水力学第一章 绪论
水力学 绪论
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
第一章水力学绪论
其 中 ΔV0 的含义应理解 为液体微团趋 于液体质点。
2 .液体的主要物理性质
1).惯性力：当液体受外力作用使运动状态发 生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵抗 的反作用力。 2).质量：物体惯性大小的度量。 3).密度：是指单位体积液体所具有的质量。
4).重力：地球对物体的引力称为重力，或称为重量。
二. 质量力
• • •
质量力分布在液体质量上。
质量力的定义：作用于液体的每个质点上，并与受作用 的液体质量成比例的力。 单位质量力：作用在单位质量液体上的质量力。
F f M Fy Fx Fz X ,Y ,Z M M M
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
第二节宏观上看，液体质点足够小，只占据一个空间几何
点，体积趋于零。
微观上看，液体质点是一个足够大的分子团，包含
了足够多的液体分子。
3.3 1022
个分子
1cm3空气 ( 标准状态下)
• 连续介质假设
连 续 介 质 假 设 将 液 体 区 域 看 成 由 液 体 质 点 连 续 组 成 ， 占
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。
思考题
1 液体的基本特征是什么？它与气体、固体有什么
区别？ 2 为什么要引进连续介质的假设？为什么可以把液 体当作连续介质？ 3 液体的主要物理特性是什么？研究液体运动一般
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
水力学第1章 绪论_2015
4. 研究方法
第 一 章 绪 论
理论、实验及数值模拟
理论分析 经典力学的基本原理： 牛顿的三大 定律 水流运动的基本方程式： 连续性方 程、能量方程、动量方程
2012年2月
25
25
水力学
实验分析
第 一 章 绪 论
1、原型观测 2、模型实验 3、系统实验
2012年2月
26
26
水力学
60
水力学
难?不难?
第 一 章 绪 论
2012年2月
61
61
水力学
水力学的学习方法
第 一 章 绪 论
2012年2月
62
62
水力学
课程的任务
第 一 章 绪 论
认识现象 理解概念 分析原理 解释现象 解决问题
2012年2月
63
63
水力学
学习内容
第 一 章 绪 论 水静力学 水动力学 应用
第 一 章 绪 论
55
水力学
学习内容
第一章 第 第二章 一 章 第三章 第四章 绪 论 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 水静力学 液体一元恒定总流基本原理 液流型态及水头损失
液体三元流动基本原理 有压管流 明渠均匀流 明渠非均匀流
59
水力学
第 一 章 绪 论
第九章 堰流及闸孔出流 第十章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 第十一章 渗流 第十二章 相似原理
75
水力学
第 一 章 绪 论
3、流动性
静止流体在切应力作用下，发生连续变形 的特性称为流动性。
4、粘性
（1）粘性 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。
水力学常用知识讲解(笔记)
《水力学》学习指南第一章绪 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。
第一章：水力学 绪论
11 • 1876年雷诺发现了水流动的两种流态：层流和紊流。 • 1858年亥姆霍兹指出了理想水中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论， 并于1887年提出了脱体绕流理论。 • 十九世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。 • 1904年普朗特提出了边界层理论。
• 二十世纪六十年代以后，计算水力学得到了迅速的发展，水力学内涵也
A、粘性是流体的固有属性；
B、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的量度； C、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性；
D、流体的粘度随温度的升高而增大。
3、牛顿内摩擦定律
牛顿内摩擦定律： 液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变
形的速率成正比。即
31
du d dy dt
25
1、密度
密度（Density）：是指单位体积流体的质量。单位：kg/m3 。
lim M V 0 V
均质流体内部各点处的密度均相等：
V V
M V
水的密度常用值： =1000 kg/m3
26
2、容重（重度） 容重（Specific Weight）：指单位体积流体的重量。单位： N/m3 。
4
目前，根据水力学在各个工程领域的应用，水力
学可分为以下三类：
水利类水力学：水工、水动、海洋等。 机械类水力学：机械、冶金、化工、水机等。 土木类水力学：市政、工民建、道桥、城市防洪等。
二、 水力学的发展历史
5
水力学的萌芽，是自距今约2200年以前西西里岛的希腊学者阿基米德写 的“论浮体”一文开始的。 他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。 水力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿的名著《原理》 讨论水的阻力、波浪运动等内容，使水力学开始变为力学中的一个独立分支 。此后，水力学的发展主要经历了三个阶段： 1. 伯努里所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方 法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形成了一 门属于数学的古典“水动力学”（或古典“水力学”）。
第一章 水力学绪论(完整版)
➢体积压缩系数
K
当温度保持不变，单位压强增 量引起的体积变化率
K V V
P
P
K dV V d
dp dp
单位：m2 / N
式中的负号表示压强增大体积缩小
第一章 绪论
➢体积弹性模量 E ： 压缩系数的倒数
工程上常用体积模 量衡量流体压缩性
第一章 绪论
1.5 水力学的研究方法
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
第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
The father of modern fluid mechanics
Vonkarman (1881-1963)
I.Taylor (1886-1975)
现代流体力 理论的奠基者
表面张力系数σ——液面上单位长度所受的拉 力，单位N/m。
第一章 绪论
1.4.5 汽化压强 •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。
•实际应用中的空化现象与液体的汽化压强有关， 需要注意。
•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
Leonardo da Vinci（达芬奇） (1452-1519)
水力学(第一章绪论)long
1.1 水力学的定义、任务和发展简史
水力学的发展简史
——世界公认的最早的水力学的萌芽 ——世界公认的最早的水力学的萌芽
第一章 绪论
阿基米德 Archimedes 约公元前287 287～ 212） （约公元前287～前212）
在《论浮体》一文中首先提出了论述 液体平衡规律的定律； 确立了流体静力学的基本原理，给出 许多求几何图形重心，证明了浮力原 理，后称阿基米德的原理。 。
1.1 水力学的定义、任务和发展简史
水力学的发展简史 ——古代中国水力学的发展 ——古代中国水力学的发展 相传四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水； 大约在4000多年之前，我国的黄河流域洪水为患， 尧命鲧负责领导与组织治水工作。鲧采取"水来土挡" 的策略治水。鲧治水失败后由其独子 禹主持治水大 任。禹接受任务后，首先就带着尺、绳等测量工具到 全国 的主要山脉、河流作了一番周密的考察。他发 现龙门山口过于狭窄，难 以通过汛期洪水；他还发 现黄河淤积，流水不畅。于是他确立了一条与 他父 亲的"堵"相反的方针，叫作"疏"，就是疏通河道，拓 宽峡口，让洪水能更快的通过。 禹采用了“治水须顺水性，水性就下，导之入海。高 处凿通，低处疏导”的治水思想。
秦始皇元年（公元前246）韩国水工郑国主持 兴建郑国渠； 秦始皇二十八年(公元前219)修建的灵渠；灵 渠开凿于公元前218年（秦代）。横亘湘、桂 边境的南岭山势散乱，湘江、漓江上源在此 相距很近。兴安城附近分水岭为一列灵渠地 处桂林兴安县境内，是中国著名的古代水利 工程，也是世界上最古老的运河之一，它沟 通了湘江（长江水系）与漓江（珠江水系）， 为开发岭南起了重要作用。灵渠为秦始皇帝 时期所建，至今有二千二百多年的历史，其 设计之精巧，令人赞叹。 明朝张季训：“塞旁决以挽正流，以堤束水， 以水攻沙”,的治理黄河的措施。
水力学第四版课后答案
第一章绪论1-2．20℃的水2.5m3，当温度升至80℃时，其体积增加多少？[解] 温度转变前后质量守恒，即又20℃时，水的密度80℃时，水的密度那么增加的体积为1-4．一封锁容器盛有水或油，在地球上静止时，其单位质量力为假设干？当封锁容器从空中自由下落时，其单位质量力又为假设干？[解] 在地球上静止时：自由下落时：第二章流体静力学2-1．一密闭盛水容器如下图，U形测压计液面高于容器内液面h=1.5m，求容器液面的相对压强。
[解]2-3．密闭水箱，压力表测得压强为4900Pa。
压力表中心比A点高0.5m，A点在液面下1.5m。
求液面的绝对压强和相对压强。
[解]绘制题图中面上的压强散布图。
Bh 1h 2A Bh 2h 1hAB解：Bρgh 1ρgh 1ρgh 1ρgh 2AB ρgh2-14．矩形平板闸门AB一侧挡水。
已知长l=2m，宽b=1m，形心点水深h c=2m，倾角=45，闸门上缘A处设有转轴，忽略闸门自重及门轴摩擦力。
试求开启闸门所需拉力。
[解] 作用在闸门上的总压力：作用点位置：2-15．平面闸门AB 倾斜放置，已知α＝45°，门宽b ＝1m ，水深H 1＝3m ，H 2＝2m ，求闸门所受水静压力的大小及作用点。
45°h 1h 2BA[解] 闸门左侧水压力：作用点：闸门右边水压力：作用点：总压力大小：对B 点取矩：2-13．如下图盛水U 形管，静止时，两支管水面距离管口均为h ，当U 形管绕OZ 轴以等角速度ω旋转时，求维持液体不溢出管口的最大角速度ωmax 。
[解] 由液体质量守恒知，I 管液体上升高度与 II 管液体下降高度应相等，且二者液面同在一等压面上，知足等压面方程：液体不溢出，要求， 以别离代入等压面方程得2-16．如图，，上部油深h1＝1.0m，下部水深h2＝2.0m，油的重度=m3，求：平板ab单位宽度上的流体静压力及其作用点。
[解] 合力作用点：一弧形闸门，宽2m，圆心角=，半径=3m，闸门转轴与水平齐平，试求作用在闸门上的静水总压力的大小和方向。
(完整版)水力学答案
第一章 绪论1-1．20℃的水2.5m 3，当温度升至80℃时，其体积增加多少？ [解] 温度变化前后质量守恒，即2211V V ρρ= 又20℃时，水的密度31/23.998m kg =ρ 80℃时，水的密度32/83.971m kg =ρ 321125679.2m V V ==∴ρρ 则增加的体积为3120679.0m V V V =-=∆1-2．当空气温度从0℃增加至20℃时，运动粘度ν增加15%，重度γ减少10%，问此时动力粘度μ增加多少（百分数）？ [解] 原原ρννρμ)1.01()15.01(-+==Θ原原原μρν035.1035.1==035.0035.1=-=-原原原原原μμμμμμΘ此时动力粘度μ增加了3.5%1-3．有一矩形断面的宽渠道，其水流速度分布为μρ/)5.0(002.02y hy g u -=，式中ρ、μ分别为水的密度和动力粘度，h 为水深。
试求m h 5.0=时渠底（y =0）处的切应力。
[解] μρ/)(002.0y h g dydu-=Θ)(002.0y h g dydu-==∴ρμτ 当h =0.5m ，y =0时)05.0(807.91000002.0-⨯⨯=τPa 807.9=1-4．一底面积为45×50cm 2，高为1cm 的木块，质量为5kg ，沿涂有润滑油的斜面向下作等速运动，木块运动速度u=1m/s ，油层厚1cm ，斜坡角22.620 （见图示），求油的粘度。
[解] 木块重量沿斜坡分力F 与切力T 平衡时，等速下滑yuATmgddsinμθ==001.0145.04.062.22sin8.95sin⨯⨯⨯⨯==δθμuAmgsPa1047.0⋅=μ1-5．已知液体中流速沿y方向分布如图示三种情况，试根据牛顿内摩擦定律yuddμτ=，定性绘出切应力沿y方向的分布图。
[解]1-6．为导线表面红绝缘，将导线从充满绝缘涂料的模具中拉过。
已知导线直径0.9mm，长度20mm，涂料的粘度μ=0.02Pa．s。
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 第1章 绪论
流体分类：
牛顿流体——遵循牛顿内摩擦定律的流体
非牛顿流体——不遵循牛顿内摩擦定律的流体
理想流体——粘性为零的流体称为理想流体
压缩性：
概念：液体受压后体积缩小，同时其内部将产一 种企图恢复原状的内力（弹性力）与所受压力保 持平衡，撤销压力后，液体可立即恢复原状，这 种性质称为液体的压缩性或弹性。 压缩系数：衡量压缩性的大小
雷诺（O.Reynolds，1842－1912）。 英国力学家、物理学家和工程师。 1867年毕业于剑桥大学王后学院。 1868年出任曼彻斯特欧文学院的首 席工程学教授。1877年当选为皇家 学会会员。1888年获皇家勋章。
雷诺1895年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺 一生著作很多，其中近70篇论文都有很深远的影 响。这些论文研究的内容包括力学、热力学、电 学、航空学、蒸汽机特性等。他的成果曾汇编成 《雷诺力学和物理学课题论文集》两卷。
1.1
水力学的研究内容与研究方法
水力学是研究液体机械运动规律及其实际应用 的一门科学, 研究的对象主要是水。 水力学与力学、物理学、数学是交叉学科，是 力学的一个分支。
基本概念：
液体（介质）——具有物理、力学性质。 机械运动——力的作用才能产生机械运动
（外力作用下的机械运动对微观运动的研究）
即不研究液体内部的分子运动。
理论分析计算 原型观测 研 究 方 法 科学试验 系统试验
模型试验
理论分析与试验并重
1.2
液体的主要物理性质
连续介质模型：
依据：液体由大量分子组成，可以认为液体是没 有空隙的，液体质点完全充满所占的空间。
概念：假设液体是一种充满其所占据空间毫无空 隙的连续体，即把液体作为连续介质看待。
作用：使液体中的一切物理量都可视为空间坐标 和时间的连续函数。
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。
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。
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牛顿内摩擦定律：
T ? ? A du
dy
或
? ? ? du
dy
du 流速梯度 dy
?
为动力粘滞系数 ，国际单位： N.s/m2
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 有关。
? 为运动粘滞系数，国际单位： m2/s
?水力学课件 第一章 绪论
一.课程的性质和任务
（一）课程地位 水力学是一门重要的专业基
础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程的 桥梁。课程的学习将有利于力学基础知识的巩固与 提高，培养分析、解决实际问题的能力，为专业课 程的学习打下坚实基础。
力学 基础课程
水力学 专业基础课程
水利学科 有关专业课程
三.液体的基本特征与连续介质的概念
1.液体的基本特征： 液体与固体的主要区别在于 易流动性 ，而
液体与气体的主要区别在于是否具有 可压缩性 。
因此液体 易流动性 、不易压缩的特性使液体 有许多与固体和气体不同的运动特征。
2.连续介质的概念
连续介质的概念 ： 即假设液体是一种连续充 满其所占据空间毫无空隙的连续体。 特点：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。
物质三态
四.液体的主要物理性质的共同性
质 1.惯性，质量与密度
惯性力：当液体受外力作用使运动状态发 生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵 抗的反作用力。
F ? ? ma 单位：N
密度：是指单位体积液体所含有的质量。
K
?
1
?
K值越大，表示液体愈不容易压缩。对一般水 利工程来说，可认为水不可压缩的。但在有压管道 中水击计算时，则必须考虑水的压缩性。
温度在10 0C时，水的体积弹性系数 K=2.11x10 6kN/m 2
5. 液体的表面张力
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 极其微弱的拉力。
?
1 2
?下
?
0.5N?s
/
m2
4. 液体的压缩性
气体与液 体的主要
区别
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。
用体积压缩率 ? 或体积模量 K来描述液体的压缩 性。
? 体积压缩率 :
dV
??? V
dp
? 为体积压缩系数，单 位为 m2/N
? 体积模量K:
液体的容重：是指单位体积液体所具有 的重量。 国际单位： N／m3
??G
V
??m
V
? ? 9.8 KN m3
? ? ?g
3.粘滞性
固体与液 体的主要区
别
粘滞性及粘滞力： 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。
（二）水力学研究的对象
1.水力学的定义： 水力学是研究液体平衡和机械运动规律
及其应用的一门科学。它是力学的一个分支。 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。
（三）水力学的在工程中的应用
? 1.确定水工建筑物所受的水力荷载
F v
?2.确定水工建筑物过水能力
2.质量力
质量力是作用在每个液体质点上其大小 与液体的质量成正比。如重力、惯性力。
单位质量液体所受到的质量力，称为 单位质量力，用 f 表示。
f? F M
单位质量力在三个坐标轴的投影
fx
?
Fx M
fy
?
Fy M
fz
?
Fz M
六.水力学的研究方法
1.理论分析 2.科学试验
1.理论分析
经典力学的基本原理： 牛顿的三大定律、质量守恒、动量定律、动能定律 水流运动的基本方程式： 连续性方程、能量方程、动量方程
在平板上产生的总切应力为 ? ? 30 N m2
试求上ห้องสมุดไป่ตู้下油层的动力粘滞系数。
4cm 平版
u
4cm
解：
du ? u ? 20 l s dy y
? ? ? du
dy
? ?上 ? ?下
4cm 平版
u
4cm
?
?
?? 上
?
?下
?du
dy
30? 1.5?上 ? 20
?上
?
20 ? 20
1.0N?s
/ m2
?下
?3.分析水流流动形态
?4.确定水流能量消耗和利用
农村小型自来水厂
三峡大坝泄洪
?5.特殊的水力学问题
某污水处理厂
二、水力学由以下内容构成
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。
?
?
? ?
牛顿内摩擦定律的适用条件： 层流运动 和牛顿流体。
τ
牛顿流体 ： 就是符合牛顿 内摩擦定律得流体。
O
B
η 1
C A D
du/dy
在水力学中液体分为 理想液体 和实际液体 ： 理想液体： 就是忽略粘性效应的液体。
实际液体： 粘性液体。 有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主
要差别。
? 例题：一极薄的平板，在厚度分别为 4cm的两种 油层中以 u ? 0.8 m s 的速度运动。已知上层动 力粘滞系数为下层的动力粘滞系数 2倍，两油层
一个标?准大? 气Vm压下，国温际度单为位4℃：，k水g/密m度3 为1000kg/m3 。
2.万有引力特性，重力与容重
物质三态 的共同性质
万有引力 ：是指任何物体之间相互具有吸引 力的性质，其吸引力称为万有引力。
重力 ：地球对物体的引力称为重力，或称为重 量。大小为： G＝Mg， g：重力加速度。
2 、或把水看作不可压缩、没有表面张力， 连续介质假设下，粘滞性不忽略的 实际液 体。
五.作用在液体上的力
按物理性质：重力、惯性力、压力、 拉力、摩擦力、表面张力。
按特点分： 表面力和质量力。
1.表面力
作用于液体的表面，其大小与受作用的 表 面面积 成比例的力，称为表面力。如液体内部 摩擦力、水压力。
表面张力仅在自由表面存在，液体内部并 不存在 。
表面张力示意图
毛细管现象
综上所述，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 等只有在 特殊问题中才需要考虑，请注意区分。
水力学研究：
1 、把水看作不可压缩、没有表面张力， 连续介质假设下忽略粘滞性的 理想液体 ；