水力学的任务及其发展概况

第一章绪论1-1水力学的任务及其发展概况1-2液体的主要物理性质及作用于液体上的力1-3液体的基本特征和连续介质的概念1-4水力学的研究方法返回目录一、水力学的任务:1、研究液体（主要是水）的平衡。2、液体机械运动的规律及其实际应用。1-1水力学的任务及其发展概况水力学：是一门技术基础学科，它是力学的一个分支。水力学所研究的基本规律:两大主要组成部分，水静力学和水动力学。1.水静力学：关于液体平衡的规律，它研究液体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于液体上的各种力之间的关系。2.水动力学：关于液体运动的规律，它研究液体在运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关系，以及液体的运动特性与能量转换等等。液体及不可压缩气体，主要是水。研究对象：1.都江堰位于都江堰城西岷江中上游,从成都往西北约57公里。都江堰是中国古代著名的一项水利工程，距今已有2200多年的历史。都江堰渠首枢纽主要由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三大主体工程构成。三者有机配合，相互制约,协调运行，引水灌田，分洪减灾，具有“分四六，平潦旱”的神奇功效，使中外专家、学者、和游人无不为之倾倒。渠首三大主体工程修建在岷江出山口处。都江堰是由渠首枢纽、灌区各级引水渠道，各类工程建筑物和大中小型水库和塘堰等所构成的一个庞大的工程系统，担负着四川盆地中西部地区7市（地）36县（市、区）1003万余亩农田的灌溉、成都市50多家重点企业和城市生活供水，以及防洪、发电、漂水、水产、养殖、林果、旅游、环保等多项目标综合服务，是四川省国民经济发展不可替代的水利基础设施，其灌区规模居全国之冠。二、水力学发展简史2.长江三峡整个工程包括一座混凝重力式大坝，泄水闸，一座堤后式水电站，一座永久性通航船闸和一架升船机。三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。大坝坝顶总长3035米，坝高185米，水电站左岸设14台，左岸12台，共表机26台，前排容量为70万千瓦的小轮发电机组，总装机容量为1820千瓦时，年发电量847亿千瓦时。通航建筑物位于左岸，永久通航建筑物为双线五包连续级船闸及早线一级垂直升船机。三峡工程正常蓄水位175m，汛期防洪限制水位145m，枯季消落最低水位155m，相应的总库容、防洪库容和兴利库容分别为393亿m3、221.5亿m3和165亿m3。三峡工程全称为长江三峡水利枢纽工程,位于湖北省宜昌市上游.一、液体的质量与密度惯性力：当液体受外力作用使运动状态发生改变，由于液体的惯性引起对外界抵抗的反作用力。单位：量纲：1-2液体的主要物理性质及作用于液体上的力FmaN-2MLT一个标准大气压下，温度为。蒸馏水密度为。密度：是指单位体积液体所含有的质量。国际单位：量纲：31000kg/m3kg/m-3MLC4mV二、万有引力特性，重力与容重万有引力：是指任何物体之间相互具有吸引力的性质，其吸引力称为万有引力。重力：地球对物体的引力称为重力，或称为重量。大小为：，：重力加速度。液体的容重：（以表示），是指单位体积液体所具有的重量。对某一重量为，体积为的均质液体，其容重为则国际单位：容重的量纲：MgGg3N/m2-2MLSGVVG三、粘滞性与粘滞系数1.粘滞性及粘滞力：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粘滞性，此内摩擦力又称为粘滞力。动力粘滞系数，随液体种类不同而异的比例系数。国际单位：牛顿•秒／米2tyuddddyudd科学实验证明：2.牛顿内摩擦定律：2s/mN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。:ddyu:ddt:流速梯度。剪切变形速度。为运动粘滞系数，国际单位：米2／秒。s)/m(2牛顿内摩擦定律适用条件：只能适用于牛顿流体。pVVkddk四、压缩性及压缩系数压缩性：液体受压后体积要缩小，压力撤除后也能恢复原状，这种性质称为液体的压缩性或弹性。用体积压缩率或体积模量k来描述液体的压缩性。为体积压缩系数，单位为米2／牛顿（m2/N）。kkK1K单位：牛顿／米2（N/m2）。K值越大，表示液体愈不容易压缩。对一般水利工程来说，认为水不可压缩是足够精确的。但对个别特殊情况，必须考虑水受压后的弹力作用。表面张力系数是指在自由面单位长度上所受拉力的数值。五、表面张力及表面张力系数表面张力：自由表面上液体分子由一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。表面张力仅在自由表面存在，液体内部并不存在。大小：用表面张力系数来度量。单位：牛顿／米（N/m）。毛细管现象表面张力示意图作用于液体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力。例如摩擦力、水压力。六、作用于液体上的力按物理性质：重力、惯性力、弹性力、摩擦力、表面张力。按作用方式不同可分：表面力和质量力。1、表面力表面力：MFf,MFfxx,MFfyy,MFfxz2、质量力质量力：是指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。如重力、惯性力。质量力具有和加速度一样的量纲（L/T2）。1-3液体的基本特征和连续介质的概念一、液体的基本特征自然界的物质存在形式：固体、液体和气体，其中液体和气体统称流体。（1）固体和流体的主要区别在于变形性（2）液体和固体的主要区别在于压缩性1-3液体的基本特征和连续介质的概念二、连续介质的概念概念的提出：类比于空气分子。连续介质的概念：即假设液体是一种连续充满其所占据空间毫无空隙的连续体。特点：液流中的一切物理量都可以视为空间坐标和时间的连续函数，因而可采用连续函数的分析方法。长期的生产和科学实验证明：利用连续介质假定所得出的有关液体运动规律的基本理论与客观实际是十分符合的。三、理想液体的概念在水力学中液体分为理想液体和实际液体。理想液体：就是把水看作绝对不可压缩、不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的连续介质。有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主要差别。理想液体在水动力学中才有意义，在水静力学中理想液体和实际液体是相同的1-4水力学的研究方法一、科学试验二、理论分析三、数值模拟一、科学试验1、原型观测2、模型试验3、系统试验1、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。2、模型试验当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法解决时采用。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。3、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2211AAQ21222222111122whggpzggpzFQ)(1122二、理论分析经典力学的基本原理：牛顿的三大定律、动量守恒定律、能量守恒定律水流运动的基本方程式：连续性方程能量方程动量方程先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技术。三、数值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。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。