水力學(xué)-第一章緒論

1、2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)1水力學(xué)與橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)公路災(zāi)害防治研究所 齊洪亮2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)2水力學(xué)與橋水力學(xué)與橋涵水文涵水文是橋是橋梁、公路與城梁、公路與城市道路等相關(guān)市道路等相關(guān)交通工程專(zhuān)業(yè)交通工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)的一門(mén)技術(shù)基技術(shù)基礎(chǔ)課礎(chǔ)課，側(cè)重介，側(cè)重介紹有關(guān)基礎(chǔ)原紹有關(guān)基礎(chǔ)原理與方法，以理與方法，以解決工作中的解決工作中的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)為橋涵水力學(xué)為橋涵孔徑、管道渠孔徑、管道渠道等的設(shè)計(jì)提道等的設(shè)計(jì)提供基本理論。供基本理論。水文學(xué)水文學(xué)水文分析與計(jì)水文分析與計(jì)算的結(jié)果則是算的結(jié)果則是水力學(xué)理論計(jì)水力學(xué)理論計(jì)算必不可少的算必不可少的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。橋涵設(shè)

2、計(jì)橋涵設(shè)計(jì)水力水文計(jì)算水力水文計(jì)算結(jié)果則是橋涵結(jié)果則是橋涵布設(shè)與結(jié)構(gòu)設(shè)布設(shè)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。計(jì)的依據(jù)。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)32021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)42021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)52021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)6教材：水力學(xué)、橋涵水文（第四版），主編：王亞玲；人民交通出版社；課時(shí)：64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)；成績(jī)構(gòu)成：考試（70%）+實(shí)驗(yàn)（20%）+作業(yè)（10%）2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)7第一章 緒論齊洪亮p水力學(xué)及其應(yīng)用p液體的主要物理性質(zhì)p連續(xù)介質(zhì)和理想液體p作用在液體上的力2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)9水力學(xué)屬于物理學(xué)中力學(xué)的一個(gè)分支;它的任務(wù)是以水為模型研究液體平衡與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、側(cè)重于演繹

3、推導(dǎo)及原理方法的應(yīng)用;在交通土建、市政工程、水利、環(huán)境保護(hù)、機(jī)械制造、石油工業(yè)、金屬冶煉、化學(xué)工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)10水力學(xué)：主要研究以水為代表的液體的平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科。從學(xué)科的角度來(lái)看，水力學(xué)是介于基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)之間的一門(mén)科學(xué)。一方面根據(jù)基礎(chǔ)科學(xué)中的普遍規(guī)律，結(jié)合水流特點(diǎn)，建立理論基礎(chǔ)，同時(shí)又緊密聯(lián)系工程實(shí)踐發(fā)展學(xué)科內(nèi)容。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)11p水力學(xué)廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)12常見(jiàn)水力學(xué)問(wèn)題p構(gòu)筑物（大壩、擋墻等）所受的水力荷載p構(gòu)筑物（涵洞、河渠等）的過(guò)水能力p水流的流動(dòng)形態(tài)及水面曲線 p

4、水流的能量消耗及下游建筑物的消能p水力學(xué)的主要研究課題：2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)13n作用于建筑物表面上靜水總壓力n水動(dòng)力學(xué)基本定律n明渠流n泄水建筑物下游的水流銜接與消能n堰流及小橋涵水力計(jì)算p水力學(xué)的發(fā)展：2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)14水力學(xué)古代水力學(xué)（以沒(méi)有阻力的“理想液體”為研究對(duì)象） 數(shù)學(xué)家或者物理學(xué)家，理論“水動(dòng)力學(xué)”或古典流體力學(xué)伯努利（D.I.Bernouli），1738年理想流體運(yùn)動(dòng)的能量方程；歐拉（L.Euler），1755年理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程土木工程師，實(shí)驗(yàn)水力學(xué)皮托（H.Pitot）（1732年皮托管）、謝才（A.de Chezy）（1769年謝才公式）、達(dá)西（H.

5、Darcy）（1856年的達(dá)西定律）、雷諾（O.Reynolds）（1883年提出的雷諾試驗(yàn)）現(xiàn)代水力學(xué)（以有阻力的“實(shí)際液體”為研究對(duì)象） 實(shí)驗(yàn)水力學(xué)p水力學(xué)的主要研究方法：2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)15 通過(guò)對(duì)液體物理性質(zhì)和流動(dòng)特性的科學(xué)抽象（近似），提出合理的理論模理論模型型。根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，將具體流動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，在相應(yīng)的邊界條件和初始條件下求解。關(guān)鍵在于提出理論模型。但由于數(shù)學(xué)上的困難，許多實(shí)際流動(dòng)問(wèn)題還難以精確求解。質(zhì)量守恒、能量轉(zhuǎn)化與守恒等。質(zhì)量守恒、能量轉(zhuǎn)化與守恒等。理論研究方法 應(yīng)用流體力學(xué)是一門(mén)理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的基礎(chǔ)學(xué)科。它的許多實(shí)用公式和系數(shù)都是由實(shí)驗(yàn)得來(lái)

6、的。至今，工程中的許多問(wèn)題，還要借助實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)修正。試驗(yàn)方法：原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)理論：相似理論、試驗(yàn)方法：原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)理論：相似理論、量綱分析（因次分析）。量綱分析（因次分析）。實(shí)驗(yàn)研究方法 在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采用各種離散化方法（有限差分法、有限元法等），建立數(shù)值模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)值實(shí)驗(yàn)，最終獲得定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解。近二三十年來(lái)，這一方法得到很大發(fā)展，已形成專(zhuān)門(mén)學(xué)科計(jì)算流體力學(xué)。計(jì)算流體力學(xué)。數(shù)值研究方法 2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)16一、一、量綱量綱：表示物理量的特征。量綱的分類(lèi)：量綱的分類(lèi)：基本量綱和導(dǎo)出量綱。1 1、基本量綱：、基本

7、量綱：必須具有獨(dú)立性，即一個(gè)量綱不能從其它基本量綱推導(dǎo)出來(lái)，也就是不依賴于其它基本量綱。如如L、T和M是相互獨(dú)立的，不能從L、T中得出M，也不能從M、T中得出L，但L、T和速度的量綱V就不是相互獨(dú)立的，因?yàn)閂=L/T。如：長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等。在科學(xué)文獻(xiàn)中，一般用符號(hào)來(lái)表示量綱。例如：長(zhǎng)度或L、 時(shí)間或T 、質(zhì)量或M 。量綱和單位量綱和單位2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)17量綱和單位量綱和單位2 2、導(dǎo)出量綱：、導(dǎo)出量綱：其它物理量的量綱可以由基本量綱推導(dǎo)出來(lái)。如：X為任意物理量，其量綱可表示為：X=LTM又如：面積A=L2T0M0、速度V=L1T-1M0二、二、單位單位：表征物理量的大小。國(guó)際單位

8、制（SI）：米、秒、公斤。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)18一、液體的一、液體的密度和重度密度和重度1、均質(zhì)液體單位體積內(nèi)所含的質(zhì)量即：VMM-均質(zhì)液體的質(zhì)量V-該質(zhì)量的液體所占的體積國(guó)際單位：公斤/米3 （ kg/m3）2、非均質(zhì)液體中，各點(diǎn)的密度不同；均質(zhì)液體的重度是：?jiǎn)挝惑w積的液體的重量。gVmg國(guó)際單位：牛頓/米3 （N/m3) 2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)191、壓縮性：受壓時(shí)體積縮小、除壓后體積恢復(fù)的性質(zhì)。二、二、液體的液體的壓縮性和膨脹性壓縮性和膨脹性2、壓縮系數(shù)：衡量壓縮性的大小，用表示（m2/N）。即：每增加單位壓力，體積壓縮的相對(duì)值。dpVdV體積彈性模量E：體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)。

9、1d pEd VV 水的壓縮性很小，增加一個(gè)大氣壓，水的體積相對(duì)壓縮值為1/20000，故認(rèn)為水是不可壓縮的液體不可壓縮的液體。 3、膨脹性：在一定的壓強(qiáng)下，溫度增加1度，體積的相對(duì)增加率。td VVd t2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)20三、粘滯性三、粘滯性 當(dāng)液體處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，若液體質(zhì)點(diǎn)之間存在著當(dāng)液體處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，若液體質(zhì)點(diǎn)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)，則質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)生生內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種性質(zhì)稱(chēng)為液體的抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種性質(zhì)稱(chēng)為液體的粘滯性粘滯性。 又稱(chēng)為粘滯力又稱(chēng)為粘滯力牛頓平板實(shí)驗(yàn)：牛頓平板實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)表明:內(nèi)摩擦力與相鄰運(yùn)動(dòng)液體層的接觸面積成正比、與速

10、度梯度成正比、與液體性質(zhì)有關(guān)、與壓力的大小無(wú)關(guān)。牛頓內(nèi)擦牛頓內(nèi)擦定律定律: : duTAdyTduAdy注意：（1）對(duì)于平衡液體，du/dy =0，所以在平衡液體中不呈現(xiàn)內(nèi)摩擦力。 （2）在水力學(xué)中，為了簡(jiǎn)化分析，引入沒(méi)有粘性的理想液體模型， 即=0，從而 =0。在研究“實(shí)際液體”時(shí)，必須考慮粘性引起的偏差。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)21液體的粘滯性特征用表示，數(shù)值越大粘性越大，稱(chēng)為動(dòng)力粘滯系數(shù)。水力學(xué)中，常與液體的密度同時(shí)出現(xiàn)，故引入運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)綜合反映液體的粘滯性和慣性性質(zhì): = /，單位：m2/s運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)的主要影響因素：液體的種類(lèi)、液體的溫度。對(duì)于水20.017751 0.03370

11、.000221tt式中水溫t以C計(jì)，以cm2/s計(jì)。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)22例1-1. 一底面積為40cm45cm，高1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿著涂有潤(rùn)滑油的斜面等速向下運(yùn)動(dòng)。已知速度v=1m/s，=1mm，求潤(rùn)滑油的動(dòng)力粘度系數(shù)。dydu/45. 040. 0vdyduAT解：設(shè)木塊所受的摩擦力為T(mén)。 木塊均勻下滑, T - Gsin=0 T=Gsin=59.85/13=18.8N 又有牛頓剪切公式=T/(Av)=18.80.001/(0.400.451)=0.105PaS吹肥皂泡的少年法夏爾丹液體表層的分子受到上下兩側(cè)分子的引力不同，在引力合力的作用下，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮

12、小的趨勢(shì)，液體表面仿佛是一張拉緊的彈性膜。從宏觀上看，這種存在于液體表面上的拉力稱(chēng)為液體的表面張力。表面張力系數(shù)，單位為N/m，隨液體種類(lèi)和溫度而變化。t=20時(shí)，水=0.074N/m ；水銀=0.54N/m。水力學(xué)中通常不考慮，在實(shí)驗(yàn)室和地下水等表面張力影響較為顯著時(shí)，不能忽略。日常生活中常見(jiàn)的表面張力現(xiàn)象：水面高于碗口而不溢出等。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)23四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象1F2FNM表面張力決定了液體和固體接觸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不浸潤(rùn)和浸潤(rùn)兩種現(xiàn)象。液體的浸潤(rùn)性是相對(duì)的。毛細(xì)現(xiàn)象：侵潤(rùn)液體在細(xì)管內(nèi)液面升高的現(xiàn)象和不侵潤(rùn)液體在細(xì)管內(nèi)液面降低的現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：液體

13、分子內(nèi)聚力與液體固體界面附著力的差異。生活中常見(jiàn)的毛細(xì)現(xiàn)象、利弊及預(yù)防。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)24四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)水能上升多高呢？毛細(xì)水能上升高度與哪些因素有關(guān)呢？設(shè)毛細(xì)管半徑為r，表面張力為T(mén)，液面與固體界面接觸角為，表面張力系數(shù)為，液柱上升高度為H，當(dāng)液柱重力G與表面張力垂直向上分力相等時(shí)，毛細(xì)上升結(jié)束，則：Tcos =2r cos =r2Hg=r2HH=2 cos /r，與管徑成反比。0（水）；=90時(shí)，液面為水平，H=0；90時(shí)，液面為凸形，H0（水銀）；2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)25四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象四、表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象2021-11-1長(zhǎng)安

14、大學(xué)261 1、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體微觀特征由大量分子組成，分子間距大，運(yùn)動(dòng)劇烈無(wú)規(guī)則分子間隙隨機(jī)變化，運(yùn)動(dòng)物理量時(shí)間、空間分布不連續(xù)流體理論研究特征從宏觀層面研究流體的力學(xué)行為，宏觀運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)微觀運(yùn)動(dòng)的平均情況宏觀研究結(jié)論能滿足實(shí)際精度要求，主要研究方法為高等數(shù)學(xué)1cm3 水中含有大約3.341022個(gè)分子分子間距約為：310-8cm分子直徑約為：410-8cm液體質(zhì)點(diǎn)完全充滿所占空間而沒(méi)有任何空虛存在，其物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)要素在空間和時(shí)間上都是連續(xù)分布的，滿足一定的物理定律。2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)272 2、理想液體、理想液體研究方法：先對(duì)理想液體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析，然后再用實(shí)驗(yàn)研

15、究方法檢驗(yàn)，并作必要的修正后，再應(yīng)用到實(shí)際液體中去。實(shí)際液體特征粘滯性壓縮性/膨脹性表面張力質(zhì)量力、重力理想液體特征沒(méi)有粘滯性不考慮壓縮性和膨脹性沒(méi)有表面張力僅有質(zhì)量力和重力2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)28由于研究對(duì)象的尺度較大，在水力學(xué)中，常常從液體中分離出一封閉表面所包圍的液體作為研究對(duì)象，研究其平衡或者運(yùn)動(dòng)規(guī)律。所以，作用在液體上的力，就是作用在隔離體上的力。按力的物理性質(zhì)，作用在液體上的力可以分為：重力、粘滯力、慣性力、壓力和表面張力等。方便起見(jiàn)，將其分為：表面力和質(zhì)量力。表面力：作用在隔離體表面上的力，是接觸性力，具有傳遞性。可以分為：法向力（垂直于隔離體表面，只能為壓力，壓應(yīng)力或者壓強(qiáng)）和切向力（平行于作用面，與液體的粘滯性有關(guān)，切應(yīng)力）。FPTAAV法向應(yīng)力pA周?chē)黧w作用的表面力切向應(yīng)力2021-11-1長(zhǎng)安大學(xué)29質(zhì)量力：作用在所取液體體積內(nèi)每一質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小與質(zhì)量成正比，稱(chēng)為質(zhì)量力，或者體