水力学授课教案全集Word文档格式.doc

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1.建立水力学的概念，了解其在工程上的应用。

2.掌握液体的基本特性及主要物理力学性质。

三、重点、难点：

1.液体的基本特性及主要物理力学性质；

2．液体的粘滞性，理想液体的概念。

四、教法教具：

常规教学方法。

五、教学进程：

9月16日，星期二，第一大节。

六、参考文献：

（1）四川大学，吴持恭主编《水力学》上、下册（第三版），高等教育出版社，2003年

（2）清华大学董增南，余常昭主编的《水力学》上、下册，高等教育出版社，1995年。

（3）武汉大学徐正凡主编《水力学》高等教育出版社出版，1993年。

（4）大连工学院水力学教研室编写的《水力学解题指导及习题集》，高等教育出版社，1984年第二版。

七、教学内容：

第0章绪论

水与人类文明（古代：

恒河、尼罗、底格利斯、幼发拉底、爱琴海、黄河、新疆。

现代：

中东、伊泰普、万家寨、三峡、南水北调）

0.1学科简介

一、水力学：

研究液体（以水为主）静止与运动的力学规律，及其工程应用。

（为力学分支，技术科学，本专业重要的技术基础课）

二、水力学的组成

1、水静力学：

研究液体处于静止或相对平衡状态下的力学规律。

2、水动力学：

研究液体宏观机械运动状态时，运动要素与力的关系、运动特性与能量转换等。

3、研究问题：

水力荷载、过水能力、能量损失、水面曲线、水流形态以及渗流、挟沙水流等。

（举例、画示意图）

三、水力学的应用：

（水利、工民建、交通、化工、冶金、航运等）

四、水力学与其他课程的关系：

（建立在物理学、理论力学基础之上，二者的有关原理定理等也完全实用于水力学。

例如：

牛顿定律、运动与平衡、动能定理、动量定理等。

）

液体的静止与运动都是外力作用的结果，但是外力的作用都要通过自身的物理性质表现出来，因此首先我们要了解液体的基本特征与物理力学性质。

0.2水力学发展简史（略）

0.3液体的基本特征与物理力学性质

一、基本特性

1、易流动性（物质有三种存在形式）固—液—气能流动、无定形。

（液：

内聚力小）静止时，不能承受箭切力、拉力。

2、不易压缩性（分子斥力大，变形很小）△p=一个大气压，△V≯V/20000

3、连续介质（假定）—液体为无空隙的连续体（质点、或微团）。

质点：

最小研究单位。

（3×

1022个水分子/1cm3液体）应用：

液体属性（pvTρ）——连续分布、变化，均质、各向同性。

二、主要物理力学性质

（一）惯性与重力特性

1.惯性

惯性是保持原有运动状态的特性，惯性力与液体质量和速度变化有关。

密度：

ρ量纲[M/L3]单位：

kg/m3

惯性力：

量纲[F]单位：

N、KN（SI制）

例：

水ρ=1000kg/m3

2.重力特性

重力:

量纲[F]单位：

容重：

γ=G/V量纲[F/L3]单位：

N/m3KN/m3（SI制）

常见液体的ρ～γ见表0-1、0-2

（二）、粘滞性—液体运动特性

1、定义：

液体运动时，质点间产生的相互阻力（粘滞力或内磨擦力）的特性。

或者说运动液体内部具有抵抗质点（流层）间相对运动的特性。

河流中水面流速比河底流速高，上下流层速度有差异，流层间存在摩擦力，这就是水流粘滞性作用的结果。

2、粘滞性影响（存在的结果引起）：

（1）产生液体流动速度的不均匀分布。

（2）产生液体流动中的能量损失。

下边观看一个通过平板边界的模拟流动（动画）

粘滞性引起流速不均匀分布，可以用速度的变化率du/dy来表示，流速分布图：

液体内部的粘滞力是如何计算的呢？

我们可以采用牛顿内磨擦力定律求解流层粘滞切应力：

τ=量纲[F/L2]单位：

N/m2KN/m2

式中为随液体性质不同而异的比例系数，称为动力粘滞系数，称为液体间的流速梯度。

上式可表述为：

作层流运动的液体，相邻液层间单位面积上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯度成正比，同时与液体的性质有关。

由于流速梯度实质上是代表液体微团的剪切变形速度。

如图

可以认为dθ≈tg（dθ）=或

所以又有τ=

于是牛顿内摩擦定律又可表达为：

液体作层流运动时，相邻液层之间所产生的切应力与剪切变形速度成正比。

所以液体的粘滞性可视为液体抵抗变形的特性。

粘性大的液体μ值大，粘性小的液体值小。

的国际单位制为牛顿.秒/米2（N.s/m2）。

液体的粘滞性还可以用另一种形式的粘滞系数来表示，它是动力粘滞系数和液体密度的比值（=/ρ），因为不包括力的量纲而仅仅具有运动的量纲（L2/T），故称为运动粘滞系数，它的国际单位为米2/秒（m2/s）。

在同一种液体中或值随温度和压力而异，但随压力变化关系甚微，对温度变化较为敏感。

对于水，可按下列经验公式计算

ν=（0-10）

式中t为水温，以°

C计，ν以厘米2/秒（cm2/s）计。

见表0-3所示。

另外，还需要指出的是牛顿内摩擦定律只能适用于一般液体（即牛顿液体），对于某些特殊液体是不适用的（如泥浆、血浆等）。

见图0-3所示。

（三）压缩性及压缩系数

液体不能承受拉力，但可以承受压力。

液体受压后体积要缩小，压力撤消后能恢复原状，这种性质成为液体的压缩性或弹性。

液体压缩性的大小是以体积压缩系数β或体积弹性系数Κ来表示。

=-（1-11）

式中负号是考虑到压强增大，体积缩小，所以dV与dp的符号始终是相反的，为保持为正值，加一个负号。

值愈大，则液体压缩性也愈大。

的单位为米2/牛顿（m2/N）。

液体被压缩时其质量并不改变，故

dm=ρdV+Vdβ=0

因而体积压缩系数又可写作：

（0-12）

所谓体积弹性系数K，乃是体积压缩系数的倒数，即

K值愈大，表示液体愈不易压缩，K→∞表示绝对不可压缩。

K的单位为牛顿/米（N/m2）。

液体的种类不同，其β和K值不同。

水的压缩性很小，在10º

C时体积弹性系数。

K=2.10106kN/m2。

也就是说，每增加一个大气压，水的体积相对压缩值约为两万分之一。

所以在工程上一般不考虑水的压缩性，即认为水是不可压缩的，只在个别特殊情况下考虑水受压后的弹力作用。

例如水电站高压管道中的水击现象。

（四）表面张力及表面张力系数

表面张力是自由表面液体分子由于受到两侧分子引力不平衡，使自由面上液体分子受有极其微小的拉力，这种拉力称为表面张力。

液体的表面张力一般很微小，可以忽略不计，只有在特殊情况下，才显示其影响。

表面张力大小，可用表面张力系数来度量。

在20º

C时水的=0.074N/m，对于水银=0.54N/m。

如图0-4玻璃管与容器中的液面不在同一水平面上，就是液体表面张力影响的结果。

玻璃管越细液面高差就越大，这就是物理学中的毛细管现象。

毛细管升高值h大小和管径大小及液体性质有关，所以在水力学等实验中使用的测压管内径不宜太小，以避免毛细管作用引起的观测误差。

以上所介绍液体几个主要物理性质，都在不同程度上决定和影响着液体的运动，但每一种性质的影响程度并不是同等的，就一般而言，重力、粘滞力对液体运动起着重要的作用。

而弹性力及表面张力，只对某些特殊水流运动发生影响。

0.4连续介质和理想液体的概念

一、连续介质的概念

液体同任何物质一样，都是由分子组成，分子与分子之间是不连续而有空隙的。

水力学研究的是液体在外力作用下的机械运动（宏观运动），由于液体分子之间的间隙极其微小，研究表明，在常温下，每立方厘米的水中约含有31022个水分子，相邻分子间距离约为310-8厘米。

因此，在水力学中，把液体当作连续介质看待，即假设液体是一种连续充满其所占据空间毫无空隙的连续体。

根据连续介质的假设，则液流中的一切物理量（如速度、压强、密度等）都可以视为空间坐标和时间的连续函数，这样，我们在研究液体运动规律时，就可以利用连续函数的分析方法。

二、理想液体的概念

由于粘滞性的存在，使得对液体运动的分析变得非常复杂，为了使问题的分析简化，我们引入了“理想液体”的概念。

所谓“理想液体”，就是把水看作是绝对不可压缩、不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的连续介质。

（μ=0）

0.5作用于液体的力

为了方便研究液体的运动规律，我们作用于液体上的力按其作用的特点，归结为两大类：

一类是表面力，一类是质量力。

一、表面力

表面力是作用与液体的表面，并与受作用的表面面积成正比的力。

表面力包括固体边界对液体的摩擦力、边界对液体的反作用力、相邻液体之间产生的水压力等。

表示方法或用总作用力、或用单位面积上的作用力（应力）来度量。

二、质量力

质量力是指通过液体的每一部分质量而作用于液体的、其大小与液体的液体的质量成正比的力。

如重力、惯性力就属于质量力。

质量力除用总作用力来度量外，也常用单位质量力来度量。

单位质量力是指作用于单位质量液体上的质量力。

用来表示。

即

=（0-10）

式中F表示总质量力，表示总质量。

由于单位质量力为矢量，于是在空间坐标上的投影为：

X=Y=Z=

单位质量力具有和加速度一样的量纲（L/T2）

0.6水力学的研究方法

一、理论分析

水力学是建立在经典力学理论基础上的。

二、科学试验

1、原型观测

2、模型试验

3、系统试验

三、数值计算方法

思考题

0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6

习题

0.2、0.4、0.5

第2讲

第1章水静力学

1.1静水压强及其特性

1.2液体平衡微分方程及静水基本方程

1.3等压面

1.掌握静水压强的两个基本特性；

2.理解建立静压平衡微分方程的基本思路，理解该方程的物理意义，掌握该方程的特殊解。

1.静水压强的基本特性；

2.静水压强基本公式：

及=C

3．等压面。

常规教学方法

9月18日，星期四，第2大节。

六、上一讲要点回顾：

1.液体的主要物理力学性质；

2．τ=μ或τ=μ

3.连续介质与理想液体的概念；

表面力与质量力。

第1章水静力学

一、静水压力与静水压强

静水压力：

静止的水对其接触面的作用力。

P、△P

接触面为固体或液体。

静水压强：

1、平均静水压强：

2、静水点压强：

单位：

N/m2、kN/m2，或Pa、kPa（国际单位制）

显然，

二、静水压强的特性

1、静水压强垂直并指向受压面。

2、任一点