水力學(xué)-第一章緒論

1、2021-11-1長安大學(xué)1水力學(xué)與橋涵水文長安大學(xué)公路災(zāi)害防治研究所 齊洪亮2021-11-1長安大學(xué)2水力學(xué)與橋水力學(xué)與橋涵水文涵水文是橋是橋梁、公路與城梁、公路與城市道路等相關(guān)市道路等相關(guān)交通工程專業(yè)交通工程專業(yè)的一門的一門技術(shù)基技術(shù)基礎(chǔ)課礎(chǔ)課，側(cè)重介，側(cè)重介紹有關(guān)基礎(chǔ)原紹有關(guān)基礎(chǔ)原理與方法，以理與方法，以解決工作中的解決工作中的相關(guān)技術(shù)問題。相關(guān)技術(shù)問題。水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)為橋涵水力學(xué)為橋涵孔徑、管道渠孔徑、管道渠道等的設(shè)計提道等的設(shè)計提供基本理論。供基本理論。水文學(xué)水文學(xué)水文分析與計水文分析與計算的結(jié)果則是算的結(jié)果則是水力學(xué)理論計水力學(xué)理論計算必不可少的算必不可少的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。橋涵設(shè)

2、計橋涵設(shè)計水力水文計算水力水文計算結(jié)果則是橋涵結(jié)果則是橋涵布設(shè)與結(jié)構(gòu)設(shè)布設(shè)與結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。計的依據(jù)。2021-11-1長安大學(xué)32021-11-1長安大學(xué)42021-11-1長安大學(xué)52021-11-1長安大學(xué)6教材：水力學(xué)、橋涵水文（第四版），主編：王亞玲；人民交通出版社；課時：64學(xué)時，實驗8學(xué)時；成績構(gòu)成：考試（70%）+實驗（20%）+作業(yè)（10%）2021-11-1長安大學(xué)7第一章 緒論齊洪亮p水力學(xué)及其應(yīng)用p液體的主要物理性質(zhì)p連續(xù)介質(zhì)和理想液體p作用在液體上的力2021-11-1長安大學(xué)9水力學(xué)屬于物理學(xué)中力學(xué)的一個分支;它的任務(wù)是以水為模型研究液體平衡與運動的規(guī)律、側(cè)重于演繹

3、推導(dǎo)及原理方法的應(yīng)用;在交通土建、市政工程、水利、環(huán)境保護、機械制造、石油工業(yè)、金屬冶煉、化學(xué)工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用。2021-11-1長安大學(xué)10水力學(xué)：主要研究以水為代表的液體的平衡和機械運動規(guī)律及其實際應(yīng)用的一門學(xué)科。從學(xué)科的角度來看，水力學(xué)是介于基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)之間的一門科學(xué)。一方面根據(jù)基礎(chǔ)科學(xué)中的普遍規(guī)律，結(jié)合水流特點，建立理論基礎(chǔ)，同時又緊密聯(lián)系工程實踐發(fā)展學(xué)科內(nèi)容。2021-11-1長安大學(xué)11p水力學(xué)廣泛應(yīng)用于土木工程的各個領(lǐng)域。2021-11-1長安大學(xué)12常見水力學(xué)問題p構(gòu)筑物（大壩、擋墻等）所受的水力荷載p構(gòu)筑物（涵洞、河渠等）的過水能力p水流的流動形態(tài)及水面曲線 p

4、水流的能量消耗及下游建筑物的消能p水力學(xué)的主要研究課題：2021-11-1長安大學(xué)13n作用于建筑物表面上靜水總壓力n水動力學(xué)基本定律n明渠流n泄水建筑物下游的水流銜接與消能n堰流及小橋涵水力計算p水力學(xué)的發(fā)展：2021-11-1長安大學(xué)14水力學(xué)古代水力學(xué)（以沒有阻力的“理想液體”為研究對象） 數(shù)學(xué)家或者物理學(xué)家，理論“水動力學(xué)”或古典流體力學(xué)伯努利（D.I.Bernouli），1738年理想流體運動的能量方程；歐拉（L.Euler），1755年理想流體運動微分方程土木工程師，實驗水力學(xué)皮托（H.Pitot）（1732年皮托管）、謝才（A.de Chezy）（1769年謝才公式）、達西（H.

5、Darcy）（1856年的達西定律）、雷諾（O.Reynolds）（1883年提出的雷諾試驗）現(xiàn)代水力學(xué)（以有阻力的“實際液體”為研究對象） 實驗水力學(xué)p水力學(xué)的主要研究方法：2021-11-1長安大學(xué)15 通過對液體物理性質(zhì)和流動特性的科學(xué)抽象（近似），提出合理的理論模理論模型型。根據(jù)機械運動的普遍規(guī)律，將具體流動問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，在相應(yīng)的邊界條件和初始條件下求解。關(guān)鍵在于提出理論模型。但由于數(shù)學(xué)上的困難，許多實際流動問題還難以精確求解。質(zhì)量守恒、能量轉(zhuǎn)化與守恒等。質(zhì)量守恒、能量轉(zhuǎn)化與守恒等。理論研究方法 應(yīng)用流體力學(xué)是一門理論和實踐緊密結(jié)合的基礎(chǔ)學(xué)科。它的許多實用公式和系數(shù)都是由實驗得來

6、的。至今，工程中的許多問題，還要借助實驗檢驗修正。試驗方法：原型觀測、模型試驗等。實驗研究基礎(chǔ)理論：相似理論、試驗方法：原型觀測、模型試驗等。實驗研究基礎(chǔ)理論：相似理論、量綱分析（因次分析）。量綱分析（因次分析）。實驗研究方法 在計算機應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采用各種離散化方法（有限差分法、有限元法等），建立數(shù)值模型，通過計算機進行數(shù)值計算和數(shù)值實驗，最終獲得定量描述流場的數(shù)值解。近二三十年來，這一方法得到很大發(fā)展，已形成專門學(xué)科計算流體力學(xué)。計算流體力學(xué)。數(shù)值研究方法 2021-11-1長安大學(xué)16一、一、量綱量綱：表示物理量的特征。量綱的分類：量綱的分類：基本量綱和導(dǎo)出量綱。1 1、基本量綱：、基本

7、量綱：必須具有獨立性，即一個量綱不能從其它基本量綱推導(dǎo)出來，也就是不依賴于其它基本量綱。如如L、T和M是相互獨立的，不能從L、T中得出M，也不能從M、T中得出L，但L、T和速度的量綱V就不是相互獨立的，因為V=L/T。如：長度、時間、質(zhì)量等。在科學(xué)文獻中，一般用符號來表示量綱。例如：長度或L、 時間或T 、質(zhì)量或M 。量綱和單位量綱和單位2021-11-1長安大學(xué)17量綱和單位量綱和單位2 2、導(dǎo)出量綱：、導(dǎo)出量綱：其它物理量的量綱可以由基本量綱推導(dǎo)出來。如：X為任意物理量，其量綱可表示為：X=LTM又如：面積A=L2T0M0、速度V=L1T-1M0二、二、單位單位：表征物理量的大小。國際單位

8、制（SI）：米、秒、公斤。2021-11-1長安大學(xué)18一、液體的一、液體的密度和重度密度和重度1、均質(zhì)液體單位體積內(nèi)所含的質(zhì)量即：VMM-均質(zhì)液體的質(zhì)量V-該質(zhì)量的液體所占的體積國際單位：公斤/米3 （ kg/m3）2、非均質(zhì)液體中，各點的密度不同；均質(zhì)液體的重度是：單位體積的液體的重量。gVmg國際單位：牛頓/米3 （N/m3) 2021-11-1長安大學(xué)191、壓縮性：受壓時體積縮小、除壓后體積恢復(fù)的性質(zhì)。二、二、液體的液體的壓縮性和膨脹性壓縮性和膨脹性2、壓縮系數(shù)：衡量壓縮性的大小，用表示（m2/N）。即：每增加單位壓力，體積壓縮的相對值。dpVdV體積彈性模量E：體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)。

9、1d pEd VV 水的壓縮性很小，增加一個大氣壓，水的體積相對壓縮值為1/20000，故認(rèn)為水是不可壓縮的液體不可壓縮的液體。 3、膨脹性：在一定的壓強下，溫度增加1度，體積的相對增加率。td VVd t2021-11-1長安大學(xué)20三、粘滯性三、粘滯性 當(dāng)液體處在運動狀態(tài)時，若液體質(zhì)點之間存在著當(dāng)液體處在運動狀態(tài)時，若液體質(zhì)點之間存在著相對運動相對運動，則質(zhì)點間要產(chǎn)，則質(zhì)點間要產(chǎn)生生內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力抵抗其相對運動，這種性質(zhì)稱為液體的抵抗其相對運動，這種性質(zhì)稱為液體的粘滯性粘滯性。 又稱為粘滯力又稱為粘滯力牛頓平板實驗：牛頓平板實驗： 實驗表明:內(nèi)摩擦力與相鄰運動液體層的接觸面積成正比、與速

10、度梯度成正比、與液體性質(zhì)有關(guān)、與壓力的大小無關(guān)。牛頓內(nèi)擦牛頓內(nèi)擦定律定律: : duTAdyTduAdy注意：（1）對于平衡液體，du/dy =0，所以在平衡液體中不呈現(xiàn)內(nèi)摩擦力。 （2）在水力學(xué)中，為了簡化分析，引入沒有粘性的理想液體模型， 即=0，從而 =0。在研究“實際液體”時，必須考慮粘性引起的偏差。2021-11-1長安大學(xué)21液體的粘滯性特征用表示，數(shù)值越大粘性越大，稱為動力粘滯系數(shù)。水力學(xué)中，常與液體的密度同時出現(xiàn)，故引入運動粘滯系數(shù)綜合反映液體的粘滯性和慣性性質(zhì): = /，單位：m2/s運動粘滯系數(shù)的主要影響因素：液體的種類、液體的溫度。對于水20.017751 0.03370

11、.000221tt式中水溫t以C計，以cm2/s計。2021-11-1長安大學(xué)22例1-1. 一底面積為40cm45cm，高1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿著涂有潤滑油的斜面等速向下運動。已知速度v=1m/s，=1mm，求潤滑油的動力粘度系數(shù)。dydu/45. 040. 0vdyduAT解：設(shè)木塊所受的摩擦力為T。 木塊均勻下滑, T - Gsin=0 T=Gsin=59.85/13=18.8N 又有牛頓剪切公式=T/(Av)=18.80.001/(0.400.451)=0.105PaS吹肥皂泡的少年法夏爾丹液體表層的分子受到上下兩側(cè)分子的引力不同，在引力合力的作用下，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動縮

12、小的趨勢，液體表面仿佛是一張拉緊的彈性膜。從宏觀上看，這種存在于液體表面上的拉力稱為液體的表面張力。表面張力系數(shù)，單位為N/m，隨液體種類和溫度而變化。t=20時，水=0.074N/m ；水銀=0.54N/m。水力學(xué)中通常不考慮，在實驗室和地下水等表面張力影響較為顯著時，不能忽略。日常生活中常見的表面張力現(xiàn)象：水面高于碗口而不溢出等。2021-11-1長安大學(xué)23四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象1F2FNM表面張力決定了液體和固體接觸時，會出現(xiàn)不浸潤和浸潤兩種現(xiàn)象。液體的浸潤性是相對的。毛細(xì)現(xiàn)象：侵潤液體在細(xì)管內(nèi)液面升高的現(xiàn)象和不侵潤液體在細(xì)管內(nèi)液面降低的現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象的實質(zhì)：液體

13、分子內(nèi)聚力與液體固體界面附著力的差異。生活中常見的毛細(xì)現(xiàn)象、利弊及預(yù)防。2021-11-1長安大學(xué)24四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)水能上升多高呢？毛細(xì)水能上升高度與哪些因素有關(guān)呢？設(shè)毛細(xì)管半徑為r，表面張力為T，液面與固體界面接觸角為，表面張力系數(shù)為，液柱上升高度為H，當(dāng)液柱重力G與表面張力垂直向上分力相等時，毛細(xì)上升結(jié)束，則：Tcos =2r cos =r2Hg=r2HH=2 cos /r，與管徑成反比。0（水）；=90時，液面為水平，H=0；90時，液面為凸形，H0（水銀）；2021-11-1長安大學(xué)25四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象2021-11-1長安

14、大學(xué)261 1、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體微觀特征由大量分子組成，分子間距大，運動劇烈無規(guī)則分子間隙隨機變化，運動物理量時間、空間分布不連續(xù)流體理論研究特征從宏觀層面研究流體的力學(xué)行為，宏觀運動體現(xiàn)微觀運動的平均情況宏觀研究結(jié)論能滿足實際精度要求，主要研究方法為高等數(shù)學(xué)1cm3 水中含有大約3.341022個分子分子間距約為：310-8cm分子直徑約為：410-8cm液體質(zhì)點完全充滿所占空間而沒有任何空虛存在，其物理性質(zhì)和運動要素在空間和時間上都是連續(xù)分布的，滿足一定的物理定律。2021-11-1長安大學(xué)272 2、理想液體、理想液體研究方法：先對理想液體的運動進行理論分析，然后再用實驗研

15、究方法檢驗，并作必要的修正后，再應(yīng)用到實際液體中去。實際液體特征粘滯性壓縮性/膨脹性表面張力質(zhì)量力、重力理想液體特征沒有粘滯性不考慮壓縮性和膨脹性沒有表面張力僅有質(zhì)量力和重力2021-11-1長安大學(xué)28由于研究對象的尺度較大，在水力學(xué)中，常常從液體中分離出一封閉表面所包圍的液體作為研究對象，研究其平衡或者運動規(guī)律。所以，作用在液體上的力，就是作用在隔離體上的力。按力的物理性質(zhì)，作用在液體上的力可以分為：重力、粘滯力、慣性力、壓力和表面張力等。方便起見，將其分為：表面力和質(zhì)量力。表面力：作用在隔離體表面上的力，是接觸性力，具有傳遞性。可以分為：法向力（垂直于隔離體表面，只能為壓力，壓應(yīng)力或者壓強）和切向力（平行于作用面，與液體的粘滯性有關(guān)，切應(yīng)力）。FPTAAV法向應(yīng)力pA周圍流體作用的表面力切向應(yīng)力2021-11-1長安大學(xué)29質(zhì)量力：作用在所取液體體積內(nèi)每一質(zhì)點上的力，其大小與質(zhì)量成正比，稱為質(zhì)量力，或者體