水力学课件：第一章 绪 论
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⑵专门水力学： 为各种工程实践服务
第一章 绪论
二、水力学和流体力学
水力学：以水为研究对象，在理论上遇到困难 时， 通过观测和实验的方法来解决问题。
流体力学：以一般流体（液体和气体）为研究对象 ，偏重于从理论概念出发，掌握 流体运动的基本规 律，但解决实际 工程时，会遇到很大的困难，在应 用上受到一定的限制。
第一章 绪论
4、牛顿内摩擦定律：
du FA dy
du F A dy
单位面积上的力，称为切应力τ。
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· S/m2) 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
三、单位：表征物理量的大小。
国际单位制（SI）：米、秒、公斤。
第一章 绪论
§1-4 液体的主要物理性质
一、液体的密度：ρ
1、均质液体单位体积内所含的质量 即： M-----均质液体的质量 M
V
V-----该质量的液体所占的 体积
国际单位：公斤/米3 （ kg/m3）
工程单位：公斤· 秒2/米4 （kg · s2/m4）
第一章
§1-1 绪 论
绪论
§1-2 液体的连续介质模型
§1-3 量纲、单位
§1-4 液体的主要物理性质 §1-5 作用在流体上的力
第一章 绪论
§1-1绪
一、水力学的定义：
论
水力学是研究液体的运动规律，以及如何运用这 些规律来解决工程实际问题的科学。
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。
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
水力学 (完整版)PPT
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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
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第一章 绪论
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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
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第一章 绪论
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第一章 绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
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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）
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第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
水力学第三版PPT模板
§4-1概述
§4-3沿程水头损失的 公式及影响因素
§4-5沿程水头损失系 数的试验研究
§4-2恒定均匀流的切 应力
§4-4层流、紊流及其 判别
§4-6紊流特征及紊流 内部结构
第四章液 流形态和 水头损失
§4-7谢才公式及谢才系数 §4-8边界层概念及其分离现象 §4-9局部水头损失 习题
06
第五章层流和紊流的水力特性
10
第九章明渠水流的两种流态及水跃
第九章明渠水流的两种流态及 水跃
§9-1明渠水流的流动状态
§9-2断面单位能量、临界水深、 临界底坡
§9-3明渠水流流态转换的局部水 力现象——水跌与水跃
§9-4水跃基本方程及水跃的水力 计算
习题
11
第十章明渠非均匀流
第十章明渠非均匀流
§10-1概述
1
§10-2棱柱形明渠水面曲
05 §6 - 1 1边界层理论 06 习 题
08 第七章有压管流
第七章有压管流
§7-1概述 §7-2短管的水力计算 §7-3长管的水力计算 §7-4有压管道非恒定流 简介 习题
09 第八章明渠均匀流
第八章明渠均匀流
§8-1概述 §8-2明渠均匀流的水力计算 §8-3明渠均匀流水力计算的其它 问题7恒定平面渗流的流网解法 习题
15
第十四章水力模型试验基本原理
第十四章水力模型 试验基本原理
§14-1概述 §14-2水力相似基本原理 §14-3量纲分析 §14-4水力模型试验的优缺点 习题
16
第十五章综合水力计算实例
第十五章综合水力 计算实例
§15-1水闸水力计算实例 §15-2拦河溢流坝水力计算实例 §15-3河岸溢洪道水力计算实例 §15-4有压隧洞水力计算实例
水力学课件 第一章 水静力学
§1.1 静水压强及其特征
联立上面各式代入后得：
1 2
pxyz
1 2
pnyz
1 6
xyzf x
0
1 2
p y xz
1 2
pnxz
1 6
xyzf y
0
1 2
pz xy
1 2
pnxy
1 6
xyzf z
0
联立上面各式代入后得：
1 2
pxyz
1 2
pnyz
1 6
xyzf x
0
1 2
p y xz
1 2
pnxz
§1.4 等压面
一、等压面(Isobaric Surface)：在平衡的液体中， 由压强相等的各点所组成的面叫做等压面。 等压面的重要特性是： 1.在静止的或相对平衡的液体中，等压面同时也是
等势面(Isopotential Surface)。 dp dU
2.在相对平衡的液体中，等压面与质量力正交。
条件：只适用于静止、同种、连续液体
三、气体压强计算
p p0
§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡
z
gm h z
zs
o
x
以z轴为对称轴的旋转抛物面方程：
R
o
r
x
m
F
y 1 2rBiblioteka gz C 2§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡 平衡微分方程： dp ( fxdx f ydy fzdz) 质量力：离心惯性力和重力 F m 2r, mg 单位质量力： fx 2 x, f y 2 y, fz g 自由面上压强不变为大气压： dp 0
§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡
2、圆筒中液体内任一点静水压强分布规律：
水力学课件(主讲人：华北水利水电学院孙东坡教授) (1)
对压强，B点的相对压强和
真空度，A、B两点的压强差。
解: A点 相对压强 绝对压强
∵P1>0,
p1= 8KN/m2 p1 = pa+p1=98+8
=106KN/m2
∴真空度不存在
解: B点
绝对压强 p2 = 78KN/m2 相对压强 p2 = p2-pa=78-98
= -20KN/m2
真空度 pv = p2
(四)液体的两种分类:
1.理想液体：忽略粘滞性的 液体
2.实际液体：存在粘滞性的 液体
（五）液体所受外力的分类：
1.表面力：压力、剪切力等 2.质量力 ：重力、离心惯性
力等
第二章 水静力学
(一)静水压强： 1．静水压强的两个特性：
（1）垂直指向受压面 （2）大小与受压面方向无关
（1）方向：垂直指向受压面 （2）大小：与受压面方位无关
水银
求A、B两点的
E
E
压强差?
0.3m 0.2m
解：计算如下
p
=
p
+g
×
B
0.5
. m
60
p = p -g 0.2 C
A
水
A
油
水
水
×
D
C
汞G
G
p = p +g 0.3 0.5mF
D
×D 0.4m
g g E
D
油
C
C
水银
p = p - E× 0.E4- × 0.6
B
E
泵
水
0.3m
0.2m
p = p +g ×0.5-g ×0.2
c
对铰O取矩
真空度，A、B两点的压强差。
解: A点 相对压强 绝对压强
∵P1>0,
p1= 8KN/m2 p1 = pa+p1=98+8
=106KN/m2
∴真空度不存在
解: B点
绝对压强 p2 = 78KN/m2 相对压强 p2 = p2-pa=78-98
= -20KN/m2
真空度 pv = p2
(四)液体的两种分类:
1.理想液体：忽略粘滞性的 液体
2.实际液体：存在粘滞性的 液体
（五）液体所受外力的分类：
1.表面力：压力、剪切力等 2.质量力 ：重力、离心惯性
力等
第二章 水静力学
(一)静水压强： 1．静水压强的两个特性：
（1）垂直指向受压面 （2）大小与受压面方向无关
（1）方向：垂直指向受压面 （2）大小：与受压面方位无关
水银
求A、B两点的
E
E
压强差?
0.3m 0.2m
解：计算如下
p
=
p
+g
×
B
0.5
. m
60
p = p -g 0.2 C
A
水
A
油
水
水
×
D
C
汞G
G
p = p +g 0.3 0.5mF
D
×D 0.4m
g g E
D
油
C
C
水银
p = p - E× 0.E4- × 0.6
B
E
泵
水
0.3m
0.2m
p = p +g ×0.5-g ×0.2
c
对铰O取矩
水力学教程 第1章
高等学校教材HYDRAULICS 水力学李大美杨小亭主编武汉大学出版社第一章绪论§1-1 水力学的任务与研究对象水力学（Hydraulics）是介于基础课和专业课之间的一门技术基础课，属力学的一个分支。
主要研究以水为主的液体平衡和机械运动规律及其实际应用。
一方面根据基础科学中的普遍规律，结合水流特点，建立基本理论，同时又紧密联系工程实际，发展学科内容。
一、水力学的任务及研究对象水力学所研究的基本规律，主要包括两部分：1.液体的平衡规律，研究液体处于平衡状态时，作用于液体上的各种力之间的关系，称为水静力学；2.液体的运动规律，研究液体在运动状态时，作用于液体上的力与运动之间的关系，以及液体的运动特性与能量转化等等，称为水动力学。
水力学所研究的液体运动是指在外力作用下的宏观机械运动，而不包括微观分子运动。
水力学在研究液体平衡和机械运动规律时，须应用物理学和理论力学中的有关原理，如力系平衡定理，动量定理，能量守恒与转化定理等，因为液体也同样遵循这些普遍的原理。
所以物理学和理论力学知识是学习水力学课程必要的基础。
二、液体的连续介质假定自然界的物质具有三态：固体、液体和气体。
固体：具有一定的体积和一定的形状，表现为不易压缩和不易流动；液体：具有一定的体积而无一定形状，表现为不易压缩和易流动；气体：既无一定体积，又无一定形状，表现为易压缩和易流动。
液体和气体都具有易流动性，故统称流体。
流体分子间距较大，内聚力很小，易变形（流动），只要有极小的外力（包括自重）作用，就会发生连续变形，即流体几乎没有抵抗变形的能力。
所谓液体的连续介质假定，就是认为液体是由许多微团——质点组成（每个质点包含无穷多个液体分子），这些质点之间没有间隙，也没有微观运动，连续分布在液体所占据的空间。
即认为液体是一种无间隙地充满所在空间的连续介质（Continuum）。
三、水力学的应用领域水力学在实际工程中有广泛的应用，如农业水利、水力发电、交通运输、土木建筑、石油化工、采矿冶金、生物技术以及信息、物资、资金等流动问题，都需要水力学的基本原理。
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
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静水压强的特性
2、大小上：静止液体内部任意一点不同方向上静水压强的大
小相等。
z
px
•
1 2
dzdy
pn
•
S ABC
•
cos(n
x)
0
A
px pn
px
dz
pn
py
pz
•
1 2
dxdy
pn
•
S ABC
•
cos(n
z)
•
1 6
dxdydz
•
g
0
O dx dy
C
y
B
x
pz
二、水力学有何用？
认识自然： 利用改造自然： 环境工程专业后续课程的理论基础
水的粘滞性很小，水几乎不能承受拉力或剪力
Hale Waihona Puke 水 利 水 电 工 程我国水电资源已开发20%,预计开发到60%,发达 国家70-80%。
金沙江干流水电开发规划
金沙江干流分为上、中、下三段，共规划20个梯级， 总装机容量7274万kW。
牛顿内摩擦阻力
F= μA du/dy τ=F/A= μ du/dy
μ：动力粘滞系数； υ=μ/ρ：运动粘滞系数；
液体的分类：牛顿液体、非牛顿液体、理想液体
静止液体有无粘滞性？理想液体有无粘滞性？
注意事项
课程很紧凑，注意及时调整，及时解决疑难问题（课 堂、习题、实验）
课堂笔记-内容要比参考书少得多
B
P B
A
P
lim pA A0 A
D
C
A
A a
C
D
静水压强的单位：
P4
P5
P4
P5
N/m2——Pa,帕； kN/m2——kPa,千帕；大气压；水柱高度
（m,cm）
静水压强的特性
1、方向上：静水压强的方向始终与作用面的内法线方向一
致——静水压强是一种压应力。
N
A
N'
p'
p
2、大小上：静止液体内部任意一点不同方向上静水压强的大 小相等。
第二节 液体的基本特征及物理力学性质
一、液体的基本特征
自然界有三态：固态、液体、气态 1、不可压缩性：
液体与气体相比，它能够承受一定的压力； 2、易流动性：
液体与固体相比，它几乎不能够承受拉力和剪切 力；
二、连续介质模型
1、水力学研究将液体假想为是由无数多个质点组成的、彼此 之间没有空隙的连续体——连续介质模型；
1000 kg/m3
容重（γ）-单位体积内液体的重量（重力）。
γ= ρg
9800 N/m3
粘滞性-液体在运动状态下抵抗剪切变形的能力。
液体在运动过程中，由于液体内部水质点运动速度的差异
而产生的内摩擦阻力（粘滞阻力）所致。
内摩擦阻力
F∞ A du/dy
y U
u+du u
h y dy
1、内力；2、剪切力；3、成对出现； 4、与液体层间作用面积和速度梯度的大小成正比。
课程说明
➢ 授课方式：课堂讲授 ➢ 考试方式：闭卷考试 ➢ 评分办法：（1）平时成绩：20~30％
（作业、实验报告） （2）期末考试：70~80％
第一章 绪 论
第一节 课程简介
一、什么是水力学？
定义：研究以水为代表的液体（流体）处于平衡或机械运动 状态下的宏观力学规律的科学。
物理学、理论力学是水力学的理论基础。
外力的合力等于零、无粘滞性-内摩擦阻力等于零。 水静力学的任务：
根据水静力学规律，计算静水压强、确定受压面上静水 压强的分布规律、求解平面上静水总压力的大小及方向。
第一节 静水压强及其特性
静水压强定义（p）：静止液体内部单位面积上静水压力的大小—
压应力的大小。 Δp=ΔP/ΔA
P2 P3
P1
某点的静水压强（pA） ：
1、水力学-孙东坡主编，黄河水利出版社 2、水力学-刘亚坤主编，中国水利水电出版社 3、水力学-赵昕等主编，中国电力出版社 4、水力学-赵振兴主编，清华大学出版社
5、其他….
实验课：8学时。利用后面的双休日分班分组上实验 课，具体时间和地点另行通知。
第二章 水静力学
什么是水静力学？
定义：研究液体处于平衡（静止）状态下的力学规律。 平衡状态液体的特点：
2、质点—具有一定质量，但体积为无穷小的分子团。 3、液体的各物理量（密度、压强、速度等）在空间上是连续
变化的，可以用连续函数来刻画，在描述和研究液体运动 规律时也可以用连续函数微积分的方法来解决。
三、液体的主要物理力学性质
惯性-反抗改变其原有运动状态的特性。
F ma
质量（m）
密度（ρ）-单位体积内液体的质量。