水力学课件SHL1.ppt

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1水力学的任务、地位和学习方法水力学的任务、地位和学习方法1常用的流体力学模型常用的流体力学模型2分析流体力学的理论基础分析流体力学的理论基础3作用在流体上的力作用在流体上的力4流体的主要物理性质流体的主要物理性质5绪绪论论21.11.1水力学的任务、地位和学习方法水力学的任务、地位和学习方法3流体力学是研究流体静止（相对静止）和运动的力学流体力学是研究流体静止（相对静止）和运动的力学规律及其在工程实际中应用的一门学科规律及其在工程实际中应用的一门学科。

流体力学研究的任务是如何很好地、有效地把流体静流体力学研究的任务是如何很好地、有效地把流体静止和运动的力学规律应用到各个实际工程领域中去，改造大止和运动的力学规律应用到各个实际工程领域中去，改造大自然，造福于人类。

自然，造福于人类。

一、研究对象和任务一、研究对象和任务绪绪论论4绪绪论论流体流体流体的基本特性是具有流体的基本特性是具有易流动性易流动性

（一）流体

（一）流体易流动性：

静止时不能承受任何小的易流动性：

静止时不能承受任何小的剪切力和拉力剪切力和拉力的性质。

的性质。

5绪绪论论

（二）

（二）固体、液体、气体的不同点固体、液体、气体的不同点u固体固体固体固体有一定的体积和形状；有一定的体积和形状；运动方式有平动和转动；运动方式有平动和转动；分塑性体和弹性体。

分塑性体和弹性体。

u液体液体液体液体有一定体积而无一定形状；有一定体积而无一定形状；液体不易被压缩；液体不易被压缩；具有表面张力特性。

具有表面张力特性。

u气体气体气体气体无一定体积和形状；无一定体积和形状；易被压缩；易被压缩；无表面张力特性。

无表面张力特性。

6绪绪论论nn液体、气体的相同点液体、气体的相同点液体、气体的相同点液体、气体的相同点无一定的形状；无一定的形状；均具有易流动性均具有易流动性具有平动、转动和变形运动具有平动、转动和变形运动7流体力学是流体工程、流体机械、热能、建筑、环保、流体力学是流体工程、流体机械、热能、建筑、环保、航海、宇航、兵器、化工、冶金、水利、发电、石油、采矿、航海、宇航、兵器、化工、冶金、水利、发电、石油、采矿、农林、轻工、气象、纺织、生物工程等领域的重要专业基础农林、轻工、气象、纺织、生物工程等领域的重要专业基础理论课之一，而对于市政工程、环境工程、土木工程、道路理论课之一，而对于市政工程、环境工程、土木工程、道路和桥梁工程等专业更是基础的基础。

和桥梁工程等专业更是基础的基础。

二、二、流体力学的地位流体力学的地位绪绪论论8掌握从一般到特殊的学习方法掌握从一般到特殊的学习方法在掌握在掌握“三基三基”上下功夫上下功夫认真听真听课适当适当记笔笔记初步初步预习，有准，有准备地听地听课三、关于学好流体力学的几点意见三、关于学好流体力学的几点意见绪绪论论解解题规范化，加范化，加强强基本功基本功要抄要抄题做作做作业重重视实验，亲自自动手做手做实验91.21.2常用的流体力学模型常用的流体力学模型10绪绪论论流体力学模型：

流体力学模型：

对所研究的实际流体的物理结构和物理性质进行对所研究的实际流体的物理结构和物理性质进行科学的结合与实际的简化，以便推导出流体运动规律科学的结合与实际的简化，以便推导出流体运动规律的数学表达式。

的数学表达式。

11绪绪论论一、连续介质模型一、连续介质模型假设流体充满着它所占据的一个空间体积，总是不留假设流体充满着它所占据的一个空间体积，总是不留任何间隙的连续体任何间隙的连续体。

n是连续分布的物质，可无限分割为具有均布质量的宏观微元体。

是连续分布的物质，可无限分割为具有均布质量的宏观微元体。

n在不发生化学反应和离解等非平衡过程的运动流体中，微元体内状在不发生化学反应和离解等非平衡过程的运动流体中，微元体内状态服从热力学关系。

态服从热力学关系。

n除了特殊面外，流体的力学和除了特殊面外，流体的力学和热力学状力学状态参数在参数在时空中是空中是连续分布分布的，并且通常是无限可微的。

的，并且通常是无限可微的。

12绪绪论论二、不可压缩流体力学模型二、不可压缩流体力学模型设液体受压体积不减小，受热体积不膨胀，因而设液体受压体积不减小，受热体积不膨胀，因而均为常数均为常数，讨论其平衡和运动规律自然简单得多。

，讨论其平衡和运动规律自然简单得多。

三、静止（相对静止）力学模型三、静止（相对静止）力学模型流体不存在粘滞性流体不存在粘滞性，表面力只有压力，表面力只有压力13绪绪论论四、理想流体力学模型四、理想流体力学模型假定不存在粘性，即其粘度假定不存在粘性，即其粘度的流体为理想流的流体为理想流体或无粘性流体。

体或无粘性流体。

定义：

定义：

实际上，一切流体都具有粘性，提出理想流体的概念在实际上，一切流体都具有粘性，提出理想流体的概念在于研究流体运动规律时，对理论方程的推导大为简化。

于研究流体运动规律时，对理论方程的推导大为简化。

141.31.3分析流体力学分析流体力学的理论基础的理论基础15绪绪论论一、质量守恒定律一、质量守恒定律二、能量守恒定律二、能量守恒定律三、牛顿运动第二定律三、牛顿运动第二定律三大定律三大定律+流动性流动性水力学基本规律水力学基本规律三大定律三大定律+流动性流动性+初始（边界）条件初始（边界）条件水力学特定问题水力学特定问题161.41.4作用在流体上的力作用在流体上的力17绪绪论论质量力与表面力一、分析方法一、分析方法截面分离法18绪绪论论作用在所取流体作用在所取流体V体积微团上并且和质量体积微团上并且和质量m成成正比的力叫质量力正比的力叫质量力,用用Fm表示。

表示。

定义：

定义：

质量力质量力重力重力直线运动惯性力直线运动惯性力离心惯性力离心惯性力-二、质量力二、质量力19绪绪论论1、单位质量力：

、单位质量力：

单位质量流体所受的质量力称为单位质量力，记作单位质量流体所受的质量力称为单位质量力，记作均质流体均质流体20绪绪论论直角坐标系：

直角坐标系：

21绪绪论论2、质量力的合力和合力矩：

、质量力的合力和合力矩：

质量力的合力质量力的合力：

质量力的合力矩质量力的合力矩22绪绪论论作用于分离体表面上且与表面积大小成正比例的力作用于分离体表面上且与表面积大小成正比例的力定义：

定义：

三、表面力三、表面力a.沿表面内法线方向的压力沿表面内法线方向的压力b.沿表面切向的摩擦力沿表面切向的摩擦力PT23绪绪论论1）压应力）压应力：

2）切应力：

）切应力：

1、表面力的应力表示、表面力的应力表示24绪绪论论1）压力合力和合力矩）压力合力和合力矩：

2）切力合力和合力矩）切力合力和合力矩：

2、表面力的合力和合力矩、表面力的合力和合力矩251.51.5流体的主要物理性质流体的主要物理性质26绪绪论论一、惯性一、惯性（m）定义定义：

是一切物体维持原有运动状态能力的性质：

是一切物体维持原有运动状态能力的性质27绪绪论论二二、重力特征、重力特征（G）1、容重、容重2、密度和容重的关系、密度和容重的关系28绪绪论论三、流体的压缩性和膨胀性三、流体的压缩性和膨胀性流体的微观物质结构决定了流体内部分子的分布疏松，流体的微观物质结构决定了流体内部分子的分布疏松，分子间存在着间隙。

当作用于流体的压强增大时，分子间距分子间存在着间隙。

当作用于流体的压强增大时，分子间距减小，体积压缩，密度增加；温度升高使分子间距增大，体减小，体积压缩，密度增加；温度升高使分子间距增大，体积膨胀，密度减少。

积膨胀，密度减少。

流体都具有这种可压缩、能膨胀的性质流体都具有这种可压缩、能膨胀的性质29绪绪论论1、压缩性、压缩性流体受压体积缩小，密度增大的性质流体受压体积缩小，密度增大的性质定义：

定义：

图流体在等温下的体积压缩30绪绪论论当液体压强增加一个单位时，其体积的相对减小值（率）当液体压强增加一个单位时，其体积的相对减小值（率）体积压缩系数体积压缩系数31绪绪论论2、膨胀性、膨胀性流体受热体积膨胀，密度减小的性质流体受热体积膨胀，密度减小的性质定义：

定义：

图流体在定压下的体积膨胀32绪绪论论液体在一定压强下，温度增加单位温度时液体体积的液体在一定压强下，温度增加单位温度时液体体积的相对变化值（率）相对变化值（率）体积膨胀系数体积膨胀系数图流体在定压下的体积膨胀33绪绪论论水的压缩系数压强（at）5102040800.5380.5360.5310.5280.515表11水的膨胀系数温度110102040506070901000.140.150.420.550.72表1234绪绪论论例例11水在常温下由水在常温下由490kpa加到加到980kpa压强时，求水的密度的相对变化压强时，求水的密度的相对变化率。

（用率。

（用%表示）表示）解：

解：

此题是液体在常温下压缩性系数公式的应用。

此题是液体在常温下压缩性系数公式的应用。

解法一：

35绪绪论论解法二：

36绪绪论论四、流体的输运特性四、流体的输运特性1.流体黏滞性的例子流体黏滞性的例子37绪绪论论2.粘性定义：

粘性定义：

流体内部质点间或流层间因相对运动而产生的切向内流体内部质点间或流层间因相对运动而产生的切向内摩擦力以抵抗其相对运动的性质摩擦力以抵抗其相对运动的性质流体粘性是流体内部的内聚力的存在和流层间进行的流体粘性是流体内部的内聚力的存在和流层间进行的动量交换造成的。

动量交换造成的。

38绪绪论论3.流体黏滞性产生的机理：

流体黏滞性产生的机理：

流体的黏滞性是组成流体的大量分子的微观作用的宏流体的黏滞性是组成流体的大量分子的微观作用的宏观表现，是两方面共同作用的结果，即分子不规则的热运观表现，是两方面共同作用的结果，即分子不规则的热运动动量交换和分子间的引力两方面的作用结果。

但两方面动动量交换和分子间的引力两方面的作用结果。

但两方面的作用不是对所有流体都是对等的，如气体是以分子热运的作用不是对所有流体都是对等的，如气体是以分子热运动动量交换产生的黏滞性为主，液体则是以分子之间的引动动量交换产生的黏滞性为主，液体则是以分子之间的引力产生的黏滞性为主的。

力产生的黏滞性为主的。

39绪绪论论4.黏滞性的度量黏滞性的度量牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿认为：

牛顿认为：

uT的大小与液体性质（种类）有关的大小与液体性质（种类）有关uT的大小与速度梯度的大小与速度梯度成正比成正比u和接触面积和接触面积A成正比成正比u随压强的增加而增加。

在压强不太大时，与接触面压强无关随压强的增加而增加。

在压强不太大时，与接触面压强无关40绪绪论论5.牛顿内摩擦定律各项的物理意义牛顿内摩擦定律各项的物理意义1）A流层间接触面积，流层间接触面积，m22）剪切应力剪切应力剪切力剪切力有大小和方向。

对相邻流层而言，作用在流层运动较快的流有大小和方向。

对相邻流层而言，作用在流层运动较快的流层上的剪切力与流速层上的剪切力与流速u方向相同，作用在运动速度较慢流层上的剪切力与方向相同，作用在运动速度较慢流层上的剪切力与流速流速u方向相反，方向相反，41绪绪论论3）速度梯度速度梯度42绪绪论论4）动力粘性系数动力粘性系数在研究流体运动时，常常使用与密度的比值，称为运动粘性系数。

以表示，5）运动粘性系数运动粘性系数43绪绪论论6、温度对粘度的影响、温度对粘度的影响

（1）对于气体，黏滞性主要是由大量分子热运动动量对于气体，黏滞性主要是由大量分子热运动动量交换产生的黏滞性为主，因此当温度升高时，气体的黏交换产生的黏滞性为主，因此当温度升高时，气体的黏滞性随之升高；滞性随之升高；

（2）对液体，黏滞性主要是由液体分子间的引力产生对液体，黏滞性主要是由液体分子间的引力产生的黏滞性为主，因此当温度升高时，液体的黏滞性随之的黏滞性为主，因此当温度升高时，液体的黏滞性随之降低。

降低。

44绪绪论论7、牛顿流体和非牛顿流体、牛顿流体和非牛顿流体1）牛顿流体）牛顿流体2）非牛顿流体）非牛顿流体u塑性流体塑性流体45绪绪论论u