绪 论 1

水 力 学

主讲教师：何文学

绪 论 2

水力学教学之要求：

1、讲课 内容多而学时有限，课堂讲授只能讲清重点和思路，进度比较快，要求同学们必须记笔记，以掌握授课提纲。未记全部分课后及时参照教材补充完善。

每章应自己完成本章小结。

绪 论 3

2、实验 实验是水力学课程的重要部分，必须人人参加，不得无故缺席。实验课需带教材、实验指导书、计算器、铅笔，并按分组进行实验。每组 3～ 4人，并要求事先阅读实验指导书，上机熟悉实验操作流程及实验数据处理。

水力学实验室是开放性实验室，安排的实验时间不够或结果不理想的同学，可与实验室管理教师联系，补做实验。

绪 论 4

3、作业 学生必须完成一定数量的作业。作业是平时成绩的一部分，对作业的质量要求是：书写工整、解题思路清晰、解题步骤完整、简图正规绘制、小数点后最多保留 3 位小数。

绪 论 5

4、辅导答疑 课堂教授过程中有问题可随时举手提问，课后有问题可随时到办公室（实南 519）询问。另外时间，可电话或网上解决（ hhtp://slx.zjwchc.com/hewx/index.htm）

5、考试 一般分期中考试和期末考试（可能是教考分

“离），请及时梳理知识点，力求做到 学完一”章、学会一章 。

绪 论 6

6、学习参考书 ①大连工学院水力学教研室编，水力学理论、例题及解题指导。人民教育出版社。

②纪立智主编，水力学理论、例题及习题解答。上海交通大学出版社。

③杨真凌主编，水力学难题分析。成都科技大学出版社 ④荒木正夫，椿东一郎编，水力学解题指导。高等教育出版社。

⑤各种版本的水力学教材

绪 论 7

7、教学纪律要求 为保证教学秩序，课堂禁止谈话，吃东西！ 最好不要做与水力学课程学习无关的事情。

有问题举手提问。

不得无故缺席，有病、有事带请假条来。

祝同学们

水力学取得好成绩！

0.1 绪 论 水力学定义及任务

一、水力学的定义 水力学是研究液体机械运动规律及其工程应用的一门科学。

液体的种类很多，如水、石油、酒精、水银等。由于工程实际中最为常见的液体是水，便以水作为研究液体的代表，故称水力学。

实际上，水力学的基本原理与水力计算的一般方法不仅适用于水，而且也适用于一般常见液体和可忽略压缩性影响的气体。

当气体的运动速度远比音速为小时，在运动过程中其密度的变化很小（当气体运动速度小于 68m/s时，密度的变化为 1% ） 。二、研究对象 ： 以水为代表的液体及可忽略压缩影响的气体。

0 绪 论0.1 水力学定义及任务

绪 论 9

三、主要任务三、主要任务

研究液体的机械运动规律及其工程应用。

四、课程性质四、课程性质水力学是一门技术基础课，即介乎于基础科学与工程技术之间 。 。 一方面根据基础科学中的普遍规律（如质量守恒、能量守恒、动量守恒等），结合水流特点，建立自己的理论基础；另一方面又密切联系工程实际，发展学科内容。

绪 论 10

五、与其它课程之间的联系五、与其它课程之间的联系

水力学是继《高等数学》、《普通物理学》《理论力学》之后开设，同时又成为学习许多后续专业课程（如农田水利学、水工建筑物、水利工程施工、水电站、水泵站、地下水利用等）和从事专业研究的必备基础。

高等数学要求复习掌握：微分（偏导数、导数）、积分（曲面积分、定积分、曲线积分）、多元函数的泰勒公式、势函数、微分方程。

绪 论 11

五、与其它课程之间的联系五、与其它课程之间的联系

理论力学要求复习掌握：达朗贝尔原理、能量守恒定律、动能定律、动量定律。

材料力学要求复习掌握：变形概念、平行移轴定律、惯性矩、惯性积等。

“ ”在水力学教学中，着重抓好 三基本 （水力学基本理论、水力计算的基本方法、实验研究的基本技能）训练。

绪 论

研究 液体

平衡规律 机械运动规律 工程应用

一门力学科学和技术基础课

对象

内容

课程性质所属学科性质

绪 论 13

1、水对建筑物的作用力问题

当关闭闸门，水库蓄水时，

为了计算闸门的强度、刚

度、校核大坝的稳定性，

必须考虑上下游水对大坝

和闸门的作用力

八、水力学的工程应用

（一）在水利方面的应用

vv

绪 论 14

（一）在水利方面的应用

2、管道水击及调压系统的液面波动

v0

H0

p0γ

AB

八、水力学的工程应用

绪 论 15

3、建筑物的过流能力问题

当渲泄洪水时，必须确定校核大坝所能够通过

流量，以确保大坝安全泄

洪；或已知泄量，确定大

坝的溢流宽度。

渠道河道过流能力的设计与校核。

八、水力学的工程应用（一）在水利方面的应用

黄河下游河道

绪 论 16

4、泄水建筑物的下游衔接与消能 由于大坝壅高水位，泄洪时，下游的水流的动

能较大，会冲击河床，危及大

坝的安全，因此，必须

采取工程措施，消耗过大的动

能，减轻对河床的冲刷。

八、水力学的工程应用（一）在水利方面的应用

二滩表中孔对撞消能

绪 论 17

水力学在水利建设中主要作用

研究水流与边界（如水工建筑物及河床

等）的相互作用，分析在各种相互作用条件下所

形成的各种水流现象和边界上各种力的作用（例

如，水流与堰作用，形成各种形式的堰流，

与闸门作用形成闸孔出流等），为水利工程

的勘测、规划、设计、施工和运行管理提供

合理的水力学依据。

绪 论 18

0-2 水力学的研究方法

一、理论分析

二、科学试验

绪 论 19

一、理论分析

将普遍规律、公理，如：牛顿定律、能量守恒原理、力系的平衡定律、动能定律、动量定律等用于液体分析中，建立水流运动的基本方程式：连续性方程、能量方程、动量方程。这些方程可以是代数方程、微分方程、积分方程等，结合边界条件、限定条件可对其求解。

绪 论 20

二、科学试验

1、原型观测

2、模型试验

3、系统试验

4、数值模拟

绪 论 21

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。

绪 论 22

模型试验

当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法解决实际工程的水力学问题时采

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。

绪 论 23

系统试验

在实验室内，小规模的造成某种水流运动，

用已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

绪 论 24

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。

先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技术。有

商用软件： fluent等，流体中文网、水动力学论坛等有很多介绍。

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。

由于数值模拟需要假定不同的参数进行计算，并依靠试验结果检验，故有时也称数值试验。

绪 论 25

0.3 液体的基本特征和主要物理性质 一、液体的基本特征

自然界物质存在三种形式

固体

液体

气体

绪 论 26

二、液体的主要物理性质

（一）惯性、质量与密度

物体所固有的保持原有运动状态的性质称为惯性。

惯性的大小以质量M来度量。 密度：单位体积液体所包含的质量，用 ρ表示。

绪 论 27

均质液体： VM =

式中，M为液体的质量； V为的体积

对于非均质液体： 0

lim

VV

M=

式中， ΔM为任意微元的液体质量；

密度量纲： ρ=[ML-3]

密度单位： kg·m-3

ΔV 为任意微元的液体体积。

M V

ΔM , ΔV

绪 论 28

（二）、万有引力特性，重力与容重万有引力：任何物体之间具有的相互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： G＝Mg， g：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，也称为重度或重率 。对某一重量为 G，体积为 V的均质液体，其容重可表

示为 则

国际单位： N／ m3 ， KN／ m3 容重的量纲： [ML-2S-2]

（二）、万有引力特性，重力与容重万有引力：任何物体之间具有的相互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： G＝Mg， g：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，也称为重度或重率 。对某一重量为 G，体积为 V的均质液体，其容重可表

示为 则

国际单位： N／ m3 ， KN／ m3 容重的量纲： [ML-2S-2]

g

Vmg

VGg

gg

绪 论 29

绪 论 30

1．粘滞性： 当液体处在运动状态时，质点间要产生抵抗相对运动的内摩擦力，这种性质称为液体的粘滞性，此内摩擦力也称为粘滞力。 粘滞性产生的物理原因是分子引力。 由于分子引力的存在，出现边界滞水作用。 边界滞水作用导致流速分布不均匀，相邻液层之间出现相对运动，从而产生抵抗相对运动的内摩擦力。 内摩擦切应力总是对运动的水流做负功，导致机械能损失。 粘滞性的存在是水流运动过程中能量损失的根源。

（三）、粘滞性与粘滞系数

绪 论 31

因： 液体质点（液层）间存在相对运动（快慢）

果：质点间（液层）间存在内摩擦力

（ 1 ）方向 ：与该液层相对运动速度方向相反 （ 2 ）大小 ：由牛顿内摩擦定律决定

内摩擦力的概念是牛顿于 1686年提出的 ,并经后人验证，习惯上称为牛顿内摩擦定律。

绪 论 32

2．牛顿内摩擦定律：作层流运动的液体，相互作层流运动的液体，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，同时与液体粘滞力），与流速梯度成正比，同时与液体的性质有关．的性质有关．

yu

dd

绪 论 33

写成等式则为

牛顿内摩擦定律yu

dd

式中， η（或 μ）为液体的动力粘滞系数

τ为切应力，方向与作用面平行

dudy 为流速梯度， y为垂直于流速方向

指向相对运动方向相反

绪 论 34

动力粘滞系数 η 量纲： [F.T.L-2]

单位： N·s·m-2 ＝ Pa·s

有时候用 : poise(泊 ) = dyne ·s·cm-2

1 poise = 0.1 N·s·m-2

运动粘滞系数 量纲： [L2T-1]

单位： m2·s-1

有时候用 : cm2·s-1

1 cm2·s-1 = 1 stokes = 0.0001 m2·s-1

ν＝ μ/ρ

3．粘滞系数 ：

反映不同液体对内摩擦力的影响系数。

绪 论 35

牛顿内磨擦定律适用条件：只能适用于：层流运动的牛顿流体。

绪 论 36

一般把符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体；反之称为非牛顿流体。

一般常见液体和气体多属于牛顿流体，如水、空气等。

非牛顿流体属于流变学的研究范畴，一般包括：（ 1）理想宾汉流体：当切应力达到一定数值 τ0时，才开始发生剪切变形，但

变形率仍为常数，常见的如泥浆、血浆、高含沙水流。

（ 2）伪塑性流体：粘滞系数随剪切变形速度的增加而减小，常见的有尼龙、橡胶溶液、颜料、油漆等。

（ 3）膨胀性流体：粘滞系数随剪切变形速度的增加而增加，常 见的有生面团、浓淀粉糊等。

绪 论 37

(四 )、压缩性及压缩系数1、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。

2、体积压缩率 （体积压缩系数）体积压缩率：是液体体积的相对缩小值与压强增值

之比。

为体积压缩率，单位为米 2／牛顿（ m2/N）。

k

绪 论 38

2．体积压缩率： p

P+dp

V V+dV

图 液体体积的压缩示意

式中， k 为体积压缩率，

其值越大，液体压缩性越大， 即越容易被压缩。

解释：

“ ”－ 表示压强增大，体积缩小，

体积增量 dV与压强增量 dp符号相反，

为了保证 k 是一个整数，前面冠“ ”以 － 。

dpVdV

绪 论 39

（ 五）、表面张力及表面张力系数

1、表面张力：自由表面上液体分子由于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 。 表面张力的大小用表面张力系数 来度量。

①注意： 表面张力仅在自由表面存在，液体内部并不存在表面张力。

② 液体的表面张力较小，一般对液体的宏观运动不起作用可忽略不计。

③ 某些情况下要考虑。例如，水滴雾化

绪 论 40

2、表面张力系数 表面张力是指在自由面单位长度上所受拉力的数值 , 单位：牛顿／米（ N/m）。以表面张力系数 σ表示。

表面张力系数 σ的大小随液体种类、温度和表面接触情况的变化而变化。例如，温度为 20℃时 ,空气与水接触的自由表面， σ=0.0728N/m，空气与水银接触的自由表面， σ=0.514N/m(清华水力学值 )。

绪 论 41

3 毛细现象盛有液体的细玻璃管叫做测压管。

由于表面张力作用，玻璃管中液面和与之连同的大容器中的液面不在同一水平面上，这种现象叫毛细现象。

表面张力引起的毛细管现象

绪 论 42

0-4 理想液体和实际液体

液体可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。

实际液体则是指具有粘滞性的液体。常见的液体均为实际液体。 有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主要差别。

绪 论 43

0-5 作用于液体上的力按力的物理性质划分：

重力、惯性力、弹性力、内摩擦力、表面张力。 按表现形式或作用方式划分：表面力和质量力。 一、表面力 表面力：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。

绪 论 44

一、表面力

表面力：作用于液体的表面，并与受作用

的表面面积成比例的力。例如内摩擦力、水压

力。 表面力的大小可用总作用力表示，也常用单位面积上所受的表面力表示（即应力）。

若表面力和作用面垂直，此应力力称为压应力或压强。

若表面力和作用面平行，则此应力称为切应力。

绪 论 45

二、质量力

质量力：质量力是指作用于液体的每一质

点上，并与受作用的液体的质量成正比例

的力。比如重力、惯性力就是质量力。在

均质液体中，质量与体积成正比例，故质

量力又称为体积力。

绪 论 46

若一质量为M 的均质液体，作用于其上的总质量为

F ， 则单位质量力 f 为

在三个坐标方向的投影为

MF

Z

MF

Y

MF

X

f

z

y

x

式中： FX， FY， FZ 为总质量力在三个坐标方向的投影；

X ， Y ， Z 为单位质量力在三个坐标方向的投影，

或 x， y， z 方向的单位质量力。

f = F/M = (Fx ,Fy,Fz)/ M