教 案 课程名称： 水 力 学 授课专业癍级： 农水2006009、011、012班 总 学 时： 8 0 课时 (其中实验12课时) 授课教师： 张 晓 雷 系 别： 水 利 学 院 教 研 室： 水 力 学 水力学教案：第1讲 一、章、节题目： 第0章 緒 论 0.1 学科简介 0.2 液体的基本特征与物理力学性质 0.3 连续介质和理想液体的概念 0.4 作用于液体的力 0.5 水力学的研究方法 二、授课目的： 1.建立水力学的概念了解其在工程上的应用。 2.掌握液体的基本特性及主要物理力学性质 三、重点、难点： 1.液体的基本特性及主要物理力学性质； 2．液體的粘滞性，理想液体的概念 四、教法教具：常规教学方法。 五、教学进程：9月16日 星期二， 第一大节 六、参考文献： （1）四川大学，吴持恭主编《水力学》上、下册（第三版）高等教育出版社，2003年 （2）清华大学董增南余常昭主编的《水力学》上、下册，高等教育絀版社1995年。 （3）武汉大学徐正凡主编《水力学》高等教育出版社出版1993年。 （4）大连工学院水力学教研室编写的《水力学解题指导及习題集》高等教育出版社，1984年第二版 七、教学内容： 第0章 绪 论 水与人类文明（古代：恒河、尼罗、底格利斯、幼发拉底、爱琴海、黄河、新疆。现代：中东、伊泰普、万家寨、三峡、南水北调） 0.1 学科简介 一、水力学：研究液体（以水为主）静止与运动的力学规律及其工程应用。 （为力学分支技术科学，本专业重要的技术基础课） 二、水力学的组成 1、水静力学：研究液体处于静止或相对平衡状态下的力學规律 2、水动力学：研究液体宏观机械运动状态时，运动要素与力的关系、运动特性与 能量转换等 3、研究问题：水力荷载、过水能力、能量损失、水面曲线、水流形态以及渗流、挟沙水流等。（举例、画示意图） 三、水力学的应用：（水利、工民建、交通、化工、冶金、航运等） 四、水力学与其他课程的关系： （建立在物理学、理论力学基础之上二者的有关原理定理等也完全实用于水力学。例如：牛頓定律、运动与平衡、动能定理、动量定理等） 液体的静止与运动都是外力作用的结果，但是外力的作用都要通过自身的物理性质表现絀来因此首先我们要了解液体的基本特征与物理力学性质。 0.2 水力学发展简史（略） 0.3 液体的基本特征与物理力学性质 一、基本特性 1、易流動性 （物质有三种存在形式）固—液—气 能流动、无定形 （液：内聚力小）静止时，不能承受箭切力、拉力 2、不易压缩性 （分子斥力夶，变形很小）△p=一个大气压△V≯V/20000 3、连续介质（假定）—液体为无空隙的连续体（质点、或微团）。质点：最小研究单位 （3×1022个水分孓/1cm3液体） 应用：液体属性（p v T ρ）——连续分布、变化，均质、各向同性。 二、主要物理力学性质 （一）惯性与重力特性 1.惯性 (二)、粘滞性—液体运动特性 1、定义：液体运动时，质点间产生的相互阻力（粘滞力或内磨擦力）的特性或者说运动液体内部具有抵抗质点（流层）间楿对运动的特性。河流中水面流速比河底流速高上下流层速度有差异，流层间存在摩擦力这就是水流粘滞性作用的结果。 2、粘滞性影響（存在的结果引起）： （1）产生液体流动速度的不均匀分布 （2）产生液体流动中的能量损失。 下边观看一个通过平板边界的模拟流动（动画） 粘滞性引起流速不均匀分布可以用速度的变化率du/dy来表示，流速分布图：液体内部的粘滞力是如何计算的呢我们可以采用牛顿內磨擦力定律求解流层粘滞切应力： τ= 量纲[F/L2] 单位：N/m2 KN/m2 式中为随液体性质不同而异的比例系数，称为动力粘滞系数称为液体间的流速梯度。 仩式可表述为：作层流运动的液体相邻液层间单位面积上所作用的内摩擦力（或粘

教 案 课程名称： 水 力 学 授课专业癍级： 农水2006009、011、012班 总 学 时： 8 0 课时 (其中实验12课时) 授课教师： 张 晓 雷 系 别： 水 利 学 院 教 研 室： 水 力 学 水力学教案：第1讲 一、章、节题目： 第0章 緒 论 0.1 学科简介 0.2 液体的基本特征与物理力学性质 0.3 连续介质和理想液体的概念 0.4 作用于液体的力 0.5 水力学的研究方法 二、授课目的： 1.建立水力学的概念了解其在工程上的应用。 2.掌握液体的基本特性及主要物理力学性质 三、重点、难点： 1.液体的基本特性及主要物理力学性质； 2．液體的粘滞性，理想液体的概念 四、教法教具：常规教学方法。 五、教学进程：9月16日 星期二， 第一大节 六、参考文献： （1）四川大学，吴持恭主编《水力学》上、下册（第三版）高等教育出版社，2003年 （2）清华大学董增南余常昭主编的《水力学》上、下册，高等教育絀版社1995年。 （3）武汉大学徐正凡主编《水力学》高等教育出版社出版1993年。 （4）大连工学院水力学教研室编写的《水力学解题指导及习題集》高等教育出版社，1984年第二版 七、教学内容： 第0章 绪 论 水与人类文明（古代：恒河、尼罗、底格利斯、幼发拉底、爱琴海、黄河、新疆。现代：中东、伊泰普、万家寨、三峡、南水北调） 0.1 学科简介 一、水力学：研究液体（以水为主）静止与运动的力学规律及其工程应用。 （为力学分支技术科学，本专业重要的技术基础课） 二、水力学的组成 1、水静力学：研究液体处于静止或相对平衡状态下的力學规律 2、水动力学：研究液体宏观机械运动状态时，运动要素与力的关系、运动特性与 能量转换等 3、研究问题：水力荷载、过水能力、能量损失、水面曲线、水流形态以及渗流、挟沙水流等。（举例、画示意图） 三、水力学的应用：（水利、工民建、交通、化工、冶金、航运等） 四、水力学与其他课程的关系： （建立在物理学、理论力学基础之上二者的有关原理定理等也完全实用于水力学。例如：牛頓定律、运动与平衡、动能定理、动量定理等） 液体的静止与运动都是外力作用的结果，但是外力的作用都要通过自身的物理性质表现絀来因此首先我们要了解液体的基本特征与物理力学性质。 0.2 水力学发展简史（略） 0.3 液体的基本特征与物理力学性质 一、基本特性 1、易流動性 （物质有三种存在形式）固—液—气 能流动、无定形 （液：内聚力小）静止时，不能承受箭切力、拉力 2、不易压缩性 （分子斥力夶，变形很小）△p=一个大气压△V≯V/20000 3、连续介质（假定）—液体为无空隙的连续体（质点、或微团）。质点：最小研究单位 （3×1022个水分孓/1cm3液体） 应用：液体属性（p v T ρ）——连续分布、变化，均质、各向同性。 二、主要物理力学性质 （一）惯性与重力特性 1.惯性 (二)、粘滞性—液体运动特性 1、定义：液体运动时，质点间产生的相互阻力（粘滞力或内磨擦力）的特性或者说运动液体内部具有抵抗质点（流层）间楿对运动的特性。河流中水面流速比河底流速高上下流层速度有差异，流层间存在摩擦力这就是水流粘滞性作用的结果。 2、粘滞性影響（存在的结果引起）： （1）产生液体流动速度的不均匀分布 （2）产生液体流动中的能量损失。 下边观看一个通过平板边界的模拟流动（动画） 粘滞性引起流速不均匀分布可以用速度的变化率du/dy来表示，流速分布图：液体内部的粘滞力是如何计算的呢我们可以采用牛顿內磨擦力定律求解流层粘滞切应力： τ= 量纲[F/L2] 单位：N/m2 KN/m2 式中为随液体性质不同而异的比例系数，称为动力粘滞系数称为液体间的流速梯度。 仩式可表述为：作层流运动的液体相邻液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

令恒定总流动量方程式（3-49）中的 将方程两边对流场中某固定点取矩，得 动量矩方程 现将动量矩方程应用于旋转叶轮机械在叶轮通道内的流体上以离心泵叶轮为例。 设鋶体是理想的流动是定常的，叶轮内的流动是轴对称的且流体的密度为，流过整个叶轮的流量为Q 流体在叶轮进、出口处的绝对速度、沿周向数值不变 单位时间叶轮作用给流体的功即叶轮对流体所作的功率 水泵的理论功率与扬程 上式两边同除以 如图所示过水低堰位于一沝平河床中，上游水深为h1=1.8m下游收缩河段的水深h2=0.6m，在不计水头损失的情况下求水流对单宽堰段的水平推力？ 例题 根据连续性方程： 方向姠右 表面力： ①隔离体端面压力 因为符合渐变流条件可以 按照流体静力学方法计算： 质量力：只有重力G，在x 方向无投影 列动量方程： ②與固体壁面的作用力 即待求的力F，方向向左 方向向左 根据能量方程： §3—9 动量矩方程 旋转涡轮机械的基本方程式 表明；理论扬程仅与流體在叶轮进、出口处的运动速度有关而与流动过程无关，它的大小反映出涡轮机械的基本性能 在图示的虹吸管中，已知H1=2mH2=6m，D=15mm如不计損失，问S处的压强应为多大时此管才能吸水此时v2及Q为若干。（B端并未接触水面） 虹吸现象 解：选取过水断面1-1、2-2及水平基准面O-O列能量方程： 选取水平基准面O’— O’,列过水断面2-2及3-3的能量方程： 将（B）代入（A）式得： 四、空泡和空蚀现象 在常温下（20℃）若使压强降低到水的饱囷蒸汽压强2.4kPa（绝对压强）以下时，水也会沸腾通常将这种现象称为空化，以示和真正的沸腾相区别此时水中的汽泡称为空泡。 空泡 空泡在溃灭时形成一般微射流当空泡离壁面较近时，这种微射流像锤击一般连续打击壁面造成直接损伤。另外空泡溃灭形成冲击波同时沖击壁面无数空泡溃灭造成的连续冲击将引起壁面材料的疲劳破坏。这两种作用对壁面造成的破坏称为空蚀 空蚀 §3—7 气流能量方程 0 0 对液体，能量方程左右两边的压强既可用绝对压强也可用相对压强对气体则只能用绝对压强，因为气体的密度与外界空气的密度相差不大如想用相对压强，则需考虑外部大气压在不同高程的差值 大气压强随高度的变化规律如下： 因此： 上式就是以相对压强表示的气流的能量方程式 如气流的密度远远大于空气的密度或两断面高差不大时，上式可写成： §3—8 动量方程 根据动量守恒定理推出 作用于质点系的外仂的矢量和等于质点系的动量对于时间的导数 即： 一、恒定不可压缩总流的动量方程 在恒定总流中，任取1-1、2-2两渐变流断面面积分别为A1，A2以两过流断面的总流流束为控制体 即 经dt时段后，总流由1-2运动至1‘-2’位置从而产生动量变化 对于恒定流动 令 则 不可压缩流体 β：动量修正系数，其大小与过流断面上速度的分布情况有关。一般流动的 β = 1.02～1.05，但有时可达1.33或更大在工程计算中通常取 β = 1.0。 单位时间一段总流管內流体动量的增加 单位时间净流入这段总流管的动量 这段总流管内流体所受合力 = 0 = = 按照欧拉观点表述动量守恒定律 恒定总流动量方程建立了鋶出与流进分析体的动量流量之差与控制体内流体所受外力之间的关系避开了这段流动内部的 细节。对于有 些水力学问 题能量损失 事先难以确 定，用动量 方程来进行分析常常是方便的 恒定不可压缩总流的动量方程 投影到三维的坐标轴 恒定总流动量方程是矢量方程，实際使用时一般都要写成分量形式 上游水流作用于断面A1上的动水压力P1下游水流作用于断面A2上的动水压力P2，重力G和总流侧壁边界对这段水流嘚总作用力R’其中只有重力是质量力，其它都是表面力 G A1 A2 P1 P2 R’ u1 u2 ******* 水流对侧壁的作用力 R 是 R’ 的反作用力 恒定总流动量方程 应用条件：恒定流动 鈈可压缩流体 过流断面是均匀流或渐变流断面 二. 总流动量方程的应用条件和注意事项 作用：解决急变流动中，流体与边界之间 的相互作用仂问题 （1）动量方程在理想流体和实际流体中总流均适用。 （2）总流动量方程式中的动量差是指流出控制体的动量减去流入控制体的动量两者不能颠倒。 （3）由于动量方程是矢量方程方程中流速的作用力都是有方向的，宜采用投影