1.水力学的任务及发展概况.pdf

1 水水 力力 学学 水力学的任务与发展概况 2 水力学定义水力学定义 研究研究对象对象液体处于静止（相对静止） 状态下，作用于液体上的各 种作用力之间的关系 液体在运动状态时，作用于液 体上的力与运动要素之间的关 系，及运动的特征和能量转换 研究内容研究内容 所属科学性质所属科学性质 课程性质课程性质 液液体体 平平衡衡 机械运动规律机械运动规律及及应用应用 一门力学科学和技术基础课一门力学科学和技术基础课 3 水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 水力荷载水力荷载水体对水工建筑物的作用力水体对水工建筑物的作用力 当当关闭闸门，水库蓄水时，为了计算闸门关闭闸门，水库蓄水时，为了计算闸门 的强度、刚度、校核大坝的稳定性，必须考虑的强度、刚度、校核大坝的稳定性，必须考虑 上下游水体对大坝和闸门的作用力。上下游水体对大坝和闸门的作用力。 4 当当渲泄洪水时，必须确定校核大坝渲泄洪水时，必须确定校核大坝 所能够所能够通过流量通过流量，以确保大坝安全泄洪；，以确保大坝安全泄洪； 或已知泄量，确定大坝的溢流宽度。或已知泄量，确定大坝的溢流宽度。 泄水建筑物的过流能力泄水建筑物的过流能力 水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 5 水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 由于由于大坝壅高水位，泄洪时，下泄的大坝壅高水位，泄洪时，下泄的 水流动能较大，会冲击河床，危及大坝的水流动能较大，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。大的动能，减轻对河床的冲刷。 水能的利用与消耗水能的利用与消耗 6 水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 大坝大坝建成后，水流会通过土壤、岩石建成后，水流会通过土壤、岩石 中的缝隙形成渗流，对坝基产生作用力，中的缝隙形成渗流，对坝基产生作用力， 同时产生渗透变形，会危及大坝的安全。同时产生渗透变形，会危及大坝的安全。 泄水建筑物的渗流问题泄水建筑物的渗流问题 7 水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 分析分析天然河道的洪水水面线，确天然河道的洪水水面线，确 定防洪堤防高程，确定人工渠道的过定防洪堤防高程，确定人工渠道的过 流能力，如南水北调工程。流能力，如南水北调工程。 水流的流动水流的流动形态形态 河渠水面曲线计算河渠水面曲线计算 8 水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 例如例如：黄河上高含沙问题：黄河上高含沙问题 河流河流泥沙泥沙 9 水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 水污染水污染 10 水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 水力水力机械机械 水泵：叶片、转轮体型水泵：叶片、转轮体型 水轮机：叶片、转轮水轮机：叶片、转轮体型体型 图片来源： 11 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 古代中国水力学古代中国水力学发展发展 相传四千多年前（公元前相传四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹，夏左右）大禹治水。治水。 春秋战国末期（公元前春秋战国末期（公元前221前左右）都江堰，当时对堰流理论有前左右）都江堰，当时对堰流理论有 一定一定认识。认识。 12 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 古代中国水力学古代中国水力学发展发展 秦始皇秦始皇元年（公元前元年（公元前246）韩国水工郑国主持兴建郑国渠，大约）韩国水工郑国主持兴建郑国渠，大约 与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统。与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统。 秦始皇二十八年秦始皇二十八年(公元前公元前219)修建的灵渠，沟通长江水系和珠江水修建的灵渠，沟通长江水系和珠江水 系的古系的古运河。运河。 13 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 古代中国水力学古代中国水力学发展发展 公元公元1363年（元末）铜壶滴漏计算时间，当时已认识到孔口出流和上年（元末）铜壶滴漏计算时间，当时已认识到孔口出流和上 游水位间存在一定的关系。游水位间存在一定的关系。 明朝潘季训提出“塞旁决以挽正流，以堤束水，以水攻沙”的治理黄明朝潘季训提出“塞旁决以挽正流，以堤束水，以水攻沙”的治理黄 河的措施。当时对流速与过水断面成反比的连续方程和一定量的水流能河的措施。当时对流速与过水断面成反比的连续方程和一定量的水流能 携带一定量的泥沙规律有一定认识。携带一定量的泥沙规律有一定认识。 14 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 古代中国水力学古代中国水力学发展发展 清朝初年，何梦瑶等人提出用过水断面面积乘以流速计算流量的清朝初年，何梦瑶等人提出用过水断面面积乘以流速计算流量的 方法。方法。 古代劳动人民懂得用水流的冲力带动水车、水磨等水力机械。古代劳动人民懂得用水流的冲力带动水车、水磨等水力机械。 15 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 阿基米德阿基米德（Archimedes，公元前公元前287212） 古希腊学者古希腊学者阿基米德阿基米德在公元前在公元前250年发表论文年发表论文论浮体论浮体， 第一个阐明了相对密度的概念第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受发现了物体在流体中所受 浮力的基本原理浮力的基本原理阿基米德原理阿基米德原理 。 图片来源：百度百科 阿基米德 16 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 列奥纳德列奥纳德.达达.芬奇芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 设计设计建造一小型水渠建造一小型水渠，系统研究物体的沉浮系统研究物体的沉浮、孔口出流孔口出流、 物体的运动阻力及管道物体的运动阻力及管道、明渠中水流等明渠中水流等问题问题。 图片来源：百度百科 达.芬奇 17 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 斯蒂文斯蒂文（S.Stevin,1548-1620） 将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。 图片来源：百度百科 18 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 1653年年，帕斯卡帕斯卡（B. Pascal）建立了平衡液体中建立了平衡液体中 压强传递的规律巴斯卡定律压强传递的规律巴斯卡定律，使水静力学理论使水静力学理论 得到进一步得到进一步发展发展。 图片来源：百度百科 图片来源： 19 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 1643年年，托里拆利托里拆利（E.Torricelli）提出了液体孔提出了液体孔 口出流关系口出流关系式式。 图片来源：百度百科 20 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 1686年年，牛顿牛顿（Newton）提出了关于液体内摩擦提出了关于液体内摩擦 的假定和粘滞性的概念的假定和粘滞性的概念，建立液体的内摩擦建立液体的内摩擦定律定律。 图片来源：百度百科 牛顿 21 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 1738年年，伯努利伯努利（D.Bernoulli）建立了理想液体建立了理想液体 运动的能量方程伯努里运动的能量方程伯努里方程方程。 图片来源：百度百科 伯努利 22 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 1775年，年，欧拉欧拉（L.Euler）建立了理想液体的运）建立了理想液体的运 动方程欧拉运动动方程欧拉运动微分方程。微分方程。 图片来源：百度百科 欧拉 23 水力学发展简史水力学发展简史 图片来源：百度百科 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 1843年，年，纳维纳维(L.M.H.Navier)和和斯托克斯斯托克斯(G.G. Stokes)建立建立了实际液体的运动方程纳维斯托克了实际液体的运动方程纳维斯托克 斯方程，奠定了古典流体力学的理论基础，使它斯方程，奠定了古典流体力学的理论基础，使它 成为力学的一个成为力学的一个分支分支。 纳维斯托克斯 24 水力学发展简史水力学发展简史 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学 1856年，年，达西达西(H.Darcy)建立了砂土渗流基本定律。建立了砂土渗流基本定律。 首先提出首先提出:通过试样的流量与试样横断面积及试样两通过试样的流量与试样横断面积及试样两 端测压管水头差成正比，与试样的高度成反比。端测压管水头差成正比，与试样的高度成反比。 达西 25 水力学发展简史水力学发展简史 求解求解各种实际水力学问题的经验方法各种实际水力学问题的经验方法 1769年年 ，谢才谢才（A.Chezy）在一系列渠道水流实测资）在一系列渠道水流实测资 料基础上料基础上, 提出明渠均匀流流速与流量的经验公式谢提出明渠均匀流流速与流量的经验公式谢 才公式，以后又有确定谢才系数的曼宁公式、巴普洛甫才公式，以后又有确定谢才系数的曼宁公式、巴普洛甫 斯基斯基公式。公式。 26 水力学发展简史水力学发展简史 求解求解各种实际水力学问题的经验各种实际水力学问题的经验方法方法 1732年，年，毕托毕托(H.Pitot)发明了量测水流流速的毕托管发明了量测水流流速的毕托管; 1797年年 ，文丘里文丘里（G.B Venturi）创造了量测管道流量的文丘里管。）创造了量测管道流量的文丘里管。 27 水力学发展简史水力学发展简史 现代现代流体力学和现代流体力学和现代水力学水力学 随着现代化工农业和新技术的迅速发展，以纯理论分析为基础的随着现代化工农业和新技术的迅速发展，以纯理论分析为基础的 古典流体力学，实验为基础的实验水力学都不能满足生产发展要求，古典流体力学，实验为基础的实验水力学都不能满足生产发展要求， 逐渐形成了以理论和试验研究结合的逐渐形成了以理论和试验研究结合的现代流体力学和现代现代流体力学和现代水力学水力学。 28 水力学发展简史水力学发展简史 现代现代流体力学和现代流体力学和现代水力学水力学 1883年，年，雷诺雷诺(O.Reynolds)通过试验发现了液流两种流通过试验发现了液流两种流 态层流和紊流。态层流和紊流。1894年，又提出了紊流的基本方程年，又提出了紊流的基本方程 雷诺方程。雷诺方程。 29 水力学发展简史水力学发展简史 现代现代流体力学和现代流体力学和现代水力学水力学 1891年年 ，儒科夫斯基儒科夫斯基首先建立了试验风洞。首先建立了试验风洞。1905年，年， 又提出了圆柱绕流的升力又提出了圆柱绕流的升力理论。理论。 30 水力学发展简史水力学发展简史 现代现代流体力学和现代流体力学和现代水力学水力学 1904年，年，普朗特普朗特(L.Prantl)观测分析了固体边界对液流观测分析了固体边界对液流 的影响，首先提出液流边界层概念，后来对层流边界层的影响，首先提出液流边界层概念，后来对层流边界层 的研究，形成了边界层理论，在流体力学、水力学研究的研究，形成了边界层理论，在流体力学、水力学研究 历史上，具有划时代的意义。历史上，具有划时代的意义。 31 水力学发展简史水力学发展简史 现代现代流体力学和现代流体力学和现代水力学水力学 1891年年 ，尼古拉兹尼古拉兹（J.Nikuradse）德国学者分别对各种人工粗糙管）德国学者分别对各种人工粗糙管 道和明渠系统试验研究。道和明渠系统试验研究。 1938年，年，蔡克士达蔡克士达进一步揭示了管道和渠道紊流阻力和水头损失规律。进一步揭示了管道和渠道紊流阻力和水头损失规律。 32 水力学发展简史水力学发展简史 建国建国以后水力学的以后水力学的发展发展 自上世纪自上世纪50年代以来在科学技术的推动下，国内外对水力学中各个年代以来在科学技术的推动下，国内外对水力学中各个 问题展开了广泛的研究：问题展开了广泛的研究： 紊流紊流边界层理论、水工水力学、管道和明渠非恒定流、渗流、高速边界层理论、水工水力学、管道和明渠非恒定流、渗流、高速 水流（高速水力学）、波浪运动、相似理论等水流（高速水力学）、波浪运动、相似理论等领域。领域。 33 水力学发展简史水力学发展简史 建国建国以后水力学的以后水力学的发展发展 同时，又出现了一些新的水力学同时，又出现了一些新的水力学分支，例如：分支，例如：环境环境水力学、随机水力学、水力学、随机水力学、 计算计算水力学等。水力学等。 各种各种量测的量测的试验仪器试验仪器，得到进一步发展，得到进一步发展，例如：例如：激光激光，PIV测速等技术测速等技术。 目前，目前，水力学（工程流体力学）已成为一门理论、实验和计算相结合的学科水力学（工程流体力学）已成为一门理论、实验和计算相结合的学科。 34 水力学水力学水力学的任务与发展概况水力学的任务与发展概况 图片来源：百度百科 谢谢 谢谢 观观 看！看！