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水利基础知识集锦——水力学小知识

2017-01-05 16:22浏览数:319

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。

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。