第1章水力学-绪论-正式-(2).ppt
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水力学,资源与环境学院,水力学教材,主编：
高学平，张效先出版社：
中国建筑工业出版社出版时间：
2006年8月参考书：
吴持恭主编：
水力学高等教育出版社2003西南交通大学：
水力学第三版高等教育出版社1983闻德荪主编.工程流体力学（水力学）人民教育出版社1991,教学要求,学分：
2.0听课：
认真听讲，做好总结，按时完成作业考勤：
勿迟到、勿旷课作业：
指定课后习题答疑：
经管楼203E-mail：
上课时限：
1周16周考试形式：
闭卷考试,液体特征,第一章绪论,固体液体气体,有一定体积和自由表面。
不能承受拉力，但可承受较大压力。
易流动性：
在微小剪切力的作用下变形不止，表现为流动。
压缩性流动性,区分标准,区别气体和固体/气体和液体,区别固体和流体（即液体和气体）,介绍内容,水力学的任务流体连续介质概念液体的主要物理性质以及作用于流体上的力,1.1水力学的任务水力学的定义：
研究液体的平衡和运动规律，并运用这些规律去解决工程实际问题的一门工程技术基础学科。
水力学的任务：
研究液体（主要是水）的平衡和运动规律及其实际应用。
水力学的研究对象：
以水为代表的部分液体及可忽略压缩影响的气体。
水力学研究的基本规律：
关于液体平衡的规律，即流体静力学（或水静力学）关于液体的运动规律，即流体运动学或流体动力学实际应用即是利用此基本规律解决工程实际问题。
1.1水力学的任务,水力学的研究手段：
连续性方程动量方程能量方程,水力学课程性质：
水力学是一门应用性技术基础课，即介乎于基础科学与工程技术之间的一门学科。
根据基础科学中的普遍规律（如质量守恒、能量守恒、动量守恒等），结合水流特点，建立相应的理论基础密切联系工程实际，发展学科内容,水力学课程体系：
基础部分,专题部分,流体静力学,流体运动学,流动阻力,相似原理,流体动力学,有压管流,明渠恒定流,堰流,渗流,学习目的：
掌握“三基本”：
水力学基本理论、水力学计算的基本方法、实验研究的基本技能锻炼形象思维、逻辑思维培养计算能力,1.1水力学的任务,水力学在工程中的应用,给水排水工程,交通、土木工程,环境工程,水利水电工程,市政工程,水务工程,海洋与船舶工程,港口航道与海岸工程,1.1水力学的任务,赵州桥,水力学与其他课程之间的联系水力学是继高等数学、大学物理、理论力学之后开设，同时又成为学习许多后续专业课程（如水工建筑物、水利工程施工、水泵与泵站等）和从事专业研究的必备基础。
要求掌握高等数学的知识：
微分（偏导数、导数）、积分（曲面积分、定积分、曲线积分）、多元函数的泰勒公式、势函数、微分方程。
要求掌握理论力学的知识：
达朗贝尔原理、能量守恒定律、动能定律、动量定律。
要求掌握材料力学的知识：
变形概念、平行移轴定律、惯性矩、惯性积等。
1.1水力学的任务,1.2连续介质质点：
宏观小，微观大的流体分子团。
微团：
流体质点的集合体，具有一定线性尺度的微小流体团。
连续介质（假定）：
为什么要建立连续介质的概念？
流体是由质点组成的，质点一个挨着一个，质点间既不留空隙，也不存在真空的连续体。
便于利用数学工具如连续函数分析法,1.2连续介质连续介质模型的适用范围：
水力学和流体力学的研究对象是大尺度的流动问题，连续介质模型是完全适用的。
这样流动参数（压强、速度等）都可以表示为时间和空间的连续函数，流体的流动都可以用连续函数及其微分、积分方程来描述如果研究尺度与分子间距相当，则不能采用连续介质模型。
例如，微血管的直径约为10-6m，在这样的微尺度里，液体的质量不能视为连续分布。
又如，计算机的读写磁头与磁盘的间隙约为50nm（1nm=10-9m），在研究这一间隙中气流对磁头的作用力时，不能采用连续介质模型,均质液体：
式中，M为液体的质量；V为的体积,对于非均质液体：
MV,M,V,1.3流体的物理量,流体的物理量是反映流体宏观特征的量：
密度,速度,压强,温度,能量,动量,所谓某一瞬间空间任意一点的物理量，是指该瞬间位于该空间点的流体质点的物理量,量纲每一个物理量都包括量的数值和量的种类，物理量的种类习惯上称为量纲；量度物理量的基准称为单位。
物理量都可以分为有量纲的量和无量纲的量。
有量纲的量其量纲可分为基本量纲和导出量纲。
基本量纲是性质完全不同的独立量纲，其中任何一个不能由另外的组合而成。
基本量纲：
质量M、时间T、长度L导出量纲由这三种基本量纲以不同方式组合而成。
单位量度物理量的基准,1.3流体的物理量,思考题1-2,1.4流体的主要物理性质惯性、重力特性、粘滞性、压缩性和膨胀性、表面张力特性等。
1.4.1惯性惯性是物体保持原有运动状态的性质。
惯性的大小以质量来量度。
惯性力：
当流体受外力作用使运动状态发生改变时，由于流体的惯性引起对外界抵抗的反作用力，惯性力：
F=-ma。
重度（容重）：
单位体积流体的重量。
N/m3、ML-2T-2,密度：
单位体积流体所含质量。
Kg/m3、ML-3,当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的黏滞性，此内摩擦力也称为黏滞力。
黏滞性在流体静止或平衡状态时是不起作用的。
流体运动时黏滞力只能使流动缓慢下来，但不能阻止静止流体在任何微小切向力作用下开始流动。
运动一旦停止，黏滞阻力立即消失。
1.4.3黏滞性,1.4.2重力特性,运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。
是流体黏性的表现,称为黏滞力或内摩擦力。
流体在流动时的内摩擦,是流动阻力产生的依据,流体动时必须克服内摩擦力而作功,从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。
流体黏滞性的作用源自牛顿1687年进行的黏性实验,黏滞性,流体在运动状态时抗拒内在向前运动的特性，黏滞性是流动性的反面。
流体的黏滞性越大，其流动性就越小,流体的黏滞性只在流动时才表现出来,流速相同时，黏滞性越大，能量损失越大,流体内部流层间存在的内摩擦力：
方向与该流层相对运动速度方向相反大小由牛顿内摩擦定律决定,牛顿内摩擦定律：
作层流运动的液体，相互邻近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,
（1）速度梯度,流速梯度du/dy实际上代表流体微团的剪切变形速度。
所以，牛顿内摩擦定律也可以理解为切应力与剪切变形速度成正比。
速度沿垂直于速度方向y的变化率，单位s-1。
（2）切应力,单位面积内摩擦力。
N/m2（Pa），ML-1T-2。
作用在不同流层上的切应力，大小相等，方向相反。
（3）动力黏滞系数,反映不同液体对内摩擦力的影响系数。
表征流体黏滞性的强弱。
量纲：
ML-1T-1,单位：
Nsm-2Pas,运动黏滞系数,量纲：
L2T-1,单位：
m2/s,水的粘滞系数随温度升高而减小,而空气则相反。
流体种类,与压力无关,温度有关,气体：
T，；液体：
T，,气体:
分子运动速度加快、碰撞次数增加是主要方面，所以升温使黏性力增大。
温度升高分子运动速度加快、碰撞次数增加，内摩擦力增加分子间距离增加，内摩擦力减小,液体:
分子间距比气体分子间距小、分子间距变大是矛盾的主要方面，所以升温使黏性力减小；,牛顿内摩擦定律只适用于部分流体。
一般把符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体；反之称为非牛顿流体。
一般常见液体和气体多属于牛顿流体，如水、空气等。
非牛顿流体属于流变学的研究范畴，一般包括：
（1）理想宾汉流体：
当切应力达到一定数值0时，才开始发生剪切变形，但变形率仍为常数，常见的如泥浆、血浆、高含沙水流。
（2）伪塑性流体：
粘滞系数随剪切变形速度的增加而减小，常见的有尼龙、橡胶溶液、颜料、油漆等。
（3）膨胀性流体：
粘滞系数随剪切变形速度的增加而增加，常见的有生面团、浓淀粉糊等。
例：
液体在两块平板间流动，流速分布如图所示，从中取出A、B、C三块流体微元，试分析：
（1）各微元上下两平面上所受切应力的方向；
（2）定性指出哪个面上的切应力最大？
哪个最小？
为什么？
例：
已知液体中的流速分布如图中所示三种情况：
（1）矩形分布，
（2）三角形分布（3）抛物线分布。
试定性地画出各种情况下的切应力分布图。
例：
一块平板，重量为G，底面积为A。
此平板沿一个倾角为，在表面涂有润滑油的斜面上均速向下滑动，如图所示。
已测得润滑油的厚度为，平板下滑的匀速度为U，试求润滑油的动力粘度。
1.4.4压缩性与膨胀性压缩性：
液体受压，体积缩小、密度增大的性质。
膨胀性：
液体受热，体积膨胀、密度减小的性质。
体积压缩系数：
体积弹性系数：
对于水，每增加1个大气压，体积相对压缩值为1/20000。
通常把水视为不可压缩流体,1.4.5表面张力特性,表面张力：
自由表面上液体分子由于受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。
表面张力的大小用表面张力系数来度量。
自由表面单位长度上所受拉力的数值，N/m。
注意：
表面张力仅在自由表面存在，液体内部并不存在表面张力。
液体的表面张力较小，一般对液体的宏观运动不起作用可忽略不计。
水流实验中，常使用盛有水或水银的细玻璃管做测压管。
由于表面张力作用，玻璃管中液面和与之连同的大容器中的液面不在同一水平面上，这种现象叫毛细现象。
当液体与固体、气体接触时，在液面与固体壁面的交界处作一个平面与液面相切，此切面与壁面在液体内部一侧的夹角称为湿润角。
如：
水与洁净玻璃的湿润角=8，水银与洁净玻璃的湿润角=138毛细管公式：
式中：
为润湿角；d为玻璃管直径；h为毛细管高度；为表面张力系数,1.表面力作用于流体表面并与其面积成比例，单位N表面力大小常用单位表面力即单位面积上所受的表面力来表示。
作用于单位面积上的垂向力压强符号：
单位：
沿作用面单位面积上的切向力切应力符号：
单位：
1.5作用在流体上的力,2.质量力通过所研究液体的每一部分质量而作用于液体的、其大小与液体的质量成比例的力。
质量力又叫体积力。
符号：
单位：
单位质量力单位质量力在坐标上的分力,实际流体模型流体是由质点组成的连续体,具有：
理想流体模型,易流动性、粘滞性、不可压缩性、不计表面张力的性质。
不考虑粘滞性,1.6理想流体与不可压缩流体,不可压缩流体,1.6理想流体与不可压缩流体,忽略流体的压缩性,1.理论分析建立在流体连续介质假定的基础上，将普遍规律、公理，如：
牛顿定律、能量守恒原理、力系的平衡定律、动能定律、动量定律等用于液体分析中，建立水流运动的基本方程式：
连续性方程、能量方程、动量方程。
这些方程可以是代数方程、微分方程、积分方程等，结合边界条件、限定条件可对其求解。
1.7水力学的研究方法,2.数值计算（模拟）通过求解水流的运动方程来得到模拟区域内任意时刻任意位置力和运动要素的值。
先进性：
采用计算机、流体计算软件等高新技术。
相关CFD软件：
Fluent软件等。
经济性：
可给定不同的边界条件，进行大量的模拟，给出足够多的力和运动要素值以进行分析。
3.科学实验原型观测在野外或水工建筑物现场，对水流运动进行观测，收集第一性资料，为检验理论分析成果或总结某些基本规律提供依据。
模型试验当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法解决实际工程的水力学问题时采用。
指在实验室内，以水力相似理论为指导，把实际工程缩小为模型，在模型上预演相应的水流运动，得出模型水流的规律性，再把模型试验成果按照相似关系换算为原型的成果以满足工程设计的需要。
系统试验在实验室内，小规模的造成某种水流运动，用以进行系统的实验观测，从中找到规律。
数理知识数据处理方法量纲分析方法,本章重点1.连续介质的概念。
2.主要物理力学性质：
粘滞性3.实际流体、理想流体的区别。
由质点组成的连续体，具有易流动性、粘滞性、不可压缩性、不计表面张力的特性。
4.牛顿内摩擦定律及其适用条件5.理解质量力、表面力的定义，掌握其表示方法。
什么是“连续介质”模型？
建立“连续介质”模型有何意义？
答：
“连续介质”模型是在进行流体分析时，将流体认为是充满其所占据空间，无任何空隙的质点所组成的连续体。
建立“连续介质”模型，是对流体物质结构的简化，是在分析流体问题时得到两大方便：
第一，可以不考虑流体复杂的微观粒子运动，只考虑在外力作用下的宏观机械运动；第二，能运用数学分析的连续函数工具。
为什么液体的黏性随温度升高而减小，气体的黏性随温度升高而增大？
答：
流体的黏性是流体分子间的动量交换和内聚力作用的结果。
液体温度增高时分子间内聚力减小，而动量交换对液体的黏性作用是不大的，因此液体温度增高黏性减小。
而气体分子间距较液体大得多，其黏性主要是由分子间热运动造成的动量交换引起的，气体温度增高时，动量交换加剧，因此黏性增大。
Thankyou,
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