水力学及桥涵水文教案.docx

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1、授课题目绪论授课类型讲授首次授课时间2011年8月29、5日学时4教学目标使学生明确流体力学这门课的性质、任务及研究对象。使学生掌握流体的主要物理性质。重点与难点重点：黏性、牛顿内摩擦定律、质量力、外表力、连续介质概念。难点：牛顿内摩擦定律具体应用教学手段与方法多媒体教学过程：(包括授课思路、过程设计、讲解要点及各局部具体内容、时间分配等)一、流体力学的研究对象及意义1、流体力学的任务：研究流体平衡和运动的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中的应用。2、研究对象：流体1包括气体和液体)。3、力学中对流体的定义：在静力平衡时，不能承受剪切力的物质就是流体。4、流体的根本特征：易流动

2、性，也是流体与固体的主要区别，是由它的力学性质决定的。5、易流动性：处于静止状态的流体不能承受剪切力，即使在很小的剪切力的作用下也将发生连续不断的变形，直到剪切力消失为止。这也是它便于用管道进行输送，适宜于做供热、制冷等工作介质的主要原因。流体也不能承受拉力，它只能承受压力。利用蒸汽压力推动气轮机来发电，利用液压、气压传动各种机械等，都是流体抗压能力和易流动性的应用。没有固定的形状，取决于约束边界形状，不同的边界必将产生不同的流动。学习目的：掌握根本理论、根本方法，为今后的生产和科研效劳，为流体机械、选矿等后续课程作必要的理论准备。6、应用流体力学是机械、采矿、选矿、土建工程等专业的一门主要的

3、技术根底课。其应用十分广泛，如车辆工程、航天航空、水运、航海、矿井通风、机械工业中的润滑、液压传动、高层建筑受风的作用、污染物在大气中的扩散等、舰船结构。二、流体的主要物理性质是决定流体平衡和运动规律的内因。1、惯性惯性是物体对抗外力作用而维持其原有运动状态的性质。惯性的大小取决于物体的质量，质量3惯性TC举例:汽车减速工程中常用体积来表示流体的量的多少，如：煤气表、水表的示数都是体积。单位体积流体的质量一流体的密度，用夕来表示。对于均质流体p=(kg/m3)V单位体积流体的重量一流体的重度，用了来表示。对于均质流体，其重度(FormUla)为=(N/m3)V在地球重力场的条件下，流体的密度和

4、重度的关系为y=常温下水的密度和重度一般采用：pw=I(XX)kg/m3,w=9800Nm5。注意，密度和重度的本质区别。2、粘性粘性流体阻止发生剪切变形的一种特性。粘性是流体的固有属性。当流体运动时，流体内部各质点间或流体层间会因相对运动而产生内摩擦力（剪切力）以抵抗其相对运动，流体的这种性质称为粘性。此内摩擦力称为粘滞力（粘性切应力）。（1）牛顿内摩擦定律图为平行平板实验的示意图。假定在两板之间流体是分层运动，没有不规那么的流体运动及脉动参加其中，那么由下板到上板之间有许多流体层。各层流体由于质点间的内摩擦力作用，其速度沿y方向的变化规律如图121所示。设：F各流体层间产生的内摩擦力，大量

5、实验证明，内摩擦力尸与接触面积A、相假设乘以比例系数那么有F = jliA- 1dy图1.2.1平行平板实验对速度差d成正比，而与垂直距离力成反比，即尸Oc4立dyFdu=+u2Ady式中F内摩擦力，N：单位面积上的内摩擦力或切应力，NZm2；A流体层的接触面积，m2；速度梯度，即速度在垂直于该速度方向上的变化率，S-;dy与流体性质有关的比例系数，称为动力粘性系数，或称动力粘度1、2式称为牛顿内摩擦定律或粘性定律回牛顿内摩擦定律只能应用于层流运动。而非层流流场中的切应力规律将在第4章紊流理论中讨论。牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律如水、酒精、汽油和一般气体等分子结构简单的流体都是牛顿流体。非牛顿

6、流体：不符合牛顿内摩擦定律。如泥浆、有机胶体、油漆、高分子溶液等（2）粘性系数动力粘性系数（dynamicviscosity）：反响流体的粘性，具有动力学问题的量纲。.值由实验测定。值表示速度梯度等于1时的接触面上的切应力。动力粘性系数国际单位为Pa.s（N.sm2）,物理单位为泊（P或dn.sCm之）。它们的换算关系为lN.sr11-=10dn.scm=IOP运动粘性系数或运动粘度：D=巴PU的单位及各种单位之间的见换算关系P5。液压油的牌号多用运动粘性系数表示。一种机械油的号数就是以这种油在50时的运动粘性系数平均值标注的，号数越大，粘性就越大一例如30号机械油，就是指这种油在50时的运动

7、粘性系数平均值为3010m 膨胀性当温度T时，体积T流体的膨胀性。大小用体积膨胀系数4表示。s思考？ ？ ？ 7 = 0时，流体没有粘性，这种说法对否？ 例题1一1轴置于轴套中,如下图。以尸二90N的力由 左端推轴向右移动，轴移动的速度为u = s,轴的直径I为d=75mm,其它尺寸见图中。求轴与轴套间流体的 皿 f 动力粘性系数。解因轴与轴套间的径向间隙很小，故设间隙内流体 的速度为线性分布，由式=纳Au上式中 F = P, A = Ml图/On?那么FhPh _90x0.000075l - 3.14160.0750.20.122轴与轴套= 1.174 Pa.s(3)温度、压力对粘性系数的影

8、响液体：温度T，粘性L气体：温度粘性3液体、气体：压力3粘性3(4)理想流体与实际流体自然界中存在的流体都具有粘性粘性流体或实际流体。理想流体：是一种假想的无粘性的流体，=0O流体力学的研究方法：将实际流体假想为理想流体，找出它的运动规律后，再考虑粘性的影响，修正后再用于实际流体。2、压缩性和膨胀性(1)压缩性当作用在流体上的压力T时，流体的体积I，密度,流体的压缩性。流体可压缩性的大小通常用体积压缩系数表示。在实际工程中，一般认为：液体是不可压缩的；气体，当压力和温度在整个流动过程中变化很小时(如通风系统)，可按不可压缩流体处理。如矿井通风系统。如研究液体的振动、冲击时，那么要考虑液体的压缩

9、性在工程上：液体的以很小，一般不考虑其膨胀性；气体的民很大，当压力和温度变化时，密度或重度明显改变，其间的关系，可用理想气体状态方程式来描述。及必须考虑膨胀性。3、外表张力和毛细管现象（自学）要点：外表张力是如何产生的，大小与什么有关，如何表示？何谓毛细管现象？三、流体的连续介质模型流体微团是使流体具有宏观特性的允许的最小体积。这样的微团，称为流体质点。流体微团：宏观上足够大，微观上足够小。流体的连续介质模型为：流体是由连续分布的流体质点所组成，每一空间点都被确定的流体质点所占据，其中没有间隙，流体的任物理量可以表达成空间坐标及时间的连续函数，而且是单值连续可微函数。四、作用在流体上的力1、质

10、量力质量力（G）：质量T，Gt长程力。质量力包括重力和惯性力。在流体力学中，常用单位质量力来衡量质量力的大小。X、丫、Z分别代表单位质量力在直角坐标轴x、y、Z方向的分量，那么x=2y=Z=2mO单位与加速度的单位相同，均mtnm是ms2o2、外表力外表力近程力。外表切向力（为摩擦力）：T切应力或摩擦应力外表法向力（压力）。；一压应力简称为压强。口由流体粘性所引起的内摩擦力是外表切向力，平衡流体或理想流体，不存在外表切向力，只有外表法向力。本次课小结：1、工程流体力学研究的是实际流体；2、研究方法是将实际流体假想为理想流体；3、符合牛顿内摩擦定律；4、各物理性质及之间的换算关系。思考题、讨论题

11、、作业教学后记授课题目水静力学授课类型讲授首次授课时间2009年9月10日学时教学目标重点与难点教学手段与方法多媒体教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各局部具体内容、时间分配等）提问:1、粘滞性2、作用在流体上的力：3.理想液体与连续介质的概念上次课内容回忆及本次课内容引出：2.1 流体静压强及其特性一、流体静压强设作用在?点周围微小面积AA上的合力为AP,根 据压强的定义，其平均压强为-PP = 一 A(NZm2)当面积AA无限缩小到机点时，那么得P= Iim ZiATo 44图静止液体中的别离体p外部流体作用在流体内部加点上而产生的压 力，称流体静压力。流体静压强作用在单位面积

12、上的力。 二、流体静压强的特性流体静压强有两个重要特性：（1）垂直性（2）各向等值性三、帕斯卡定律（自学）（N/m 2或乙）要点：I什么是帕斯卡定律？ 2、帕斯卡定律的适用条件？ 3、帕斯卡定律有哪些应用？ 四、等压面在平衡流体中，压强相等的各点所组成的面称为等压面。特征：（1）等压面为等势面。（2）等压面是一个垂直于质量力的面。2.2 流体静力学根本方程一、静止液体中压强分布规律如图示。单位质量力J在各轴上的投影为 X=O Y = OZ = -g理解和掌握流体静压强及其特性：（2）掌握流体静压强的分布规律及点压强的计算（利用等压面），（3）掌握流体静压强的量测和表示方法；重点：静压强及其特性

13、，水静力学根本方程,及静水压强的量度难点:水静力学根本方程代入式dp=p(-g)dz=-PgdZ=-dz或迎+dz=O积分得z+=c(常数)Y图重力平衡液体静止液体中压强的分布规律，称流体静力学根本方程。对静止流体中1、2两点，可写成如下形式2i+A=22+PlYY由上式看出：(1)当P=Pz时，那么Z=Z2，即等压面为水平面。(2)当Z2Z时，那么P.P2,即位置较低点处的压强恒大于位置较高点处的压强。(3)当任一点的压强及其位直标高时,便可求得液体内其它点的压强。二、静止液体中的压强计算ZM =Y= p = -z. + c积分常数C=Po+%0，因此P=Po+/(zO-2)式中ZO-Z表示

14、液体质点在自由外表以下的深度，假设用力表示，上式可写成P=Po+浊为静止液体中的压强计算公式。该式说明：任意位置处，加、P意义：静止流体中任一点C处的压强P等于外表压强Po与液柱重量防之和：谀当维习.9三、静止液束市的压面(自学)要点：1、静止液体中等压面的形状？2、各种复杂情况下等压面的判断？四、绝对压强、相对压强和真空度压强值的大小，从不同基准计算就有不同的表达方法。(1)绝对压强以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点(起量点)计量的压强，它表示该点压强的全部值P=Pa+/(2)相对压强以当时当地大气压强P乍为零点计量的压强，也称为表压强。P=P-Pa=4(3)真空度真空度是该点绝对压强P小于当地大气压强Pa的数值。因为P=Pa-Pv所以Pv=Pa-P图绝对压强、相对压强和真空度的关系可见，有真空存在的点，相压强为负值,真空度为正值。因而真空有时也称为负压。液体自由液面上能否完全真空？真空原理在日常生活中的应用:滴管抽取液体、深井抽水等五、流体静力学根本方程的几何意义与能量意义(1)几何意义图测压管水头与静压水头Za、ZbZc、Zd位置水头。2-、红一测压管高度或称相对压强高度。YY生、“2静压高度或绝对压强高度。