水力學(xué)

ShuiLiXue

土木教研室

目錄

Contents第一章緒論■

第二章水靜力學(xué)■

第三章水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)■

第四章液流型態(tài)及水頭損失■

第五章孔口、管嘴恒定出流和有壓管道恒定流■

第六章明渠恒定均勻流■

第七章明渠恒定非均勻流■

第八章堰流■第九章滲流■江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室江西理工大學(xué)環(huán)境與建筑工程學(xué)院第一節(jié)水力學(xué)的定義與任務(wù)□

第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)□

第三節(jié)作用于液體的力□第四節(jié)水力學(xué)的研究方法□第一章緒論第一節(jié)水力學(xué)的定義與任務(wù)一、水力學(xué)定義

△二、水力學(xué)的任務(wù)

△返回江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室一、水力學(xué)定義：第一節(jié)水力學(xué)的定義與任務(wù)

1.水力學(xué)是用實(shí)驗(yàn)和理論分析的方法，研究以水為代表的液體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程中應(yīng)用的一門科學(xué)。

2.自然界物質(zhì)存在的一般形式有三種，即固體、液體和氣體。液體和氣體統(tǒng)稱為流體，在性質(zhì)上有許多異同之處，在一定條件下，水力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也適用于氣體運(yùn)動(dòng)。從力學(xué)分析角度上看，流體與固體的主要區(qū)別在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同。固體可以抵抗一定的拉力、彈性力學(xué)等等。固體當(dāng)外力作用時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的變形，相應(yīng)的科學(xué)有材料力學(xué)、彈性力學(xué)等。流體幾乎不能承受拉力，處于靜止?fàn)顟B(tài)下的流體還不能抵抗剪力，即流體在很小剪力作用下將發(fā)生連續(xù)不斷的變形，流體的這種特性稱為：易流動(dòng)性。至于液體和氣體的差別在于氣體易于壓縮，而液體難于壓縮。由于液體所具有的物理力學(xué)特性與固體和氣體不同，在科學(xué)發(fā)展中，逐漸形成了水力學(xué)這樣一門科學(xué)。返回江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第一節(jié)水力學(xué)的定義與任務(wù)二、水力學(xué)的任務(wù)

水力學(xué)課程是土木工程專業(yè)（包括公路與城市道路、橋梁、交通工程專業(yè)）的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，側(cè)重介紹有關(guān)基本原理與方法，為專業(yè)課作前期基礎(chǔ)理論應(yīng)用訓(xùn)練及業(yè)務(wù)素質(zhì)的培養(yǎng)。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?？偟恼f來：水力學(xué)的研究方法包含理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與補(bǔ)充、并利用現(xiàn)代化的電子技術(shù)快速求解。水力學(xué)的相關(guān)應(yīng)用主要有：1.在土建工程中的應(yīng)用。如路基排水、地下水滲透、海洋平臺(tái)在水中的浮性和抵抗外界擾動(dòng)的穩(wěn)定性等。2.在市政工程中的應(yīng)用。如橋涵孔徑設(shè)計(jì)、給水排水、管網(wǎng)計(jì)算、泵站和水塔的設(shè)計(jì)、隧洞通風(fēng)等。3.城市防洪工程中的應(yīng)用。如堤、壩的作用力與滲流問題、防洪閘壩的過流能力等。江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室水力學(xué)水動(dòng)力學(xué)水靜力學(xué)靜水壓力靜水壓強(qiáng)三大控制方程動(dòng)量守恒：動(dòng)量方程能量守恒：能量方程質(zhì)量守恒：連續(xù)方程江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室返回內(nèi)容構(gòu)成：第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)

一、液體的連續(xù)介質(zhì)模型

流體是由大量做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子組成的，分子之間存在空隙，但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體中含有3.3×1022個(gè)左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.1×10-8cm。

考慮宏觀特性，在流動(dòng)空間和時(shí)間上所采用的一切特征尺度和特征時(shí)間都比分子距離和分子碰撞時(shí)間大得多。宏觀：微觀：江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)

2.優(yōu)點(diǎn)1.定義

連續(xù)介質(zhì)（continuum/continuousmedium）：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿所占空間的流體或固體。

連續(xù)介質(zhì)模型（continuumcontinuousmediummodel）：把液體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)的整個(gè)空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型：u=u(t,x,y,z)。排除了分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。物理量作為時(shí)空連續(xù)函數(shù)，則可以利用連續(xù)函數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來研究問題。

江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)

二、液體的主要物理性質(zhì)1.質(zhì)量☆3.牛頓內(nèi)摩擦定律——液體的易動(dòng)性與粘滯性☆2.重量和重度☆4.壓縮性☆5.氣化特性和表面張力☆江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室

□對(duì)于非均質(zhì)液體，密度隨點(diǎn)而異。若取包含某點(diǎn)在內(nèi)的體積，其中質(zhì)量，則該點(diǎn)密度需要用極限方式表示第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)

一切物質(zhì)都具有質(zhì)量，液體也部例外。質(zhì)量是物質(zhì)的基本屬性之一，是物體慣性大小的量度，質(zhì)量越大，慣性也越大。單位體積流體的質(zhì)量稱為密度或容重、重率，以r表示，單位：kg/m3。1.質(zhì)量

對(duì)于一般液體：式中：V——液體體積

t——

時(shí)間□對(duì)于均質(zhì)液體，設(shè)其體積為V，質(zhì)量m，則為密度（1—1）返回江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)2.重量和重度

液體所受地球的引力，稱為重力，常用符號(hào)G表示。單位體積中的液體重力，稱為重度，又稱容重、重率，常用符號(hào)r表示。

按定義有：均勻液體：非均勻液體：與密度情況類似，在水力計(jì)算中常把液體看成均質(zhì)體，并取r＝常數(shù)(const)，且有：（1—2a）（1—2b）（1—2c）返回□□江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)3.牛頓內(nèi)摩擦定律——液體的易動(dòng)性與粘滯性易動(dòng)性：靜止時(shí)，液體所不能受切力、抵抗剪切變形的特性。粘滯性：在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，液體所具有的抵抗剪切變形的能力。

在剪切變形過程中，液體質(zhì)點(diǎn)間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使液體不但在與固定接觸的界面上存在切力，而且在液體內(nèi)部的的流層間也會(huì)出現(xiàn)成對(duì)的切力，此稱為液體內(nèi)摩擦力。它是液體分子間動(dòng)量交換和內(nèi)聚力作用的結(jié)果。當(dāng)溫度增高時(shí),液體分子間距增大，內(nèi)聚力小，而動(dòng)量交換對(duì)，液體的粘性作用不大，因此液體的粘滯性隨溫度升高而減??；氣體也有粘滯性，當(dāng)溫度升高時(shí)動(dòng)量加劇，因而粘滯性將隨溫度升高而增大。通常壓強(qiáng)對(duì)粘滯性的影響不大，可以忽略不計(jì)。由于液體中存在粘滯性，運(yùn)動(dòng)液體需要克服內(nèi)摩擦力作功，因此它也是運(yùn)動(dòng)液體機(jī)械能損失的根源。江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室1686年，牛頓(Newton)，通過著名的平板實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了流體的粘滯性，提出了牛頓內(nèi)摩擦定律。第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)

牛頓的平板實(shí)驗(yàn)裝置如圖1-1a)所示。它由兩平行平板組成，其間距為h，其中充滿了液體，上板可作平行滑動(dòng)，下板固定不動(dòng)。上板受力F后可作水平方向滑動(dòng)，當(dāng)上板出現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，顯然，應(yīng)有F=T，此處T為液層間的內(nèi)摩擦力，其隔離體如圖1-1b)所示，因此，液體的內(nèi)摩擦力T可以通過外加力F的大小測得。當(dāng)上板以勻速U作水平滑動(dòng)時(shí)，緊貼板面的液體將隨板作同樣速度運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)U不大時(shí)，沿y軸方向液體中各點(diǎn)流速u一般呈線性分布(如圖1-1c)所示。有圖1-1江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室（1-3）第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室

設(shè)平板面積為A，牛頓實(shí)驗(yàn)得出液體內(nèi)摩擦力關(guān)系有：第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)

由此就有：（1-4）式中：τ——液體內(nèi)摩擦切應(yīng)力；—

流速梯度，流速沿y方向的變化率；μ——?jiǎng)恿φ扯?，又稱絕對(duì)粘度或動(dòng)力粘滯系數(shù)，其單位為：帕斯卡·秒，即[Pa﹒s]或[（N/m2）﹒s]T∝江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)

公式1—4即牛頓內(nèi)摩擦定律。在水力計(jì)算中，ρ與μ常在同一公式中出現(xiàn)，為簡化計(jì)，有：γ=μ/ρ

式中：γ——

液體的運(yùn)動(dòng)桔度，又稱粘滯運(yùn)動(dòng)系數(shù)，其單位為米2／秒。（1-4）返回江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)4.壓縮性

液體宏觀體積可隨壓強(qiáng)增大而減小的特性，稱為壓縮性；解除外力后又能恢復(fù)原狀的特性，稱為彈性。

液體的壓縮性和彈性，常用壓縮系數(shù)K和彈性系數(shù)E表示。（1-5）式中：K——壓縮系數(shù)(m’／N)E——彈性系數(shù)；

ρ——液體密度；

V——液體體積；

p——外加壓強(qiáng)。江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)K值越大，液體越易壓縮，E值越大，液體越不易壓縮。同一種液體的K和E值也隨壓強(qiáng)和溫度而略有變化，因此液體并不完全符合彈性體的虎克定律。因dV與dp的符號(hào)相反，為使β和E保持正值，故式中引入負(fù)號(hào)。通常，在水力學(xué)中，常把液體看成為不可壓縮的，并以不可壓縮液體作為簡化理論分析的物理模型。返回江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)5.氣化特性和表面張力液體分子逸出液面向空間擴(kuò)散的現(xiàn)象，稱為氣化。沿液體自由表面，液體分子引力所產(chǎn)生的張力，稱為表面張力。液體氣化為蒸氣，蒸氣凝結(jié)又可成為液體，其中凝結(jié)是氣化的逆過程。a.氣化和凝結(jié)：在液體中，氣化和凝結(jié)同時(shí)存在，當(dāng)這兩個(gè)過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，宏觀氣化現(xiàn)象隨之停止，此時(shí)液體的絕對(duì)壓強(qiáng)(即液體中的實(shí)有壓強(qiáng))稱為氣化壓強(qiáng)或飽和蒸氣壓強(qiáng)，常用ps表示。液體的氣化壓強(qiáng)與溫度有關(guān)。液體發(fā)生氣化的條件是：

液體氣化，不但可發(fā)生在液面，而且也可以發(fā)生在液體內(nèi)部。液體氣化即在其內(nèi)部出現(xiàn)氣體空泡，又稱為空泡或空化現(xiàn)象，它可造成虹吸管真空條件破壞而中斷流動(dòng)，也可造成水泵工作破壞、對(duì)固體邊壁產(chǎn)生破壞性的氣蝕現(xiàn)象及引起建筑物震動(dòng)等。因此，預(yù)防氣化出現(xiàn)則是水力計(jì)算的問題之一。江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第二節(jié)液體的主要物理性質(zhì)b.液體表面張力

表面張力常用表面張力系數(shù)σ來度量。單位長度的表面張力，稱為表面張力系數(shù)，其單位為N／m，它隨液體種類和溫度而變化。水的表面張力系數(shù)，當(dāng)t＝20℃時(shí)，σ

＝0.074N／m；水銀，σ

＝0.54N／m。表面張力的作用是使液面拉緊，促使體積很小的液體形成球狀液滴。它的作用不但可發(fā)生在氣體與液體分界的自由表面，也可發(fā)生在不同液體相接觸的界面處，還可發(fā)生在液體與固體接觸的界面上。表面張力可導(dǎo)致液體內(nèi)部產(chǎn)生附加壓強(qiáng)，對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)裝置不可忽視。例如P9圖1—5。一般土木工程問題，由于表面張力很小，而且它只在液體界面上起作用，液體內(nèi)部并不存在其作用，因此常忽略不計(jì)。但在研究雨滴的形成，水舌簿面曲率大的過堰水流，以及波長較小(小于4cm一7cm)的微幅波運(yùn)動(dòng)中，表面張力的影響不可忽略。返回江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第三節(jié)作用于液體的力由前可知，分析液體微元隔離體的平衡或運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并從中建立基本方程，這是水力學(xué)的基本研究手段。所謂作用在液體上的力，即作用在隔離體上的外力。按力的物理性質(zhì)區(qū)分可有粘性力、重力、慣性力、彈性力和表面張力等，按力的作用特點(diǎn)區(qū)分可有質(zhì)量力和表面力兩類。一、質(zhì)量力作用在液體每一質(zhì)點(diǎn)上，其大小與受作用液體質(zhì)量成正比例的力，稱為質(zhì)量力。在均質(zhì)液體中，質(zhì)量與體積成正比，則此時(shí)的質(zhì)量力必與液體體積成正比，故又稱體積力。水力學(xué)中常退的質(zhì)量力有重力和慣性力。設(shè)液體的質(zhì)量為m，加速度為a，則其所受質(zhì)量力有：F1=-maF2=-mg上式表示液體所受的質(zhì)量力與加速度a或重力加速g的方向相反。水力學(xué)中隔離體外力常采用單位質(zhì)量力f作受力分析。設(shè)液體所受質(zhì)量力為F，質(zhì)量為m，則

f=F/m設(shè)F在三坐標(biāo)軸上有三個(gè)分量，則可以得出公式。江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第三節(jié)作用于液體的力二、表面力

作用于液體隔離體表面上的力，稱為表面力。按液體的物理性質(zhì)，液體界面上的拉力可以忽略不計(jì)，只有壓力和切力兩類。它是相鄰液體或固體邊壁與隔離體界面問相互作用的結(jié)果。按連續(xù)介質(zhì)假說，表面力應(yīng)連續(xù)分布在隔離體表面上，由于液體不能承受集中力，對(duì)隔離體表面某點(diǎn)所受的外力，只能用應(yīng)力形式表示，即江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第三節(jié)作用于液體的力

由此可知，液體的平衡與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只是上述質(zhì)量力與表面力相互作用的結(jié)果。顯然，在靜止液體或無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的液體中t＝o，此時(shí)作用于隔離體表面的表面力只有壓力。返回江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第四節(jié)水力學(xué)的研究方法

一、理論研究方法☆

三、數(shù)值研究方法☆

二、實(shí)驗(yàn)研究方法☆江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院土木教研室第四節(jié)水力學(xué)的研究方法一、理論研究方法

理論方法是通過對(duì)液體物理性質(zhì)和流動(dòng)特性的科學(xué)抽象（近似），提出合理的理論模型。對(duì)這樣的理論模型，根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，建立控制液體運(yùn)動(dòng)的閉合方程組，將原來的具體流動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，在相應(yīng)的邊界條件和初始條件下求解。理論研究方法的關(guān)鍵在于提出理論模型，并能運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果，達(dá)到揭示液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的。但由于數(shù)學(xué)上的困難，許多實(shí)際流動(dòng)問題還難以精確求解。