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水力学的基本方程为连续方程、能量方程和动量方程, 分别根据质量守恒定律、能量守恒定律和牛顿第二定律(或动量定律),并考虑液流连续介质的特点推导而得。导出基本方程, 一般来说还要引入液体密度与压力及温度之间的关系式、粘性应力和雷诺应力的表示式。但在水力学中除少数特殊情况(如管道水击)外, 均可认为液体密度是不变的。水力学中研究的一般都是牛顿流体, 所以粘性应力可由牛顿内摩擦定律来表示。至于雷诺应力, 水力学中主要还是采用混掺长度半经验理论来表示的。此外水力学中还常把粘性作用所引起的机械能耗散笼统用一水头损失来表示, 然后采用某些假设或者通过实验来确定水头损失值。水力学由水静力学和水动力学 (包括水运动学) 两大部分组成。
研究水在相对平衡(包括静止)状态时的规律, 确定水体对各种边界的作用力。
研究水流的运动规律, 分析各种条件下的过水能力、水力荷载、水能消耗、水流性态和混合输移。
将水力学的基本原理用于解决各个生产部门的实际问题, 根据各个领域的液流运动特点, 水力学又形成了很多各具特色的学科分支。传统的水力学主要随着水利(包括防洪、灌溉、水电、水运和海港等)工程的发展而发展起来的,其中主要有下列几个学科分支:管道水力学、河渠水力学、水工建筑物水力学、水力机械水力学、河口海岸动力学、地下水水力学等。实际上这也就是传统上水力学所研究的主要内容。主要研究领域已从传统的水利工程扩展为水资源的开发和管理及其对环境的影响, 并且日益遍及到各个生产部门, 还崛起了一批新兴的水力学分支 (例如水资源水力学、环境水力学等)。水力学的研究已从水量扩展到水质; 单相流动扩展到多相流动; 等温流动扩展到变温流动。
现代水力学和过去相比, 其研究方法也有显著的进步与变化。不仅是实验技术的现代化, 而且将更多地研究水流运动的内部机理, 更多地应用数理分析与概率统计的方法。而计算机技术的飞跃发展、计算水力学的建立为水力学的研究开辟了新的途径, 对于水力学的发展将会产生深远的影响。
水力学的发展可以追溯到很早的时候。中国古代的水利工程技术有着光辉的成就,对于水流运动的规律也积累了相当深刻的认识。四千多年前, 大禹治水就注意了“顺水之性”: 两千多年前都江堰工程所总结的“深淘滩、低作堰”经验; 古代利用孔口出流原理的计时工具——铜壶滴漏,都说明当时对于水流运动的规律已有一定的定性认识。明代潘季驯(1521—1595)提出“筑堤束水、以水攻沙”的治水方针,对于水流连续原理和水沙相互作用已有相当深刻的定性分析。
中国古代还提出了一些经验的定量估算。《管子·度地篇》中所述“夫水之性, 以高走下则疾,至于漂石,而下向高,即流而不行”,并指出“尺有十分之,三里满四十九者, 水可走也”,说明在三里的距离内渠底降落四十九寸,约相当于千分之一的坡降, 渠水可以顺势流走。
水力学系统理论的萌芽,虽然可以追溯到古希腊阿基米德(Archimedes公元前287~前212)所提出的阿基米德浮体定律; 但以后的1000多年水力学在系统理论上的进展很慢。水力学的进一步发展是在16世纪以后的欧洲。1585年斯蒂芬(S. Steven 1548~1620)把刚体平衡的研究方法应用于水静力学。1643年托里拆利(E. Torricelli 1608~1647) 初步确立了孔口泄流的定律。1650年帕斯卡尔(B. Pascal 1623~1662)阐述了流体中压力传递的规律。1686年牛顿(I. Newton1642~1727)提出了流体内摩擦的基本定律。
水力学开始成为一门独立的学科是在18世纪中叶以后,它以古典流体力学(或古典水动力学)作为理论基础,并沿着实验和应用的方向发展。
古典流体力学是在古典力学的基础上,运用严密的数学工具建立流体运动的基本方程, 发展成为力学的一个独立分支。1738年伯诺里(D. Bernoulli1700~1782)提出了水动力学的伯诺里方程。1755年欧拉(L. Euler 1707~1783)建立了理想流体的欧拉微分方程。粘性流体运动微分方程是纳维埃(L. M.H. Navier 1785~1836)在1826年初次提出, 斯托克斯(G. G. Stokes 1819~1903)在1845年完成。古典流体力学由于求解上的数学困难,还难以解决实际问题。
早期的水力学主要着眼于解决实际的生产问题,针对具体的水流现象,采用试验和观测的手段,直接寻求水力要素间的定量经验关系,其中有些著名的经验公式至今仍得到广泛的应用,例如谢才(A. Chezy1718~1798) 1769年总结的明渠均匀流的谢才经验公式和曼宁(R. Manning 1816~1897)1889年总结的谢才系数的曼宁经验公式。但是当时水力学由于理论指导的不足, 其成果也往往有局限性, 难以解决复杂的问题。
19世纪末叶,特别是20世纪以来,水力学的发展进入了一个新时期。这个时期生产技术的发展, 向古典流体力学提出了很多实际课题, 要求密切联系实际。也对早期的水力学提出了更高的要求, 必须进行理论概括。同时科学技术的发展, 也为理论与实际的结合创造了良好条件。一方面紊流和边界层等理论的发展,已经使研究工作深入到水流内部机理, 为分析复杂的实际粘性流体的运动开辟了道路。雷诺(O Reynolds1842~1912) 在1883年系统阐明了存在层流和紊流两种流态, 并于1884年推导了紊流运动的雷诺方程: 普兰特(L. Prandtl 1875~1953) 于1904年创立了边界层理论使流体力学进入了一个新的阶段。另一方面迅速发展的现代实验技术和建立在相似理论及量纲分析基础上的实验理论, 也大大提高了探测水流运动规律和对实验资料进行理论概括的能力。原来相互脱节的古典流体力学和早期的水力学相互补充日益结合, 形成了现代的液体力学和水力学。
惯性与重力特性2.粘滞性:液体的粘滞性是液体在流动中产生能量损失的根本原因.描述液体内部的粘滞力规律的是牛顿内摩擦定律:duτ = μdy注意牛顿内摩擦定律适用范围: 1...
这两门课都是典型的公式固定,题目变化无穷的科目,都不算容易。需要多做习题才行。水力学好像只有水利等个别专业才会考,而材料力学对于固体力学,航天航空类,材料类,机械类,土木建筑等都需要考,是大部分工科专...
光与土地接触的长度,不包括上面的水面长度!
水力学答案
第一章 绪论 1-1.20℃的水 2.5m 3 ,当温度升至 80℃时,其体积增加多少? [解 ] 温度变化前后质量守恒,即 2211 VV 又 20℃时,水的密度 31 /23.998 mkg 80℃时,水的密度 32 /83.971 mkg 3 2 11 2 5679.2 m V V 则增加的体积为 3 12 0679.0 mVVV 1-2.当空气温度从 0℃增加至 20℃时,运动粘度 增加 15%,重度 减少 10%,问此时动力粘度 增加 多少(百分数)? [解 ] 原原 )1.01()15.01( 原原原 035.1035.1 035.0 035.1 原 原原 原 原 此时动力粘度 增加了 3.5% 1-3.有一矩形断面的宽渠道,其水流速度分布为 /)5.0(002.0 2 yhygu ,式中 、 分别为水的 密度和动力粘度, h为水深。试求 mh 5.0 时渠底( y=0)处的
长科院水力学所完成三峡船闸相关水力学原型观测
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《水力学》共分9章。前四章主要介绍水力学的基本原理,包括水力学基础知识、水静力学、水动力学基本原理、水流型态与水头损失;后五章主要介绍水力学的工程应用及原流场分析的基本原理,包括有压管道流动、恒定明渠水流、过流建筑物的水力计算、流场分析的基本原理、渗流。《水力学》各章后均附有习题,便于读者加深对知识的理解。
内容介绍
水力学(上),ISBN:9787040118582,作者:吴持恭主编;高速水力学国家重点实验室(四川大学)编
2100433B
水力学
水力学是研究以水为代表的液体的宏观机械运动规律,及其在工程技术中的应用。水力学包括水静力学和水动力学。
水力学是建立在实践基础之上的一门学科,从工程意义上讲,它是一门经验学。
水静力学
主要研究液体静止或相对静止状态下的力学规律及其应用,探讨液体内部压强分布,液体对固体接触面的压力,液体对浮体和潜体的浮力及浮体的稳定性,以解决蓄水容器,输水管渠,挡水构筑物,沉浮于水中的构筑物,如水池、水箱、水管、闸门、堤坝、船舶等的静力荷载计算问题。
水动力学
主要研究液体运动状态下的力学规律及其应用,探讨管流、明渠流、堰流、孔口流、射流多孔介质渗流的流动规律,以及流速、流量、水深、压力、水工建筑物结构的计算,以解决给水排水、道路桥涵、农田排灌、水力发电、防洪除涝、河道整治及港口工程中的水力学问题。
水力学方法
1.对原型流动进行系统的观察和测定,从原始数据中寻求流动规律,是水力学研究的最可靠的方法。它是水力学的精髓,也是水利研究的基本原则。
2.可在实验室根据力学相似原理,找出影响流动的主要作用力,选用相应的模型律,以缩小的比例尺在模型上近似地重现和原型成一定比例的流动,根据模型流动的测定,估算原型流动的状态和各种参数,是数理分析和实验分析的重要补充,它是以白金汉提出的定理为依据,使有因次方程无因次化。这种方法,可以称为试验法或实践法。
水力学基本量
水力学的基本量是长度、时间和质量。
理论法:
独立因次的数目为三,用无因次方程代替有因次方程可以使变量减少三个,这在实验分析中,可大量地减少实验次数加速实验进程。在理论分析中,可以更合理地提出变量关系式。
数值模拟法:
当研究对象过于复杂、控制方程非线性、边界条件不规则,利用现有的数学力学方法难以得出解析解时,可以建立数值模型,编制程序,通过计算机运算得出数字结果或图线。
水力学历史
公元前400余年,中国墨翟在《墨经》中,已有了浮力与排液体积之间关系的设想。公元前250年,阿基米德在《论浮体》中,阐明了浮体和潜体的有效重力计算方法。1586年德国数学家斯蒂文提出水静力学方程。十七世纪中叶,法国帕斯卡提出液压等值传递的帕斯卡原理。至此水静力学已初具雏形。
帕斯卡定律:不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后,此压力增值瞬时间传至静止流体各点。
液体流动的知识,在中国相当长的时间内,在欧洲直至15世纪以前,都被认为是一种技艺,而未发展为一门科学。
文艺复兴期间,意大利人达·芬奇在实验水力学方面获得巨大的进展,他用悬浮砂粒在玻璃槽中观察水流现象,描述了波浪运动、管中水流和波的传播、反射和干涉。
十八世纪末和整个十九世纪,形成了两个相互独立的研究方向:
一是运用数学分析的理论研究流体动力学。
二是依靠实验的应用研究水力学。
开尔文、瑞利、斯托克斯、兰姆等人的工作使理论水平达到相当的高度,而谢才、达西、巴赞、弗朗西斯、曼宁等人则在应用水力学方面进行了大量的实验研究,提出了各种实用的经验公式。
十九世纪末,流体力学的发展扭转了研究工作中的经验主义倾向,这些发展是:
1.雷诺理论及实验研究;
2.雷诺的因次分析;
3.弗劳德的船舶模型实验;
4.空气动力学的迅速发展。
二十世纪初的重要突破是普朗特的边界层理论,它把无粘性理论和粘性理论在边界层概念的基础上联系了起来。
边界层理论:当流体在大雷诺数条件下运动时,可把流体的粘性和导热看成集中作用在流体表面的薄层即边界层内。根据边界层的这一特点,简化纳维-斯托克斯方程,并加以求解,即可得到阻力和传热规律。
二十世纪水力学的研究方向不断发展:
1.从定床水力学转向动床水力学 ;
2.从单向流动到多相流动;
3.从牛顿流体规律到非牛顿流体规律;
4.从流速分布到温度和污染物浓度分布;
5.从一般水流到产生渗气、气蚀,引起振动的高速水流。
以电子计算机应用为主要手段的计算水力学也得到了相应的发展。水力学作为一门以实用为目的的学科将逐渐与流体力学合流。
牛顿流体:是指在任意小的外力作用下即能流动的流体,并且流动的速度梯度(D)与所加的切应力(τ)的大小成正比,这种流体就叫做牛顿流体。
牛顿流体的流变方程是:τ=ηD 式中:τ--所加的切应力; D--流动速度梯度; η--不依赖于切变速度的常数,叫做黏性系数,简称为黏度。
凡不同于牛顿流体的都称为非牛顿流体。
来源:草根水利