流體力學(xué)

（水力學(xué)）

同濟(jì)大學(xué)2008年學(xué)年春季試用版參考書(shū)：第一章緒論液體：主要指水相對(duì)與固體而言，液體和氣體稱(chēng)為流體力：墨子：公元前490-405《墨經(jīng)》：“力，重之謂也”與重力作斗爭(zhēng)力學(xué)mechanics嚴(yán)復(fù)1894-1896年翻譯英國(guó)科學(xué)家赫胥黎的《進(jìn)化論與倫理學(xué)》---《天演論》名，質(zhì)，數(shù)，力邏輯學(xué)，化學(xué)，數(shù)學(xué)，力學(xué)水力學(xué)是研究液體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)瞿塘峽的雄偉，巫峽的秀麗，西陵峽的險(xiǎn)峻

葛洲壩是我國(guó)萬(wàn)里長(zhǎng)江上建設(shè)的第一個(gè)大壩。葛洲壩水利樞紐工程的研究始于50年代后期。1970年12月30日破土動(dòng)工。1974年10月主體工程正式施工。整個(gè)工程分為兩期，第一期工程于1981年完工，實(shí)現(xiàn)了大江截流、蓄水、通航和二江電站第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電；第二期工程1982年開(kāi)始，1988年底整個(gè)葛洲壩水利樞紐工程建成。擋水大壩全長(zhǎng)2595米，最大壩高47米，水庫(kù)庫(kù)容約為15．8億立方米。船閘為單級(jí)船閘。

三峽工程建設(shè)歷程1前期準(zhǔn)備階段（1992年―1994年）2一期工程任務(wù)圓滿(mǎn)完成（1995年―1997年）3二期工程建設(shè)階段（1998年―2002年6月）4三峽工程三期庫(kù)底清理工作進(jìn)入全面實(shí)施階段左岸電站裝有14臺(tái)機(jī)組，右岸電站，安裝12臺(tái)機(jī)組。三峽大壩軸心線全長(zhǎng)2309米，壩頂海拔高程185米，最大壩高181米。

世界上最大的升船機(jī)就是個(gè)“巨無(wú)霸電梯”，一次可以將一艘3000噸級(jí)的客貨輪提升113米。世界之最世界防洪效益最為顯著的水利工程。水庫(kù)調(diào)洪可消減洪峰流量達(dá)2．7萬(wàn)立方米每秒--3．3萬(wàn)立方米每秒。世界最大的電站。三峽水電站總裝機(jī)1820萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量846．8億千瓦時(shí)。世界建筑規(guī)模最大的水利工程。三峽大壩壩軸線全長(zhǎng)2309．47米，泄流壩段長(zhǎng)483米，水電站機(jī)組70萬(wàn)千瓦×26臺(tái)，雙線5級(jí)船閘和升船機(jī)。世界工程量最大的水利工程。三峽工程主體建筑土石方挖填量約1．34億立方米，混凝土澆筑量2794萬(wàn)立方米，鋼筋46．30萬(wàn)噸。世界施工難度最大的水利工程。三峽工程2000年混凝土澆筑量為548．17萬(wàn)立方米，月澆筑量最高達(dá)55萬(wàn)立方米，創(chuàng)造了混凝土澆筑的世界記錄。施工期流量最大的水利工程。三峽工程截流流量為9010立方米每秒，施工導(dǎo)流最大洪峰流量79000立方米每秒。世界泄洪能力最大的泄洪閘。三峽工程泄洪閘最大泄洪能力為10．25萬(wàn)立方米每秒。世界級(jí)數(shù)最多、總水頭最高的內(nèi)河船閘。三峽工程的雙線五級(jí)船閘，總水頭113米。世界水庫(kù)移民最多、工作最為艱巨的移民建設(shè)工程。三峽工程水庫(kù)動(dòng)態(tài)移民最終可達(dá)113萬(wàn)人。1992年4月3日，七屆全國(guó)人大五次會(huì)議通過(guò)《關(guān)于興建三峽工程的決議》，完成三峽工程的立法程序并進(jìn)入實(shí)施階段。贊成票1767票,反對(duì)票177票,棄權(quán)票664票,未投票25票。1.1流體力學(xué)及其任務(wù)1.1.1流體力學(xué)史第一時(shí)期：公元前30000世紀(jì)-公元前20世紀(jì)舊石器時(shí)代早期（公元前30000世紀(jì)-公元前2000世紀(jì)）：拋擲物中期（公元前2000世紀(jì)-公元前400世紀(jì)）：飛石索后期（公元前400世紀(jì)-公元前90世紀(jì)）：石鏃新石器時(shí)代（公元前90世紀(jì)始）人工灌溉，開(kāi)溝引渠（土耳其，伊拉克，敘利亞，中國(guó)）獨(dú)木舟，木漿（英國(guó)，埃及，荷蘭，中國(guó)）帆提水裝置（木桶）陶制單壺滴漏（計(jì)時(shí)，水鐘）第二時(shí)期：公元前20世紀(jì)-17世紀(jì)下葉埃及：尼羅河與紅海的運(yùn)河土耳其：井中國(guó)：治理黃河，大運(yùn)河，都江堰管仲（前725-前645）：修渠魯班（前507-前444）和墨子（前468-前370）：竹木雀葛洪（284-363）：竹蜻蜓（飛車(chē)）-螺旋槳、直升機(jī)旋翼公元1161年：戰(zhàn)爭(zhēng)火箭式“霹靂炮”公元前2世紀(jì)：黃帝內(nèi)經(jīng)—血液循環(huán)地中海地區(qū)（前200）：水磨伊朗（7世紀(jì)）：風(fēng)車(chē)15世紀(jì)：達(dá)芬奇（定常流），帕斯卡（1674年，流體靜力學(xué)，1671，旋渦），馬里奧特（1686年，空氣動(dòng)力學(xué)始祖）第三時(shí)期：17世紀(jì)下葉-20世紀(jì)初葉1678年：牛頓：粘性流體運(yùn)動(dòng)方程1732年：皮托：流體總壓與靜壓（皮托管）1738年：貝努利：貝努利方程1775年：歐拉：流體運(yùn)動(dòng)方程1781年：拉格朗日：動(dòng)力學(xué)條件1845年：亥姆霍茲：旋渦1883年：雷諾：層流與紊流1892年：瑞利：量綱分析法第四時(shí)期：20世紀(jì)初葉-中葉1921年：卡門(mén)：渦系（卡門(mén)渦街）1904年：普朗特：邊界層1910年：儒可夫斯基：機(jī)翼理論1939年：錢(qián)學(xué)森：機(jī)翼理論改進(jìn)1947年：計(jì)算機(jī)問(wèn)世后：J.von.諾伊曼，計(jì)算激波，計(jì)算流體力學(xué)第五時(shí)期：20世紀(jì)中葉后研究領(lǐng)域石油能源化工環(huán)保交叉學(xué)科生物流體力學(xué)天體物理流體力學(xué)磁流體力學(xué)稀薄氣體流體力學(xué)……………有關(guān)歷史摘自《中國(guó)科學(xué)縱橫》2002，12在地球45億年的歲月中，有35億年存在著生命。而人類(lèi)出現(xiàn)不過(guò)是200萬(wàn)年前的事。假設(shè)45億年是一幕24小時(shí)的戲劇，那么人類(lèi)只出場(chǎng)了38秒鐘。換句話(huà)說(shuō)：夜里11點(diǎn)59分22秒的時(shí)候，才輪到人類(lèi)登場(chǎng)。更不要說(shuō)，這38秒中，有文字記載的5000年只占大約0.09秒！1.1.2流體力學(xué)的研究對(duì)象流體力學(xué)是研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)流動(dòng)性：在靜止時(shí)不能承受切力在任何微小的切力作用下，流體將連續(xù)不斷變形。固體沒(méi)有流動(dòng)性流動(dòng)性是區(qū)別流體和固體的力學(xué)特性1.1.3連續(xù)介質(zhì)模型流體由分子組成分子間距離微小宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律統(tǒng)計(jì)平均歐拉（1755年提出連續(xù)介質(zhì)模型）密集質(zhì)點(diǎn)（流體微元）大小：微不足道大量分子有一定質(zhì)量無(wú)空隙連續(xù)體流體運(yùn)動(dòng)的物理量空間坐標(biāo)時(shí)間坐標(biāo)連續(xù)函數(shù)數(shù)學(xué)分析方法1.2作用在流體上的力1.2表面力表面力:直接接觸施加于接觸面分析：隔離體，周?chē)黧w表面力是隔離體表面某一點(diǎn)接觸力的大?。龋┯脩?yīng)力表示A點(diǎn)的微小面積：總的表面力：法向分力和切向分力平均壓應(yīng)力平均切應(yīng)力取極限：A點(diǎn)的壓應(yīng)力，壓強(qiáng)A點(diǎn)的切應(yīng)力單位：帕斯卡Pa,

1.2.2質(zhì)量力質(zhì)量力隔距離作用施加在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上質(zhì)量力離心力大小用單位質(zhì)量力表示，單位：與加速度單位相同各分量：

質(zhì)量力只有重力時(shí)單位質(zhì)量力

1.3流體的主要物理性質(zhì)1.3.1慣性慣性保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)物體要改變?cè)袪顟B(tài)，要克服慣性慣性的量度質(zhì)量是慣性大小的量度單位體積的質(zhì)量為密度密度：?jiǎn)挝唬阂后w密度隨壓強(qiáng)、溫度變化小，常數(shù)氣體密度隨壓強(qiáng)、溫度變化。1.3.2粘性粘性的表象平板間的距離為法線方向保持下板固定上板以運(yùn)動(dòng)當(dāng)較小時(shí)，各流層速度沿法線呈直線分布粘性的表象上板帶動(dòng)下板運(yùn)動(dòng),內(nèi)部各層有切向力（內(nèi)摩擦力）牛頓內(nèi)摩擦定律內(nèi)摩擦力與流速梯度成比例與流層的接觸面積成比例與流體的性質(zhì)有關(guān)與接觸面上的壓力無(wú)關(guān)流層法線方向上的變化率，速度梯度

物理意義取厚度為的流體微團(tuán)這里微團(tuán)就是質(zhì)點(diǎn)（特殊的質(zhì)點(diǎn)），只是考慮尺度效應(yīng)（旋轉(zhuǎn)，變形），稱(chēng)為微團(tuán)。密集質(zhì)點(diǎn)（流體微元）大?。何⒉蛔愕来罅糠肿佑幸欢ㄙ|(zhì)量微團(tuán)除平動(dòng)位移外，還有剪切變形物理意義：微團(tuán)的剪切變形速度（速率）

牛頓內(nèi)摩擦定律：+牛頓內(nèi)摩擦定律又表示為：物理意義：粘性是流體阻抗剪切變形的特性。是動(dòng)力粘度，單位，流體粘性大小的量度，越大，流體越粘，流動(dòng)性越差。運(yùn)動(dòng)粘度：

單位：水的粘度隨溫度升高而減小。分子距離小，分子間的引力即內(nèi)聚力。溫度升高，分子間距離增大，內(nèi)聚力減小?？諝獾恼扯入S溫度升高而增大。氣體分子距離大，分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是粘性的主要因素。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)增大，動(dòng)量交換大，粘性大。

理想流體實(shí)際流體，有粘性。無(wú)粘性的流體，小結(jié)：牛頓內(nèi)摩擦定律選擇題1.3.3壓縮性流體的壓縮性壓縮系數(shù)表示一定溫度，增加單位壓強(qiáng)，體積的變化率。值越大，越易壓縮。根據(jù)質(zhì)量不變工程大氣壓，體積模量單位：膨脹性膨脹系數(shù)：一定壓強(qiáng)下，單位溫度升高，體積變化率。單位：水的壓縮性可忽略，但在有壓管道，水擊。

不可壓縮流體流體的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中，密度不變化對(duì)于均質(zhì)的不可壓縮流體，常數(shù)。一般液體當(dāng)作不可壓縮流體