水力學(xué)課件第1章

1水力學(xué)

(土木工程專業(yè)用)華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院力學(xué)系陳應(yīng)華E-mail:cyh8118@163.com2第一章緒論3§1-1水力學(xué)及其工程應(yīng)用一.水力學(xué)的任務(wù)：氣體的特點(diǎn)：①.氣體沒有一定的容積。②.在容器中的氣體不存在自由表面。③.氣體極易壓縮。④.沒有一定的形狀，容易流動。流體包括液體和氣體。

液體的特點(diǎn)：①.液體有一定的容積。②.在容器中的液體可形成一定的自由表面。③.液體不容易壓縮。④.沒有一定的形狀，容易流動。1.流體：定義：凡不能像固體一樣保持其一定形狀，并容易流動的物質(zhì)稱為流體。4液體與氣體的共同特點(diǎn)：沒有一定的形狀，容易流動。具體任務(wù)：①.過流能力問題（求流量）。②.作用力問題。③.能量損失問題（求水頭損失）。④.流動形態(tài)問題。2.水力學(xué)的任務(wù)：研究以水為代表的液體平衡和機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律及其工程應(yīng)用。53.水力學(xué)的發(fā)展簡史：

古典流體力學(xué)+實(shí)驗(yàn)水力學(xué)→（現(xiàn)代）流體力學(xué)（現(xiàn)代）流體力學(xué)：理論流體力學(xué)水力學(xué)（工程流體力學(xué)）空氣動力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)環(huán)境流體力學(xué)多相流流體力學(xué)等等6

航空空氣動力學(xué)中國，殲十戰(zhàn)機(jī)7

航空空氣動力學(xué)中國，J20戰(zhàn)機(jī)8

航空空氣動力學(xué)中國，J20戰(zhàn)機(jī)9航天飛機(jī)發(fā)射瞬間

10超高速氣體動力學(xué)物理化學(xué)流體力學(xué)稀薄氣體力學(xué)從航天飛機(jī)上看到的太空站11中國嫦娥三號與玉兔號月球車在月球表面互拍照片12造船水動力學(xué)船舶流體力學(xué)排水量達(dá)50萬噸以上的超大型油輪13航速達(dá)30節(jié)，深潛達(dá)數(shù)百米的核動力潛艇14三峽水利樞紐水利、土木工程、道橋水力學(xué)15環(huán)境流體力學(xué)

16三.工程應(yīng)用：水利工程；土木工程；環(huán)境工程等。1.易流動性：液體在任何微小的剪力或拉力的作用下，它們都會發(fā)生連續(xù)變形（即流動）。

2.抗壓能力強(qiáng)：液體可承受較大的壓強(qiáng)而體積變化很小。二.液體的基本特性：17流體質(zhì)點(diǎn)：定義：微觀上充分大，宏觀上充分小的流體分子團(tuán)?！?-2連續(xù)介質(zhì)模型

比如1cm3的標(biāo)態(tài)水（1atm，20?C水溫）中約含有3.34×1022個水分子。10-12cm3的標(biāo)態(tài)水中約含有3.34×1010個水分子。18連續(xù)介質(zhì)模型的適用范圍：常溫常壓下的氣體和液體。

連續(xù)介質(zhì)模型：認(rèn)為流體是由無任何空隙的流體質(zhì)點(diǎn)所組成的連續(xù)體。流體的密度、溫度等物理量連續(xù)分布。

連續(xù)介質(zhì)模型是歐拉在1753年提出的假說。有了這個模型，我們就可以采用連續(xù)函數(shù)這一強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具來分析流體的流動規(guī)律。19表征慣性的物理量是質(zhì)量。質(zhì)量愈大，則慣性愈大。流體的密度()：§1-3流體的主要物理性質(zhì)一.慣性：ΔV’可理解為：微觀上足夠大，宏觀上足夠小的流體體積。流體具有維持它原有運(yùn)動狀態(tài)的特性，這種特性稱為慣性。20ΔV’可理解為：微觀上足夠大，宏觀上足夠小的流體體積。如果ΔV太小,其內(nèi)包含的分子數(shù)不夠多,則ρ時而大時而小。

ΔV的極限值應(yīng)為ΔV’。密度（）：均質(zhì)流體的密度是流體單位體積的質(zhì)量。均質(zhì)流體的密度：21工程中，流體因受到地心的吸引而具有重量。工程中常用到重度（容重）的概念。均質(zhì)流體的重度是流體單位體積的重量。均質(zhì)流體的重度：一般地，水：ρ=1000Kg/m3。?。篻=9.806m/s2，則=9.806KN/m3。22二.分子之間的作用力：水分子間距與d1

同量級，表現(xiàn)為一定的吸引力?？諝夥肿娱g距比d1高1~2個數(shù)量級，吸引力很小。23三.粘性：定義：當(dāng)流體的質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)間，或流層與流層間發(fā)生相對運(yùn)動時，流體內(nèi)部會產(chǎn)生剪切力以抵抗這種相對運(yùn)動。流體的這種屬性稱為粘（滯）性。粘性實(shí)驗(yàn)——牛頓內(nèi)摩擦定律：兩平板間充滿粘性液體，下板不動，上板以常速U運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)表明，與上板接觸的液體以速度U隨上板運(yùn)動，近貼下板的液體的速度為零。兩板間的液體的速度呈線性分布。施加的力F與上板的速度U成正比，與上板面積A成正比，與距離h成反比。24力：切應(yīng)力：如速度不是線性分布，則：μ稱為動力粘度，單位N·S/m2（或Pa·S）。

此外,

ν=μ/ρ稱為運(yùn)動粘度，單位m2/s。施加的力F與上板的速度U成正比，與上板面積A成正比，與距離h成反比。2526牛頓內(nèi)摩擦定律：流體運(yùn)動時，相鄰流層間所產(chǎn)生切應(yīng)力與剪切變形速率成正比。

凡符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體，如水、空氣等；凡不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為非牛頓流體，如聚合物液體、泥漿等。

27沒有粘性的流體稱為理想流體。

理想流體模型：工程中為了簡化分析，不考慮實(shí)際流體的粘性所得到的流動模型稱為理想流體模型。四.壓縮性：密度的變化：溫度T，壓強(qiáng)p的變化都會引起密度的變化。28根據(jù)流體密度的變化能否被忽略，可將流體分為不可壓縮流體和可壓縮流體兩類。工程實(shí)際中，常認(rèn)為液體是不可壓縮的（實(shí)際上，像水這樣的液體只是不容易壓縮而已）。這樣的模型稱之為不可壓縮流體模型。29五.表面張力：1.表面張力的定義：自由（表）面：液體與氣體的交界面。定義：在液體的自由表面上，由于液體分子的相互吸引，使得自由表面上可承受微小的拉力，稱為表面張力。表面張力（）與自由表面相切。其單位：N/m。30三維曲面：二維曲面：312.接觸角（濕潤角）：

在液體與固體壁面的交界處作液面的切面，此切面與壁面在液體內(nèi)部一側(cè)的夾角稱為接觸角。

當(dāng)θ為銳角時，液體潤濕固體壁面；當(dāng)θ為鈍角時，液體不潤濕固體壁面。水與玻璃θ=8?；水銀與玻璃θ=138?。32作業(yè)：P19，第6題、第9題。333.毛細(xì)（管）現(xiàn)象：

為了避免毛細(xì)管現(xiàn)象所引起的測量誤差，測壓玻璃管的直經(jīng)d一般不小于1cm。表面張力引起毛細(xì)（管）現(xiàn)象。34例1：一木板，重量為G，底面積為A。此木板沿一個傾角為，表面涂有潤滑油的斜壁下滑，如圖所示。已測得潤滑油的厚度為，木板勻速下滑的速度為u。試求潤滑油的動力粘度。(書上P7的例1-1)解：35已知：r1=0.1m,r2=0.103m，L=1m。例2：兩圓筒，外筒固定，內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)。

(書上P7的例1-2)求：施加在外筒的力矩M。解：36例3：求旋轉(zhuǎn)圓盤的力矩。如圖，已知，r1，，。求阻力矩M。解Ⅰ：37解Ⅱ：38§1-4作用在流體上的力一.質(zhì)量力：定義：某種力場對流體的作用力。作用于流體的每個質(zhì)點(diǎn)，其大小與流體的質(zhì)量成正比的力稱為質(zhì)量力。重力、非慣性坐標(biāo)系中的慣性力都是質(zhì)量力。單位質(zhì)量力是單位質(zhì)量的流體所受到的力場作用力，記作f。在重力場中，單位質(zhì)量力