水力學的任務及發(fā)展簡史

第一章緒論本章要求:掌握液體的密度、容重、粘滯性、理想液體的定義，液體密度、容重的計算。理解粘滯力、表面力、質量力、水力學的定義和任務。第一節(jié)水力學的任務及發(fā)展簡史水力學是研究液體的機械運動規(guī)律及應用這些規(guī)律解決工程實際問題的一門科學。水力學的研究對象是以水為代表的液體，其基本原理不僅適用于水，也適用于水的性質相似的液體（油、汞、酒精等）和可以忽略壓縮性(既流速小于音速)的氣體。水力學是力學的分支，包括水靜力學和水動力學。布，液體對固體接觸面的壓力，液體對浮體和潛體的浮力及浮體的穩(wěn)定性，以解決蓄水容船舶等的靜水壓力計算問題。水力計算，以解決給水排水、道路橋涵、農(nóng)田排灌、水力發(fā)電、防洪排澇、河道整治、水水力學，在計算機基礎上產(chǎn)生出的計算水力學，研究環(huán)保問題產(chǎn)生出的環(huán)境水雖然在工程中所遇到的水力學問題各式各樣，但基本問題可以歸結為如下幾個方面：（1）計算水流對建筑物的作用力2）計算建筑物的輸水能力及尺寸3）水流機械這些規(guī)律去解決工程中的各類水力學問題。水力學作為學科而誕生始于水靜力學。公元前400余年，中國墨翟在《墨經(jīng)》中，已有了浮力與所排液體體積之間關系的設想。公元前250年，阿基米德在《論浮體》紀中葉，法國帕斯卡提出液壓等值傳遞的帕斯卡原理。至此水靜力學已初具雛形。水力學的發(fā)展是與水利工程興建相聯(lián)系的。相傳4000年前的大禹治水采取“疏雍導滯”防止了洪澇災害。公元前256-210年間，中國秦代修建了著名的都江堰、靈渠和鄭國面取得進展，他用懸浮砂粒在玻璃槽中觀察水流現(xiàn)象，描述了波浪運動、管中水流和波的傳播、反射和干涉。前人對水流運動規(guī)律的認識已有相當水平，但直至15世紀以前，都被認為是一種技藝，而未發(fā)展為一門科學。十八世紀中葉水力學始成為一門獨立學科。水力學有迅速的發(fā)展.歐拉和丹尼爾第一·伯努利是這一領域中杰出的先驅者。十八世紀末和整個十九世紀，形成了兩個相互弗朗西斯、曼寧等人則在應用水力學方面進行了大量的實驗研究，提出了各種實用的經(jīng)驗十九世紀末，流體力學有了新發(fā)展：雷諾理論及實驗研究；雷諾的因次分析；弗勞德的船舶模型實驗；空氣動力學的研究等。二十世紀初的重要突破是普朗特的邊界層理論，它把無粘性理論和粘性理論在邊界層概念的基礎上聯(lián)系起來。二十世紀蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟建設提出了越來越復雜的水力學問題：高濃度泥沙河流的治理；高水頭水力發(fā)電的開發(fā)；輸油干管的敷設；采油平臺的建造；河學；從單向流動到多相流動；從牛頓流體規(guī)律到非牛頓流體規(guī)律；從流速分布到溫度和污染物濃度分布；從一般水流到產(chǎn)生摻氣、空蝕，引起振動的高速水流。以計算機應用為以至人才流、物資流、資金流、信息流等專業(yè)或領域的重要專業(yè)基礎課。也就是，所有與流體或與流動有關的問題，都離不開水力學的基本理論。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和不同學科的相互滲透，水力學的內容將會不斷得到發(fā)展、充實和提高。第二節(jié)液體的主要物理性質自然界的物質一般有三種形式，即固體、液體和氣體。液體和氣體統(tǒng)稱為流體。固體分子的間距很小，內聚力很大，所以它能保持固定的形狀和體積，承受一定的拉力、壓力和剪切力。流體則不同，由于流體分子間距較大，內聚力較小，幾乎不能承受拉力，所以流體不能保持固定的形狀。液體與氣體相比，液體分子間的距離比氣體小，內聚力比氣體大得多，所以能保持一定的體積。氣體沒有固定的形狀，也沒有一定的體積，極易膨脹和壓縮，液體的壓縮性很小，氣體和液體的主要區(qū)別就是它們的可壓縮程度不同。因此。液體是易流動的、不易被壓縮的。慣性是物體反抗外力改變它原有運動狀態(tài)的特性，慣性力是物體反抗外力改變它原有運動狀態(tài)而加給施力物體的反作用力。質量是物體慣性大小的量度，質量越大，物體的慣性也越大。物體的質量用符號m表示，加速度用符號a表示，則慣性力可以表示為式中負號表示慣性力的方向與物體運動加速度的方向相反。密度是指單位體積液體具有的質量，液體的密度用符號p表示。對于均質液體，質量用符號m表示，單位為公斤（kg）,體積用符號V表示，單位為米3（m3）其密度為V密度的單位為千克/米3（kg/m3）.密度的大小會隨溫度和壓強而變化，但這種變化很小，水力學中通常把液體的密度視為常數(shù)。例如水的密度，下，溫度為4℃時的值作為計算值，其數(shù)值為1000千克／米3(kg秒(s)，千克(kg)，其它是導出單位。例如，力的單位為牛頓(N)，1牛頓力的定義為：使稱為重力，用符號G表示，物體的質量用符號m表示，重力加速度為g，則它所受到的重因其變化很小，水力學中常將其當成常數(shù)，取g=9.8m/s2。單位體積液體所具有的重量稱V根據(jù)式（1-3）和（1-4）可得或Yp=-g3同溫度下水的物理性質（1個標準大氣壓）見表1-1。運動粘滯℃KN/m329N/m2N/m2053)產(chǎn)生摩擦力來反抗其相對運動，直到兩個固體之間處于靜止平衡狀態(tài)。這種摩擦力是產(chǎn)生在兩個固體之間的外力。當液體處在運動狀態(tài)時，如果液體內部質點之間存在著相對運動，那么液體質點之間就要產(chǎn)生一種摩擦力來反抗液體做相對運動，液體的這種性質稱為液體的粘滯性，因這種摩擦力產(chǎn)生在液體的內部，所以稱它為內摩擦力。內摩擦力也稱為粘滯力。由于粘滯性的存在，液體在運動過程中要克服內摩擦力做功而消耗能量，所以粘滯性是液體在流動過程中產(chǎn)生能量損失的根源。圖1-1中液體沿固體壁面作平行直線流動，而且液體質點是一層一層有規(guī)則地向前流動，互相不混摻（液體的這種運動狀態(tài)離邊界越遠，流速越大。若距固體邊界y處的流速為u，相鄰液層y+dy處液體的流速為下層液體流速小，它作用于上層液體一個與流速方向相反的摩擦力，力圖使其減速；而上個摩擦力大小相等、方向相反。實驗證明，相鄰液層單位接觸面積上所產(chǎn)生的內摩擦力（即切應力τ)的大小，與兩液層間的流速差du成正比，與兩液層之間的距離dy成反比，同時與液體的性質有關。用公式表示即為若兩液層間的接觸面積為A，則其內摩擦力為式中μ是反映液體粘滯特性的比例系數(shù)，稱為動力粘滯系數(shù)。兩液層流速差與其距離的比值稱為流速梯度。式(1-6)和(1-7)就是著名的牛頓內摩擦定律表達式，具體內容可以表述如下：作層流運動的液體，當相鄰液層間存在相對運動，則液層之間內摩擦力的大小，與接觸面積A和流速梯度成正比，同時與液體的性質有關。水力學中經(jīng)常使用μ和液體密度p的比值，即-μp22液體的粘滯系數(shù)與液體的種類有關，它對溫度的變化較為敏感，但壓強的變化對它影水的運動粘滯系數(shù)ν可按下列經(jīng)驗公式計算系數(shù)v和μ值。=1查表1-1，當溫度為lO℃,水的動力粘滯系數(shù)μ=這種性質稱為液體的壓縮性或彈性。液體壓縮性的大小用體積壓縮系數(shù)β或體積彈性系數(shù)設某液體在受壓強p時，體積為V，當壓強增加dp后，體積改變了dV，則液體的體dV/VdVV反之亦然，也就是說dp和dv始終正負號相反。為了保持β值為正數(shù)，在上式右端加一個負號。根據(jù)式(1-10)可知，β值越大，表明液體越容易被壓縮。體積壓縮系數(shù)β的單位上式表明，K值越大，液體越不易被壓縮。當K∞,表示液體絕對不可壓縮，即不水的體積相對減少約為兩萬分之一。如輸水管路中的水擊問題，就必須考慮水的壓縮性。液體的表面張力是指液體自由表面上的分子，一側受液體分子的引力，而另一側受其它介質(如氣體或固體)的引力，由于兩側分子引力不平衡，使自由面上的液體小拉力，這種拉力稱為液體的表面張力。表面張力僅在自由表面存在，而且沿液體表面的切線方向，它將會影響液體表面的形狀。由于表面張力很小，一般對液體的宏觀運動影響可以忽略不計，只有在某些特殊下，如研究微小水滴的形成與運動、小尺度水力模型中的水流、水舌較薄而且曲率較大的堰流、細管中的水或土壤空隙中水的運動等，都必須考慮表面張力的影響。在小直徑細管中，液體表面張力的現(xiàn)象十分明顯，如圖1-3所示。當液體內的引力小于它與管壁的附著力，表面張力將使細管內液面下凹、液體上升。反之，當液體內的引力大于它與管壁的附著力，表面張力將使細管內液面上凸、液體下降。接觸角θ≈0。，水銀與玻璃的接觸角θ≈139。，這時玻璃管中水面高出容器水面的高度為d玻璃管中水銀液面低于容器中水銀表面的高度為d測壓管的內徑不宜小于lOmm。液體分子逸出液面向空間擴散變?yōu)檎羝倪^程稱為汽化，它的逆過程稱為凝結。實際上，汽化和凝結現(xiàn)象在液體中同時存在。當這兩個過程達到平衡時，液面的壓強稱為飽和蒸汽壓強或汽化壓強。溫度不同，液體不同，汽化壓強值也不同，但汽化壓強總是隨溫度液體汽化壓強會減小。高海拔地區(qū)氣壓低，水溫不到100℃就會沸騰，就是這個原因。水利工程中，水流也會因局部區(qū)域的壓強降低產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，水流內部釋放出大量氣泡，我們把這種現(xiàn)象稱為空化?？栈F(xiàn)象的產(chǎn)生破壞了水流的連續(xù)性，同時，當有大量氣泡的水體流動到壓強較高區(qū)域，氣泡會迅速潰滅并產(chǎn)生極大的瞬時沖擊力物表面嚴重空蝕破壞。上面我們討論了液體六個主要物理性質，它們都不同程度地影響著液體的運動，其中重力特性、慣性、粘滯性對水流運動起著主要作用，壓縮性、表面張力特性和汽化壓強只對某些特殊的水流運動產(chǎn)生影響。第三節(jié)連續(xù)介質和理想液體的概念學對微觀世界的研究，我們已經(jīng)知道，液體和任何物質一樣，是由大量分子所組成，并且分子與分子之間并不是一個緊挨著一個沒有空隙的。水力學在研究液體運動時，只研究液體整體的宏觀運動而不研究液體分子的微觀運動。這是因為分子間空隙的距離與工程上我們研究的液體整體尺寸相比，是極為微小的，常溫下，每㎝3的水中約含有3.34×1022個水分子，相鄰分子間距離約為3.1×1此在水力學中，不考慮分子間距離，認為液體是由大量一個挨著一個的質點構成，中間并地看成一個含有大量分子的在空間上無限小的幾何點。實踐證明，利用連續(xù)介質概念得出的有關液體運動規(guī)律的理論與實際相符。函數(shù)進行微積分運算必須滿足連續(xù)性條件。我們把液體當作連續(xù)介質，液流中的一切物理量(如速度、壓強、密度等)都可以看成是空間坐標和時間的連續(xù)函數(shù)，這樣在研究液體運析和處理帶來很大的困難。因此，為了使復雜的水力學問題得到簡化，我們引入了“理想一般的水利工程不考慮液體的壓縮性、表面張力特性和汽化壓強，所以，在研究液體是指沒有粘滯性的液體，這時液體的粘滯系數(shù)μ=0，相應地我們把有粘滯性的液體稱為實際液體。這樣，我們在解決復雜的實際水流問題時，可以先不考慮液體粘滯性的影響，按正，得到實際液體的運動規(guī)律，并用來解決工程實際問題。這是水力學的一個重要研究方需要注意的是，理想液體是為了簡化問題的處理而提出來的“假設”，理想液體實際第四節(jié)作用在液體上的力液體無論處于平衡或運動狀態(tài)，都會受到各種力的作用。液體運動狀態(tài)的改變，是外力作用的結果。因此研究液體的平衡或運動，都要正確分析和計算液體如果按其作用特點，這些力又可分為表面力和質量力兩大類。作用在所研究液體的表面上，其大小與受作用的表面積成比例的力稱為表面力。例如固體邊界與液體之間的摩擦力，邊界對液體的反作用力，一部分液體對相鄰的另一部分液體在接觸面上的水壓力等。表面力又可以分為垂直于作用面的壓力和平行于作用面的切力。表面力的大小除用總作用力來度量外，常用單位面積上所受到的力(即應力)來表示。垂直指向作用面的應力稱為壓應力或壓強，與作用面平行的應力稱為切應力。質量力是作用在每個液體質點上，其大小與液體的質量成比例的力。如重力、慣性力都屬于質量力。在均質液體中質量與體積成正比，故質量力又可以稱為體積力。單位質量液體所受到的質量力，稱為單位質量力，以符號f表示。質量為m的均質液體，所受總的質量力為F，則單位質量力為Ff=-m若總的質量力F在直角坐標軸上的投影分別為F、F、F,則單位質量力f在相應FxmFmZ=F m第五節(jié)水力學的研究方法研究水力學有三種最基本的方法，即理論分析、試驗研究和數(shù)值計算。水力學是建立在古典力學的理論基礎上,對液體運動進行理論分析。應用數(shù)理分析方法，引用古典力學的基本原理(如牛頓三定律、動量定理、動能定理等)，研究液體的運動及作用在液體上的力，來建立水流機械運動的基本規(guī)律，解釋各種水流現(xiàn)象的成因和內在影響因素眾多，還難