水力學課件第1章

1水力學

(土木工程專業(yè)用)華中科技大學土木工程與力學學院力學系陳應華E-mail:cyh8118@163.com2第一章緒論3§1-1水力學及其工程應用一.水力學的任務：氣體的特點：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：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，并容易流動的物質稱為流體。4液體與氣體的共同特點：沒有一定的形狀，容易流動。具體任務：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.水力學的任務：研究以水為代表的液體平衡和機械運動的規(guī)律及其工程應用。53.水力學的發(fā)展簡史：

古典流體力學+實驗水力學→（現(xiàn)代）流體力學（現(xiàn)代）流體力學：理論流體力學水力學（工程流體力學）空氣動力學計算流體力學環(huán)境流體力學多相流流體力學等等6

航空空氣動力學中國，殲十戰(zhàn)機7

航空空氣動力學中國，J20戰(zhàn)機8

航空空氣動力學中國，J20戰(zhàn)機9航天飛機發(fā)射瞬間

10超高速氣體動力學物理化學流體力學稀薄氣體力學從航天飛機上看到的太空站11中國嫦娥三號與玉兔號月球車在月球表面互拍照片12造船水動力學船舶流體力學排水量達50萬噸以上的超大型油輪13航速達30節(jié)，深潛達數(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15環(huán)境流體力學

16三.工程應用：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：液體可承受較大的壓強而體積變化很小。二.液體的基本特性：17流體質點：定義：微觀上充分大，宏觀上充分小的流體分子團?！?-2連續(xù)介質模型

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

連續(xù)介質模型：認為流體是由無任何空隙的流體質點所組成的連續(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)這一強有力的數(shù)學工具來分析流體的流動規(guī)律。19表征慣性的物理量是質量。質量愈大，則慣性愈大。流體的密度()：§1-3流體的主要物理性質一.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,其內包含的分子數(shù)不夠多,則ρ時而大時而小。

ΔV的極限值應為ΔV’。密度（）：均質流體的密度是流體單位體積的質量。均質流體的密度：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。均質流體的重度是流體單位體積的重量。均質流體的重度：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：當流體的質點與質點間，或流層與流層間發(fā)生相對運動時，流體內部會產(chǎn)生剪切力以抵抗這種相對運動。流體的這種屬性稱為粘（滯）性。粘性實驗——牛頓內摩擦定律：兩平板間充滿粘性液體，下板不動，上板以常速U運動。實驗表明，與上板接觸的液體以速度U隨上板運動，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牛頓內摩擦定律：流體運動時，相鄰流層間所產(chǎn)生切應力與剪切變形速率成正比。

凡符合牛頓內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。工程實際中，常認為液體是不可壓縮的（實際上，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部一側的夾角稱為接觸角。

當θ為銳角時，液體潤濕固體壁面；當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（管）現(xiàn)象：

為了避免毛細管現(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（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，內筒旋轉。

(書上P7的例1-2)求：施加在外筒的力矩M。解：36例3：求旋轉圓盤的力矩。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.質量力：定義：某種力場對流體的作用力。作用于流體的每個質點，其大小與流體的質量成正比的力稱為質量力。重力、非慣性坐標系中的慣性力都是質量力。單位質量力是單位質量的流體所受到的力場作用力，記作f。在重力場中，單位質量力