体力学 或工程流体力学 机械类流体力学：机械、冶金、化工、 机械类流体力学：机械、冶金、化工、水机等 土木类流体力学：市政、工民建、道桥、 土木类流体力学：市政、工民建、道桥、城市 防洪等
1.2.2 表面力
1、表面力：又称面积力（Surface Force） ，是毗邻流体或其 、表面力：又称面积力（ ） 它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。 它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与作 用面面积成正比。 用面面积成正比。 压力：垂直于作用面。 压力：垂直于作用面。 按作用方向可分为： 按作用方向可分为： 切力：平行于作用面。 切力：平行于作用面。
水 力 学 绪论
模型试验
当实际水流运动复杂，而理论分析困 难，无法解决实际工程的水力学问题时采 用。
指在实验室内，以水力相似理论为指 导，把实际工程缩小为模型，在模型上预 演相应的水流运动，得出模型水流的规律 性，再把模型试验成果按照相似关系换算 为原型的成果以满足工程设计的需要。
系统试验
在实验室内，小规模的造成某种水 流运动，用已进行系统的实验观测，从 中找到规律。
水
力
学
的
主
要
任 务
3.分析水流流动的形态。譬如修建一栏 河坝形成水库，需要计算上游河道中水
面的壅水长度，从而计算淹没范围，这
些都需要掌握水流的运动规律。
4.水能利用和消能问题。
水 力
供水系统中
学 的水箱、水塔
的 主 要
都建的很高， 根据能量方程
任 将位能或压能
务 转化为动能。
当水流从泄水孔泄到下游时，由于具
液体中的一切物理量都可以视为空 间坐标和时间的连续函数，因此可采用 连续函数的分析方法。
长期的生产和科学实验证明：利 用连续介质假定所得出的有关液体运 动规律的基本理论与客观实际是十分 符合的。
§0.3 液体的主要物理性质
➢ 惯性、质量与密度 ➢ 万有引力特性、重力与容重 ➢ 粘滞性 ➢ 压缩性 ➢ 表面张力
du dy
称为流速梯度，
是单位面积上的内摩擦力（切应力）。
作层流运动的液体，相互邻近层间单位面积
上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯 度成正比，同时与液体的性质有关。
d tan( d ) dudt
dy
du d
dy dt
d
dt
液体的粘滞切应力与剪切变形速度成正比。
粘度
水力学
x = x(a,b,c,t) ⎫
y
=
y(a, b, c, t)
⎪ ⎬
z = z (a, b, c, t ) ⎪⎭
式中，a, b, c, t 为拉格朗
日变数。
液体质点的速度、加速度
ux
=
∂x ∂t
=
∂x(a,b, c,t) ∂t
⎫ ⎪ ⎪
uy
=
∂y ∂t
=
∂y(a,b, c,t) ∂t
⎪ ⎬ ⎪
uz
= ∂z ∂t
fx fy
= =
Fx Fy
/M /M
⎫ ⎪ ⎬
fz
=
Fz
/M
⎪ ⎭
f = Xi+Y j+Zk
第二章 水静力学
第一节 概述
¾静水压强特性及其分布规律 ¾作用与平面和曲面的静水总压力
第二节 静水压强及其特性
p = lim ΔP = dP ΔA→0 ΔA dA
¾静水压强的方向总是垂直指向于作用面 ¾静止液体中任一点处各方向的静水压强大
倾斜式空气压差计
p1 − p2 = ρg(Δh' sinθ − a)
例题
静水压强分布图
pA = ρmg(∇1 −∇2)−ρg(∇3 −∇2)+ρmg(∇3 −∇4)−ρg(∇5 −∇4)
5
静水压强分布图
静水压强分布图
第六节 作用于平面上的静水总压力
¾解析法 ¾图解法
解析法
解析法适用 于置于水中任意 方位和任意形状 的平面。
第一章 绪论
第一节 水力学的定义、任务和发展简史
水力学是研究液体平衡和机械运动规律 及其应用的一门学科。 ¾ 水静力学 ¾ 水动力学
水力学整理版
水力学整理版第1章绪论1水力学的研究对象以水为代表的液体的均衡和机械运动的规律及其在工程中的应用领域。
包括：水静力学水动力学2液体流动的基本特征（自己整理）物质的三态（固体、液体、气体）3连续介质假定假设液体质点之间没空隙，液体质点已连续充满著所占到的空间，其物理性质和运动要素都就是已连续原产的。
水力学中认为液体是易流动、不可压缩、均匀等向的连续介质。
4国际单位制（si）和工程单位制1.量纲和单位量纲：表示物理量性质的属性。
如：长度[l]，时间[t]，质量[m]，力[f]分为基本量纲和诱导量纲两种单位：量度各种物理量数值大小的标准。
例如：长度需用mm,m,km等则表示。
αβγ任何一个物理量的量纲需用三个基本量纲的指数乘积去则表示：[x]=[ltm]5国际单位制和工程单位制的差别和换算关系差别：选好的基本量纲相同，从而诱导量纲相同国际单位制度（si）:基本量纲选[l]、[t]、[m]诱导量纲：如果长度、时间、质量的单位采用：m、s、kg,则：力的单位：kgm/s2工程单位制：基本量纲选[l]、[t]、[f]诱导量纲：如果长度、时间、力的单位采用：m、s、kgf,则：质量的单位：kgfs2/m6液体的主要物理性质1.惯性、质量和密度设液体质量为m,加速度为a，则惯性力为f=-ma液体单位体积内所具备的质量称作密度，用ρ则表示。
均质液体：ρ=m/v非均质液体：??lim?m?v?0?v2.万有引力、重量、土壤湿度物体之间相互具有的吸引力称为万有引力。
地球对物体的引力称为重力（或重量g）g=mg液体单位体积内所具有的重量称为容重，用γ表示。
均质液体：γ=g/v 非均质液体：??lim?g?v?0?v3.粘滞性和粘滞系数在运动状态时，液体质点之间或流层之间就存有相对运动，此时，液体质点之间或流层之间会抗拒相对运动而产生质点之间的内摩擦力，内摩擦力做功而消耗有效机械能。
液体的这种特性称为粘滞性。
表征液体粘滞性质的系数称为粘滞系数。
1第一章：绪论1
15
第二节 液体的主要物理性质 及作用于液体上的力
z
V
16
液体质点
o
A x
y
lim M 当V趋于无限小时： V 0 V
注意：密度是坐标点(x，y，z)和时间 t 的函数， 即 = （x，y，z，t）。
17
z
V
液体质点
o
A x
y
特征体积 V ：是使平均密度具有确定的数值，并表征其 中足够多分子的统计平均值即流体的宏观密度时的体积。 流体微团：即特征体积 V 中所有流体分子的集合。 流体质点(fluid particle)：又称“流体微团”。含有足 够的分子，可作为连续介质基本单元的最小流体团。
21
流体的粘度：粘性大小由粘度来量度。流体的粘度是
由流动流体的内聚力和分子的动量交换所引起的。 分类： 动力粘性系数：又称绝对粘度、动力粘度、粘度， 是反映流体粘滞性大小的系数，单位：N•s/m2 。 运动粘度：又称相对粘度，运动粘性系数。
v
(m2/s)
水的运动粘度 通常可用经验公式计算：
28
流
流 体 类 别
理 想 流 体
体
定
分
义
类
实 例
无粘性及完全不可压 缩的流体的一种假想 流体 有粘性、可压缩的 流体 0 水、空气、汽油、煤油、 甲苯、乙醇等 牙膏、泥浆、血浆等 橡胶、油漆、尼龙等 生面团、浓淀粉糊
牛顿流体 实 际 流 体 非 牛 顿 流 体 宾汉型塑性 流体 假塑性流体 膨胀性流体
苏萍 机械工程学院 2012年2月
第 一 章：绪 论
第一节 水力学的任务及其发展概况 一、水力学的任务 二、水力学发展简史 第二节 液体的主要物理性质及作用 于液体上的力 一、液体的质量和密度 二、液体的重量和容重 三、液体的粘滞性 四、液体的压缩性 五、液体的表面张力 六、作用于液体上的力
水力学 第一章 绪论
（液体）
对气体来说，温度升高，则μ升高，
T
μ
（气体）
T
第一章 绪论 当液体停止流动时，相对速度等于零，内摩擦力将不存在了，所以在静 止液体中不呈现内摩擦力。
5、理想液体模型
在水力学中，为了简化分析，对液体的粘性暂不考虑，即μ=0。从而引 出没有粘性的理想液体模型。
注意：
因为理想液体模型没有考虑粘性，所以，必须对粘性引起的偏差进行 修正。
第一章 绪论
4、牛顿内摩擦定律：
du FA dy
单位面积上的力，称为切应力τ。
du F A dy
F du A dy
μ——液体性质的一个系数，称为粘性系数或动力粘性系数 （单位：N· 2) S/m 运动粘性系数：
ν
单位：米2/秒（m2/s)
第一章 绪论
对液体来说，温度升高，则μ降低， μ
第一章 绪论
§1-1绪 论
一、水力学的定义：
水力学是研究液体的运动规律，以及如何运用这 决工程实际问题的科学。 些规律来解
水力学包括： ⑴水力学基础：
主要是研究液体在各种情况下的平衡运动规律，为研究的方便起见 ，该内容又分为流体静力学和流体动力学。 为各种工程实践服务 ⑵专门水力学：
第一章 绪论
二、水力学和流体力学
液体层与层之间因滑动而产生内摩擦力，具有内摩擦力的液体叫粘性液 体或实际液体。
第一章 绪论
2、流速梯度：是指两相邻水层的水流速度差和它们之间的距离之比 。 y du
即：
du dy
dy
0
u+du
u u
3、内摩擦力的大小：
⑴、与相邻运动液体层的接触面积成正比
第一章水力学绪论copy
第一章绪论
（一）课程地位
（二）水力学研究的对象
⏹1.水力学的定义
⏹水力学是研究液体（主要指水）宏观机械运动的规律，并探讨运用这些规律解决工程实际问题的一门科学。
⏹2.水力学的任务
研究以水为代表的，液体机械运动规律及其在工程中的应用。
⏹3.研究对象
液体
（三）水力学由以下内容构成
水力学所研究的基本规律：两大主要组成部分，水静力学和水动力学。
（四）水力学的在工程中的应用
2.确定水工建筑物过水能力
4.确定水流能量消耗和利用
农村小型自来水厂
5.特殊的水力学问题
三.液体的基本特征与连续介质的概念
2.连续介质的概念连续介质的概念
四.
1.惯性、质量与密度
V =ρ
2.粘滞性
，相互邻近层间单位面积上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯度成正比，
⏹
例题一极薄的平板，在厚度分别为4cm的两种油层中以的速度运动。
已知上层动力粘0.8u m s =
()du τμμ
=+
3. 液体的压缩性
4.
毛细管现象
汽化压强是指液体汽化和凝结达
2.
数值模拟
（2）模型试验
1. 水力学的定义
2．水力学的任务：研究以水为代表的机械运动规
（1）质量力：作用在液体内部每个质点上，并且与液体质量成正比。
水力学第一章
du d
密度为ρ=m/V，重度为γ=G/V。
对于非均质液体
lim m dm
V 0 V dV
lim G dG
V 0 V dV
00:22
量纲和单位
量纲：表征各种物理量属性和类别的称为物理量的量纲（或称因次）
例如：长度─［L］、时间─ ［T］、质量─ ［M ］、 力─ ［F］
基本量纲：相互独立，即其中的任意一个量纲都不能从其 它量纲中推导出来。如［L］、［T］、 ［M ］
水力学发展简史——世界发展简史
公元前250年古希腊的阿基米德（Archimides）撰 写的“论浮体”奠定了水静力学的基础。
此后千余年间，直到15世纪文艺复兴时期，流体力学没 有重大发展。
16世纪以后，流体力学较快发展，如达·芬奇、伽利略、 E·托里拆利、B·帕斯卡、I·牛顿等人用实验方法研究了静水 压力、大气压力、孔口出流、压强传递和水的切应力等问题。
体积弹性系数
E=1/β=-dp/dV/V E的单位是 N/m2
E值越大，表示液体愈不容易压缩。
00:22
dm d V dV Vd 0
dV d
V
d 即βk=
dp
液体的压缩性很小，即每增加一个大气压，水的 体积比原体积缩小约二万分之一，因此，在一般情 况下，可以将水作为不可压缩液体来处理。
鱼嘴与上游的百丈堤及下游的内、外金刚堤联合作用，自动将岷江上 游的水流按照丰水期“内四外六”、枯水期“外四内六”的比例分流引入 灌区，工作原理满足弯道水流“大水走直，小水走弯”的规律；鱼嘴的位 置处在水流中泓线左右偏转的一个临界点上。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
六、研究方法
理论方法 理论模型——普遍规律——数学求解
试验方法 观察与测量——分析处理——本质规律
数值方法 数学问题——求近似解
七、水力学发展简史
公元前250年古希腊的阿基米德（Archimides）撰 写的“论浮体”奠定了水静力学的基础。 此后千余年间，直到15世纪文艺复兴时期，流体力学没 有重大发展。 16世纪以后，流体力学较快发展，如达〃芬奇、伽利略、 E〃托里拆利、B〃帕斯卡、I〃牛顿等人用实验方法研究了静水 压力、大气压力、空口出流、压强传递和水的切应力等问题。 18-19世纪，流体力学沿着两条途径建立了液体运动的系统理 论，形成两门独立的学科。
适用条件： 只能适用于牛顿流体
在同一种液体中，μ或ν值均随温度和压力而异，但 随压力变化关系甚微，对温度变化较为敏感。对于 水，ν可按下列经验公式计算
0.01775 v 1 0.0337 0.000221 t 2
压缩性
液体受压后体积要缩小，压力撤除后也能 恢复原状，这种性质称为液体的压缩性或 弹性。 体积压缩系数 体积弹性系数
Fx X M
或
Y
Fy M
Fz Z M
十二、理想液体的概念 理想液体： 就是把水看作绝对不可压缩、不能膨胀、没有 粘滞性、没有表面张力的连续介质。
有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主
要差别。
十三、量纲和单位
量纲：表征各种物理量属性和类别的称为物理量的量纲（或称因次） 例如：长度─［L］、时间─ ［T］、质量─ ［M ］、 力─ ［F］ 基本量纲：相互独立，即其中的任意一个量纲都不能从其 它量纲中推导出来。如［L］、［T］、 ［M ］ 诱导量纲: 由基本量纲推导出来的，也称为导出量纲。 面积 A L
古典流体力学的奠基人 是瑞士数学家伯努利 (Bernoulli，D．) 欧拉 (Euler，L．) 忽略黏性、重数学、重理 论
实用流体力学(又分支出水力 学) 的奠基人是一些工程师和实 际工作者，如谢才(Chezy， A．de)，达西(Darcy，H．)，毕 托(Pitot，H．) ，曼宁等。考虑 黏性、偏经验、偏实用
2
L 速度 V T
L 加速度 a 2 T
工程单位制
单位:为了衡量同一类别物理量的大小而规定的度量标准称为单位。 国际单位制(SI) 基本量纲: ［L］ ［T］ ［M ］ 诱导量纲: ［F］ ［L］ ［T］ ［F］ ［M ］
习题
1-1 500L水银的质量为6795kg，试求水银的密度和容重。 1-3 设水的体积弹性系数K=2.18×109N/m2,试问压强改变多少时， 其体积才可相对压缩10%? 1-4 如题1-4图所示，有一面积为0.16m2的平板在油面上作水平运 动，已知运动速度u=1m/s，平板与固定边界的距离δ=1mm，油的 动力黏度μ为1.15 Pa〃s，由平板所带动的速度成直线分布，试求平 板所受的阻力。 1-6 如题1-6图所示的盛水容器，该容器以等角速度ω绕中心轴旋转。 试写出位于A（x,y,z）点处单位质量所受的质量力分量表达式。
出版社，2003.09 2、《水力学》吴持恭，高等教育出版社出版，2003.11
第3版
3、《水力学》李炜、徐孝平，武汉水利电力大学出版 社，2000.06
4、 《流体力学与水力学例题分析》裴国霞、张志澍，
内蒙古农业大学印刷，2011.08 5、 《水力学学习指导与题解详解》机械工业出版社，
2009.08
九、连续介质模型
研究尺度与统计平均特性 质点概念 连续介质模型——密集质点构成内部无空隙的 连续体 分析方法
“连续介质”概念的建立，使液体中的一切物理量 （压强、速度、密度等）都可视为空间坐标和时 间的连续函数〔如：p=p(x,y,z,t)、u=u(x,y,z.t)〕。
十、主要物理性质
TA
du dy
du d dy dt
牛顿内摩擦定律：作层流运动的液体，相互邻近层间单位 面积上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯度成 正比，同时与液体的性质无关． μ为动力粘滞系数 ν为运动粘滞系 （动力粘度 ），国际 数（运动粘 单位 ： N s / m 2 度），国际单 位：m 2 s
十一、作用在流体上的力 表面力
质量力
直接接触
隔距作用
作用于表面
大小正比于作用面积 某点的应力表示 例如：切力、压力
作用于质点或质心
大小正比于质量 某点的单位质量力 例如：重力、惯性力
z
F M
单位质量力
F f M
y
0
x
投影 形式
Fx f x' M Fy f y' M Fz f x' M
惯性——密度 万有引力——重度 压缩性和膨胀性 表面张力 汽化压强 粘滞性
密度
单位体积液体所含有的质量
重度
单位体积液体所具有的重量
定义
（均质流体）
m V
G g V
国际单位 量纲 常用数值
kg m3
N m3 ,KN m3
M L
3
M L
3
2
T
2
1000kg m
9800 N m3
工程上视为常数，取一个标准大气压下，温度为4℃，蒸 馏水来计算，
粘滞性
当液体处在运动状态时，若 液体质点之间存在着相对运 动，则质点间要产生内摩擦 力抵抗其相对运动，这种性 质称为液体的粘滞性，此内 摩擦力又称为粘滞力。 牛顿内摩擦定律：
讲，水力学是一门技术基础科学，属专业基础课。 四、组成
水静力学 静水压强
按水流存在 的状态
静水压力
水动力学
质量守恒： 连续方程
能量守恒：
动量守恒：
能量方程
动量方程
按研究的方法 基础理论: 如三大方程 基本应用：如 管、渠恒定流
专门问题 ：消能、 水击、两相流
按水流边 界条件
管道水流 明渠水流 堰流 闸孔出流
第一章 绪论
一、水力学研究对象
固体 物质 流体 液体 气体 油、血浆、 泥浆 水
水力学主要研究特殊的流体
水
二、任务 研究水的宏观运动规律，即水在
各种外力的作用下，它的平衡和
机械运动规律。以及如何应用这 些规律来解决实际问题。
三、学科领域 是流体力学的一个分支，属于基础科学。是一们实
践性很强的科学，带有技术学科的某些特点。确切的
使上述两类研究方法得到统一的是德国人普朗特
在1904年创立的边界层理论（附面层理论）
20世纪以来，随着生产和科学的发展，水力学得到了 迅速发展，分支出：计算水力学，环境水力学，工程 水力学，生态水力学，城市水力学等
八、基本特征
几乎不抗拉 易流动，不能保持一定形状 难于压缩，具有一定的体积，能 保持一个自由表面 各向同性、匀质 连续介质
射流 桥涵水流 坡面流 孔口出流
渗流 有压流 无压流 溃坝水流
五、课程特点
两个难点 紊流 多
概念多 系数多 分类多
课程要求：听课，自学——习题，讨论——总结，提炼 基础课程：高等数学，物理学，理论力学
，
参考教材：1、 《水力学》吕宏兴、裴国霞、杨玲霞，中国农业
dV k V dp
1 K k
K值越大，表示液体愈不容易压缩。
表面张力 自由表面上，液体分子由于受两侧
分子引力不平衡，使自由面上液体分
子受有极其微小的拉力 。 表面张力仅在自由表面存在，液体 内部并不存在。 大小：用表面张力系数σ来度量 σ是指在自由面单位长度上所受拉力 的数值。单位：牛顿／米（N/m）。