水力学讲稿.docVIP

第1章 绪论 §1.1概述 1.1.1 水力学的任务 　　流体是人类生活和生产中经常遇到的物质形式，因此许多科学技术部门都和水力学有关。例如水利工程、土木建筑、交通运输、机械制造、石油开采、化学工业、生物工程等都有大量的流体问题需要应用流体力学的知识来解决，事实上，目前很难找到与流体力学无关的专业和学科。水力学的相关应用主要有： 　　1.在土建工程中的应用。如路基排水、地下水渗透、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等。　　2.在市政工程中的应用。如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、泵站和水塔的设计、隧洞通风等。　　3.城市防洪工程中的应用。如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能力等。 1.1.2 水力学的发展历史 水力学的发展在时间上可以追溯到很久以前，尤其是我国的水利事业的历史十分悠久。四千年前的“大禹治水”，就已认识到治水必须顺水之性，应引导疏通；我国历史上的三大水利工程都江堰、郑国渠、灵渠，距今2210-2250多年，当时对明渠水流和堰流的认识都已经达到了相当高的水平，尤其是都江堰，为世界著名治水工程的历史典范，颂扬至今。　　流体力学的理论发展主要是从牛顿时代开始的，1687年牛顿的名著《原理》讨论流体的阻力、波浪运动等内容，使流体力学开始变为力学中的一个独立分支。接着1783年瑞士数学家伯诺里在名著《流体动力学》中提出了伯诺里方程；1755年欧拉在名著《流体运动的一般原理》中提出理想流体概念，并建立了理想流体基本方程和连续方程，同时提出了速度势的概念；1781年拉格朗日首先引进了流函数的概念；1826年法国工程师Navier，1845年英国数学家、物理学家Stokes提出了著名的N-S方程；1876年雷诺发现了流体流动的两种流态：层流和紊流；1858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论，并于1887年提出了脱体绕流理论；十九世纪末，相似理论提出，使实验和理论分析紧密结合；1904年普朗特提出了边界层理论；二十世纪六十年代以后，计算问题得到了很大的发展，流体力学不断地得到了完善与提高。 1.1.3 液体的连续介质模型 宏观（流体力学处理问题的尺度）上看,流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。 微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分 子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。 连续介质假设将流体区域看成由流体质点连续组成，占满空间而没有间隙，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。 连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，所以统称为“连续介质力学”。除了个别情形外，连续介质假设是合理的。 以密度为例，考察物理量是怎样定义在流体质点上的。若 流体微团的体积为，质量为，则流体质点密度为 . 其中 的含义应理解为流体微团趋于流体质点。 连续介质假设为建立流场的概念奠定了基础：设在t时刻，有某个流体质点占据了空间点(x,y,z)，将此流体质点所具有的某种物理量（数量或矢量）定义在该时刻和空间点上，根据连续介质假设，就可形成定义在连续时间和空间域上的（数量或矢量）场。 1.1.4 水力学的研究方法 1、科学试验 　科学试验包括原型观测、系统试验、模型试验。 2、理论分析　 3、数值模拟 1.2.5 表面张力特性 1、定义：液体表面由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上力. 2、大小：用表面张力系数（N/m）表示，是指自由液面上单位长度所受到的表面张力。 3、毛细管现象： §1.3 作用在液体上的力 流体不能承受集中力，只能承受分布力。分布力按表现形式又分为：质量力、表面力。 质量力： 分布在流体质量（体积）上，是一种远程力。我们定义的质量力为力的质量密度，即单位质量流体所承受的质量力。 设体积为的流体团，其质量为，所受质量力为，则  这里的含义，按连续介质假设，即为流体团趋于流体质点。所以质量力是定义在流体质点上的。 表面力： 分布在流体面上，是一种接触力。定义表面力的面积密度，即单位面积上流体所承受的表面力为应力。 设面积为的流体面元，法向为，所受面力为，则应力  这里的含义为面元趋于面元上的某定点，所以应力是定义在流体面上一点处的。同一点处的应力还与作用面的方位有关，所以须将作用面的法向用脚标指明。 应力是矢量，可向作用面的法向或切向投影，分解成法应力和切应力。 凡谈及应力，应注意明确以下几个要素： 哪一点的应力； 哪个方位作用面上的应力； 作用面的哪一侧流体是研究对象（面力的受体），决定外法线的指向； 应力在哪个方向上的分量。