水力学教学课件(第1章绪论)PPT资料.ppt

1、水力学的研究目的是液体的宏观机械运动规律，而这连续的。水力学的研究目的是液体的宏观机械运动规律，而这一规律恰恰是研究对象中所有分子微观运动的宏观表现。一规律恰恰是研究对象中所有分子微观运动的宏观表现。1755年瑞士数学家、力学家欧拉（年瑞士数学家、力学家欧拉（L.Euler）首先提出首先提出:“液体是一个不存在分子间隙的连续介质。液体是一个不存在分子间隙的连续介质。”连续介质模型连续介质模型由密集质点构成的、内部无间隙的液体。由密集质点构成的、内部无间隙的液体。质点质点含有大量分子的，与一切流动空间相比体积可忽略含有大量分子的，与一切流动空间相比体积可忽略不计的具有一定质量的液体微团。不计的具

2、有一定质量的液体微团。建立连续介质模型建立连续介质模型:（1）排除了分子运动的复杂性；排除了分子运动的复杂性；（2）引入质点的概念，各质点物理量都可视为空间坐标引入质点的概念，各质点物理量都可视为空间坐标和时间变量的连续函数，可用数学分析和时间变量的连续函数，可用数学分析方法来研究液体运动。方法来研究液体运动。1.1.3 1.1.3 水力学的研究方法水力学的研究方法水力学的研究方法水力学的研究方法 理论分析是通过对液体性质及流动特性的科学抽象，理论分析是通过对液体性质及流动特性的科学抽象，提出合理的理论模型，应用已有的普遍规律，建立控制提出合理的理论模型，应用已有的普遍规律，建立控制液体运动的

3、方程组，将流动问题转化为数学问题，并在液体运动的方程组，将流动问题转化为数学问题，并在一定的边界条件和初始条件下求解。一定的边界条件和初始条件下求解。数值计算是在计算机应用的基础上，采用各种离散数值计算是在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各种数值模化方法（有限差分法、有限元法等），建立各种数值模型，通过计算机进行大规模数值计算，获得定量描述流型，通过计算机进行大规模数值计算，获得定量描述流场的数值解。场的数值解。实验研究则是通过对具体流动的观察与测量来认识实验研究则是通过对具体流动的观察与测量来认识流动的规律。理论上的分析结果需要经过实验验证，实流动的规律

4、。理论上的分析结果需要经过实验验证，实验又须用理论来指导。验又须用理论来指导。上述三种方法互相结合，为解决复杂的工程技术问题上述三种方法互相结合，为解决复杂的工程技术问题奠定了基础。奠定了基础。1.1.4 水水力学的任务力学的任务 作为独立学科，在理论基础上可独立应用解决工程实际作为独立学科，在理论基础上可独立应用解决工程实际问题。问题。作为专业基础，可在诸多的领域中得到应用：航海航海船的航行；船的航行；水利水利引水、防洪；引水、防洪；动力动力水力发电；水力发电；机械机械液压传动、润滑；液压传动、润滑；石油石油固井、采油、输油；固井、采油、输油；化工化工分离、成型、输送；分离、成型、输送；海洋

5、海洋海流、潮汐、海浪；海流、潮汐、海浪；医疗医疗微循环、血液流变；微循环、血液流变；军事军事导弹、投弹、鱼雷；导弹、投弹、鱼雷；体育体育游泳、赛艇；游泳、赛艇；农业农业灌溉；灌溉；交通交通桥涵、港口；桥涵、港口；土木土木基坑排水、材料输送；环境基坑排水、材料输送；环境水污染治理；水污染治理；市政市政水源取水、水厂净化、管网输水、废水收集、水源取水、水厂净化、管网输水、废水收集、管渠输送、泵站提升以及污水厂处理等。管渠输送、泵站提升以及污水厂处理等。1.2 作用在液体上的力作用在液体上的力 取隔离体如图，并在隔离体表面取隔离体如图，并在隔离体表面根据作用方式，可分为两类。根据作用方式，可分为两类

6、。1.2.1 表面力（表面力（surface force）表面力表面力通过直接接触，施加在隔离体接触表面上的力。通过直接接触，施加在隔离体接触表面上的力。取微元面积取微元面积 A，若，若设设 作用在作用在A上的表面力为上的表面力为Fs，根据力的分解原理则有：根据力的分解原理则有：A上上Fs 的法向分力为的法向分力为FP；A上上Fs 的切向分力则为的切向分力则为FV。AFPFsFV为为A上的平均压应力，取极限上的平均压应力，取极限为为A点的压应力，又称点的压应力，又称A点的压强（点的压强（pressure）；同理同理 为为A点的切应力（点的切应力（shear stress）。应力的单位是帕斯卡（

7、应力的单位是帕斯卡（Pascal），），以符号以符号Pa表示。表示。水力学中，通常以单位面积表面力的大小水力学中，通常以单位面积表面力的大小应力来表应力来表1 Pa 相当于相当于 1 N/m2。示表面力，即示表面力，即 1.2.2 质量力（质量力（body force）质量力质量力施加在隔离体每个质点上的力，如重力。施加在隔离体每个质点上的力，如重力。质量力与隔离体的质量成正比。质量力的大小用单位质量力表示。设一均质隔离体质量为设一均质隔离体质量为m，所受质量力为所受质量力为Fb，则单则单位质量力为位质量力为 在在直角坐标系中有直角坐标系中有 于是于是 式中式中X、Y、Z 为单位质量力在各坐标

8、轴的分力。为单位质量力在各坐标轴的分力。若作用在液体上的质量力只有重力，如图所示。单位质量重力则分别为：z z单位质量力的单位为米每二次方秒（单位质量力的单位为米每二次方秒（m/s2）。）。y y x xmgmgo o质量力的三个分力分别为：质量力的三个分力分别为：密度的单位为千克每立方米密度的单位为千克每立方米（kg/m3）。常用液体的密度：4oC时水的密度时水的密度 水水=1000kg/m3；常温下水银的密度常温下水银的密度 汞汞=13600kg/m3。1.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质惯性（惯性（inertia）物体维持原有运动状态的性质。物体维持原有运动状态的性质。通常用质量

9、（通常用质量（mass）来衡量惯性大小。来衡量惯性大小。液体的惯性则用单位体积液体的质量液体的惯性则用单位体积液体的质量密度来衡量。密度来衡量。体积为体积为V、质量为质量为 m、均质液体的密度均质液体的密度（density）为为1.3.1 惯性惯性1.3.2 黏性（黏性（viscosity）液体流动时，质点之间会产生相对运动，产生摩擦阻力，液体流动时，质点之间会产生相对运动，产生摩擦阻力，从而阻碍流动。液体的这种性质为黏性。从而阻碍流动。固体运动时摩擦发生在边界，液体运动时摩擦发生在内固体运动时摩擦发生在边界，液体运动时摩擦发生在内部。因此，液体运动的摩擦又称内摩擦。摩擦阻力又称内摩部。摩擦阻

10、力又称内摩擦力或切力。擦力或切力。黏性是液体特有的性质。y yu uU Uy yy+y+d dy yu uu+u+d du u于是于是或或以应力表示以应力表示上式称为牛顿内摩擦定律。上式称为牛顿内摩擦定律。牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律内摩擦力内摩擦力 FV 的大小与的大小与（1）速度梯度速度梯度 du/dy 成正比；成正比；（2）液层的接触面积液层的接触面积 A 成正比；（3）液体的性质有关。液体的性质有关。根据大量实验，牛顿（根据大量实验，牛顿（I.Newton）在）在1686年提出：年提出：黏度黏度 在牛顿内摩擦定律中，比例系数在牛顿内摩擦定律中，比例系数又称为动力黏度又称为动力黏度（dy

11、namic viscosity），），单位是帕秒（单位是帕秒（Pa s）。动力黏度是液体黏性的度量，动力黏度是液体黏性的度量，值越大，液体黏性值越大，液体黏性越大，液体的流动性越差。越大，液体的流动性越差。有时，动力黏度有时，动力黏度和密度和密度经常以比的形式出现，经常以比的形式出现，也可用来描述液体的黏性，即也可用来描述液体的黏性，即 定义定义为运动黏度（为运动黏度（kinematic viscosity），），单位为单位为 液体的黏度与温度有关，温度越高，黏度越小液体的黏度与温度有关，温度越高，黏度越小。二次方米每秒（二次方米每秒（m2/s）。理想液体（理想液体（ideal liquid

12、or ideal fluid）液体黏性的存在，往往给运动规律的研究带来极大液体黏性的存在，往往给运动规律的研究带来极大困难，为简化理论分析，特引入理想液体的概念。困难，为简化理论分析，特引入理想液体的概念。理想液体理想液体不存在黏性，或黏度为零的液体。不存在黏性，或黏度为零的液体。1.3.3 压缩性压缩性（compressibility）压缩性指液体因压强增大，分子间距减小，体积缩小，压缩性指液体因压强增大，分子间距减小，体积缩小，密度增大的性质。密度增大的性质。液体的压缩性用压缩系数液体的压缩性用压缩系数表示。一定温度下，液体表示。一定温度下，液体体积为体积为V，压强增加压强增加dp后，体积减小后，体积减小dV，则压缩系数表示为则压缩系数表示为 不可压缩液体（不可压缩液体（incompressible liquid）密度等常数密度等常数的液体。的液体。1.3.4 表面张力（表面张力（surface tension）特性特性1.3.5 汽化压强（汽化压强（vapor pressure）特性特性 气蚀（气蚀（cavitation）毛细现象（毛细现象（capillarity）