水力學(xué)知識點(diǎn)講解

1、水力學(xué)學(xué)習(xí)指南中央廣播電視大學(xué)水利水電工程專業(yè)（專科）同學(xué)們，你們好！這學(xué)期我們學(xué)習(xí)的水力學(xué)是水利水電工程專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求大家掌握水流運(yùn)動的基本概念、基本理論和分析方法，；能夠分析水利工程中一般的水流現(xiàn)象；學(xué)會常見的工程水力計算。今天直播課堂的任務(wù)是給大家進(jìn)行一個回顧性總結(jié)，使同學(xué)們在復(fù)習(xí)水力學(xué)時，了解重點(diǎn)和難點(diǎn),同時全面系統(tǒng)的復(fù)習(xí)總結(jié)課程內(nèi)容，達(dá)到考核要求。第一章緒論（一）液體的主要物理性質(zhì)1 慣性與重力特性：掌握水的密度p和容重丫；2 粘滯性：液體的粘滯性是液體在流動中產(chǎn)生能量損失的根本原因。描述液體內(nèi)部的粘滯力規(guī)律的是牛頓內(nèi)摩擦定律：dudy注意牛頓內(nèi)摩擦定

2、律適用范圍：1）牛頓流體，2）層流運(yùn)動3 可壓縮性：在研究水擊時需要考慮。4 表面張力特性：進(jìn)行模型試驗(yàn)時需要考慮。下面我們介紹水力學(xué)的兩個基本假設(shè)：（二）連續(xù)介質(zhì)和理想液體假設(shè)1 連續(xù)介質(zhì)：液體是由液體質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)體，可以用連續(xù)函數(shù)描述液體運(yùn)動的物理量。2 理想液體：忽略粘滯性的液體。（三）作用在液體上的兩類作用力第二章水靜力學(xué)水靜力學(xué)包括靜水壓強(qiáng)和靜水總壓力兩部分內(nèi)容。通過靜水壓強(qiáng)和靜水總壓力的計算，我們可以 求作用在建筑物上的靜水荷載。（一）靜水壓強(qiáng)：主要掌握靜水壓強(qiáng)特性，等壓面，水頭的概念，以及靜水壓強(qiáng)的計算和不同表示方法。1 靜水壓強(qiáng)的兩個特性：（1）靜水壓強(qiáng)的方向垂直且指向受壓面

3、（2）靜水壓強(qiáng)的大小僅與該點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)，與受壓面方向無關(guān)，2. 等壓面與連通器原理：在只受重力作用，連通的同種液體內(nèi)，等壓面是水平面。（它是靜水壓強(qiáng)計算和測量的依據(jù)）3"重力作用下靜水壓強(qiáng)基本公式（水靜力學(xué)基本公式）、pp=p o+ Y h或Z c其中：Z 位置水頭，p/ 丫一壓強(qiáng)水頭（Z+p/ Y）測壓管水頭請注意，“水頭”表示單位重量液體含有的能量。4壓強(qiáng)的三種表示方法：絕對壓強(qiáng)p',相對壓強(qiáng)P,真空度pv,f它們之間的關(guān)系為：p= p ' -pa pv= I p | （當(dāng)p V 0時pv存在）f相對壓強(qiáng):p= y h,可以是正值，也可以是負(fù)值。要求掌握絕對壓強(qiáng)、相

4、對壓強(qiáng)和真空度三者的概念和它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。1pa( 工程大氣壓)=98000N/m2=98KN/n?下面我們討論靜水總壓力的計算。計算靜水總壓力包括求力的大小、方向和作用點(diǎn)，受壓面可以 分為平面和曲面兩類。根據(jù)平面的形狀：對規(guī)則的矩形平面可采用圖解法，任意形狀的平面都可以用 解析法進(jìn)行計算。(一)靜水總壓力的計算1)平面壁靜水總壓力(1) 圖解法：大?。篜=Qb, Q -靜水壓強(qiáng)分布圖面積方向：垂直并指向受壓平面作用線：過壓強(qiáng)分布圖的形心，作用點(diǎn)位于對稱軸上。靜水壓強(qiáng)分布圖是根據(jù)靜水壓強(qiáng)與水深成正比關(guān)系繪制的，只要用比例線段分別畫出平面上倆點(diǎn) 的靜水壓強(qiáng)，把它們端點(diǎn)聯(lián)系起來，就是靜水壓強(qiáng)分

5、布圖。(2) 解析法：大小：P=pcA,p c形心處壓強(qiáng)方向：垂直并指向受壓平面 作用點(diǎn)D:通常作用點(diǎn)位于對稱軸上，在平面的幾何中心之下。求作用在曲面上的靜水總壓力P,是分別求它們的水平分力 巳和鉛垂分力Pz,然后再合成總壓力 P。(3) 曲面壁靜水總壓力1)水平分力：R=pcA= y hcAx水平分力就是曲面在鉛垂面上投影平面的靜水總壓力，它等于該投影平面形心點(diǎn)的壓強(qiáng)乘以投影 面面積。要求能夠繪制水平分力Px的壓強(qiáng)分布圖，即曲面在鉛垂面上投影平面的靜水壓強(qiáng)分布圖。2鉛垂分力：FZ=y V ,V- 壓力體體積。在求鉛垂分力 Pz時,要繪制壓力體剖面圖。壓力體是由自由液面或其延長面，受壓曲面以及

6、過曲面邊緣的鉛垂平面這三部分圍成的體積。當(dāng)壓力體與受壓面在曲面的同側(cè)，那么鉛垂分力的方向向下； 當(dāng)壓力體與受壓面在曲面的兩側(cè)，則鉛垂分力的方向向上。3合力方向：a =arctgPz下面我們舉例來說明作用在曲面上的壓力體和靜水總壓力。例5圖示容器左側(cè)由寬度為 b的直立平面AB和半徑為R的1/4圓弧曲面BC組成。容器內(nèi)裝滿水， 試?yán)L出AB的壓強(qiáng)分布圖和 BC曲面上的壓力體剖面圖及水平分力的壓強(qiáng)分布圖，并判別鉛垂作用力的方向，鉛垂作用力大小如何計算？解：(1)對AB平面，壓強(qiáng)分布如圖所示?？倝毫=1/2 y Mb;(2) 對曲面BC,水平分力的壓強(qiáng)分布如圖所示，水平分力 Px=1/2 yH+y (

7、H+R Rb:壓力體是由受壓曲面、過受壓曲面周界作的鉛垂面、向上或向下與自由表面或它的延長面相交圍 成的體積。因此，以1/4圓弧面BC為底(閃動 曲面)，以曲面兩端點(diǎn)向上作鉛垂線，與水面線相交， 圍成壓力體。由于與水接觸的受壓面與壓力體在曲面BC的同一側(cè)，因此鉛垂作用力的方向是向下的。鉛垂方向作用力的大?。篎 z= 丫 V=y (H+R)R1/4 nR b第三章液體運(yùn)動基本概念和基本方程這一章主要掌握液體運(yùn)動的基本概念和基本方程，并且應(yīng)用這些基本方程解決實(shí)際工程問題。下面我們首先介紹有關(guān)液體運(yùn)動的基本概念：（一）液體運(yùn)動的基本概念1. 流線的特點(diǎn)：反映液體運(yùn)動趨勢的圖線流線的性質(zhì)：流線不能相交

8、；流線不能轉(zhuǎn)折。2 .流動的分類液流非恒定流恒定流均勻流：過水?dāng)嗝嫔戏蔷鶆蛄鳚u變流急變流在均勻流和漸變流過水?dāng)嗝嫔?，壓?qiáng)分布滿足:c另外斷面平均流速和流量的概念要搞清。（二）液體運(yùn)動基本方程1. 恒定總流連續(xù)方程v iA= v 2A2 ,Q=vAV2Vi利用連續(xù)方程，已知流量可以求斷面平均流速，或者通過兩斷面間的幾何關(guān)系求斷面平均流速。2. 恒定總流能量方程zip2 iVi2gZ2P222V22ghw2斷面的J=水力坡度，表示單位長度流程上的水頭損失。能量方程是應(yīng)用最廣泛的方程，能量方程中的最后一項(xiàng)hw是單位重量液體從1斷面流到平均水頭損失，在第四章專門討論它的變化規(guī)律和計算方法，（1）能量方

9、程應(yīng)用條件:恒定流，只有重力作用，不可壓縮 漸變流斷面，無流量和能量的出入（2 ）能量方程應(yīng)用注意事項(xiàng)三選：選擇統(tǒng)一基準(zhǔn)面便于計算 選典型點(diǎn)計算測壓管水頭 選計算斷面使未知量盡可能少 （壓強(qiáng)計算采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)）（3）能量方程的應(yīng)用：:斷面平均流速，管道壓強(qiáng)，作用水頭等。它經(jīng)常與連續(xù)方程聯(lián)解求 文丘里流量計是利用能量方程確定管道流量的儀器。畢托管則是利用能量方程確定明渠（水槽）流速的儀器。當(dāng)我們需要求解水流與固體邊界之間的作用力時，必須要用到動量方程。3恒定總流動量方程刀 Fx= p Q 2 V 2x-卩 1 V 1x )刀 Fz= p Q2 V 2z -卩 1 V 1z ）B動量修正系數(shù)，一般取

10、B=1.0式中：刀Fx、刀Fy、刀Fz是作用在控制體上所有外力沿各坐標(biāo)軸分量的合力，Vi,V2i是進(jìn)口和出口斷面上平均流速在各坐標(biāo)軸上投影的分量。動量方程的應(yīng)用條件與能量方程相似，恒定流和計算斷面 應(yīng)位于漸變流段。應(yīng)用動量方程特別要注意下面幾個問題：（2）動量方程應(yīng)用注意事項(xiàng)：a）動量方程是矢量方程，要建立坐標(biāo)系。（所建坐標(biāo)系應(yīng)使投影分量越多等于0為好，這樣可以簡化計算過程。）b）流速和力矢量的投影帶正負(fù)號。（當(dāng)投影分量與坐標(biāo)方向一致為正，反之為負(fù)）c）流出動量減去流入動量。d）正確分析作用在水體上的力，一般有重力、壓力和邊界作用力（作用在水體上的力通常有重力、壓力和邊界作用力 ）e）未知力的

11、方向可以任意假設(shè)。（計算結(jié)果為正表示假設(shè)正確，否則假設(shè)方向與實(shí)際相反）通常動量方程需要與能量方程和連續(xù)方程聯(lián)合求解。下面我們舉例說明液體動量方程的應(yīng)用：例3水平床面河道上設(shè)一弧形閘門，閘前漸變流斷面1的水深為H閘下收縮斷面 2的水深hc,閘門段水頭損失為1斷面流速水頭的1.2倍，求水流對弧形閘門的作用力F?解：（1 ）連續(xù)方程解：根據(jù)題意，求水流對邊界的作用力，顯然要應(yīng)用動量方程求解，由于流速流量未知，首先要 利用連續(xù)方程和能量方程把動量方程中的所需的流速v、流量Q計算出來。）HV2V1 ()5 V1hc（2 ）能量方程求 卩2Z1取河床水平面為基準(zhǔn)面,取 a 1=a 2=1.0健立1 1,2

12、P11V12g代表點(diǎn)選在水面，則22斷面的能量方程）2p22V2Z2chw2g2p1=p2=0,水頭損失 hw=1.2v 1/2g.V12V10 hc2g25v122g2V11.22g.25.2 2g(H hc)（3）用動量方程求水流對弧形閘門的作用力（取包括閘門段水體進(jìn)行示力分析，建立圖示坐標(biāo)，因水體僅在X方向有當(dāng)動量變化，故設(shè)閘門對水體的反作用力為水平力RX,方向如圖所示，作用在水體上的重力沿x方向?yàn)榱悖﹛方向的動量方程：P1- P 2- R x = p Q （v 2-V 1）/. R x= P 1 - P 2 - p Q （v 2-V 1）對于所取的兩漸變流斷面：Pi=1/2 Y HfB

13、; P 2=1/2 Y hc2B水流對弧形閘門的作用力F與R大小相等，方向相反，作用在水體上）下面我們簡單介紹液體運(yùn)動三元流分析的基礎(chǔ)。（三）三元流分析的基礎(chǔ)* （不做考試要求）液體微團(tuán)運(yùn)動的基本形式：平移、線變形、角變形、旋轉(zhuǎn)2. 有旋流動與無旋流動的區(qū)別。當(dāng)3 x=3 y=3 z=0,為無旋流動或稱有勢流動。3. 平面勢流的特點(diǎn)滿足無旋條件：丄（=0 ） 存在勢函數(shù)0z 2 x y滿足連續(xù)方程：匕業(yè)x y第四章流態(tài)與水頭損失在討論恒定總流能量方程時我們曾經(jīng)介紹過，水頭損失hw是非常復(fù)雜的一項(xiàng)內(nèi)容，我們將就討論水頭損失以及與水頭損失有關(guān)的液體的流態(tài)。（一）水頭損失的計算方法1.總水頭損失：h

14、 w=刀hf（1）沿程水頭損失：達(dá)西公式l 2hf圓管hf4R 2gd 2g入一沿程水頭損失系數(shù)圓管要計算沿程水頭損失，關(guān)鍵在于確定沿程水頭損失系數(shù)入。A水力半徑R （2）局部水頭損失Z局部水頭損失系數(shù)從沿程水頭損失的達(dá)西公式可以知道, 而入值的確定與水流的流態(tài)和邊界的粗糙程度密切相關(guān)。下面我們就首先討論液體的流態(tài)。（二）液體的兩種流態(tài)和判別（1）液體的兩種流態(tài)：雷諾實(shí)驗(yàn)層流一液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻的層狀流動。h f % V1.0紊流一存在渦體質(zhì)點(diǎn)互相混摻的流動。1.75-2hf * V當(dāng)流速比較小的時候，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻，定義為層流。當(dāng)流速比較大的時候，各流層內(nèi)存在渦體，并且流層間的質(zhì)

15、點(diǎn)互相混摻，定義為紊流。那么液體的流態(tài)怎樣進(jìn)行判別呢?(2) .流態(tài)的判別：雷諾數(shù) Re,廣明槽：Re _R Rek=500v圓管：Re ,Rek=2000VV v流態(tài)的判別的概化條件：Rev Rq 層流；Re > Rq紊流判別水流流態(tài)的雷諾數(shù)是重要的無量綱數(shù)，它的物理意義表示慣性力與粘滯力的比值。3. 圓管層流流動(1) 斷面流速分布特點(diǎn)：拋物型分布，不均勻：umax 2v(2) 沿程阻力系數(shù)：64Re層流流動的沿程水頭損失系數(shù)入只是雷諾數(shù)的函數(shù)，而且與雷諾數(shù)成反比。 那么紊流中入是怎么計算的呢？首先要了解一下紊流的特性。4. 紊流運(yùn)動特性(1) 紊流的特征一液層間質(zhì)點(diǎn)混摻，運(yùn)動要素的

16、脈動(2) 紊流內(nèi)部存在附加切應(yīng)力：(3) 紊流邊界有三種狀態(tài)：紊流中：當(dāng)Re較小 v 0.3水力光滑當(dāng)Re較大 6水力粗糙；0當(dāng)艮介于兩者之間0.36過渡區(qū)0(4)紊流流速分布(紊流流速分布比層流流速分布更加均勻)u對數(shù)流速分布ux lny cn指數(shù)流速分?jǐn)?shù)丑 丫Um °5當(dāng) Re v 10 n=1/7通過尼古拉茲實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)紊流三個流區(qū)內(nèi)5.的沿程水力摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。(人工粗糙管)_ARe入的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)層流區(qū)：入=f 1(Re)="光滑區(qū)：入=f2 (Re) 紊流區(qū)：過渡區(qū)：入=f 3 (Re,)0、粗糙區(qū)：入=f 4 ()紊流粗糙區(qū)也稱為紊流阻力平方區(qū)，

17、沿程水力摩擦系數(shù)入與雷諾數(shù)無關(guān)，所以沿程水頭損失與流速成正比。與雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)杲一致。在實(shí)際水利工程中常用舍齊公式和曼寧公式計算流速或沿程水頭損失，需要掌握。6.舍齊公式與曼寧公式舍齊公式：v C RJ曼寧公式：C 1r1/6適用：紊流阻力平方區(qū)n»通常水頭損失計算常用：8gC2第五章有壓管流(一)有壓管道恒定流1 小孔口恒定出流:自由出流 Q A 2gH淹沒出流QAj2gz卩一流量系數(shù)，卩=0.600.62z 上下游水位差。H卩1.管嘴恒定出流1流量公式：QAj2gH管嘴流量系數(shù)=0.82工作條件：1= (34) d管嘴與孔口相比，收縮斷面C C處存在負(fù)壓，所以同樣條件下，管嘴的流量系

18、數(shù)大，表明其過流能力大。(二) 簡單管道水力計算(1) 短管和長管(2) 管流的計算任務(wù)：a )求過流能力Qb)確定作用水頭Hc)測壓管水頭線和總水頭線的繪制。(3) 短管水力計算自由出流流量公式：Q cA 2gH01流量系數(shù)：c 1? 7b) 淹沒出流公式：qcA.2gZ1c .1.d(4)長管水力計算 特點(diǎn)：2 V2ghj忽略不計基本公式:hfd 2gq22lAcR 流量模數(shù)(5)水頭線繪制注意事項(xiàng):(1 )局部水頭損失集中在一個斷面（2）管中流速不變，總水頭線平行于測壓管水頭線（3）總水頭線總是下降，而測壓管水頭線可升可降（4）當(dāng)測壓管水頭線在管軸線（位置水頭線）以下，表示該處存在負(fù)壓（

19、5）注意出口的流速水頭（自由出流）或局部損失（淹沒出流）。一 下面我們舉例說明簡單管道的水力計算方法。例1:倒虹吸管，已知 Q=0.5m3/s，管徑Z彎=0.2 , z出口 =1.0。求：上下游水位差解：QcA.2gZ.'進(jìn)口 2 彎 出口c !rni61 d6-(-)0.014 41l-l-8g0.02441d3z2g 2A2（三）管道非恒定流一水擊1.水擊現(xiàn)象:（畫圖）水擊定義：當(dāng)閥門突然啟閉，流速急劇改變引起水流壓強(qiáng)大幅度升降，向上游或下游傳播， 并在邊界上反射1i1的現(xiàn)象。（水擊壓強(qiáng)以壓力波的形式向上游或下游傳播）2水擊的波速和相長水擊波速1435/,、a（m/s）K D.1

20、一 E相長是水擊波傳播一個來回的時間,2LL是管長）周期3水擊分類：4L2Ta相長(1 )直接水擊TsW Td=0.53m,n=0.014 , l =70m上下游的流速水頭忽略 不計，Z進(jìn)口 =0.4 ,（從邊界反射減壓波尚未回到閥門處，閥門已關(guān)閉，水擊壓強(qiáng)達(dá)到最大值）（2 ）間接水擊Ts > T（與上反之）4直接水擊壓強(qiáng)計算：p a（V0 V）H a（V0 V）g因此在水利工程中的水輪機(jī)、泵站的壓力管道設(shè)計中，必須十分重視水擊的影響，防止發(fā)生水擊破壞。延長閘門的關(guān)閉時間和縮短壓力管道的長度，使管道內(nèi)產(chǎn)生間接水擊是降低水擊壓強(qiáng)的有效措 施。第六章明槽水流運(yùn)動明渠水流主要討論四部分內(nèi)容：1

21、.明渠均勻流水力計算；2.明渠水流流態(tài)的判別；3.水躍及水躍共軛水深計算；4.明渠非均勻流水面曲線分析和計算。（一）明槽均勻流1. 均勻流特征：（1）水深，底坡沿程不變（過水?dāng)嗝嫘螤畛叽绮蛔儯?）斷面平均流速沿程不變（3） 三線平行J = J z= i（總水頭線、水面線、渠底）2. 均勻流形成條件：恒定流，長直棱柱體渠道，正坡渠道，糙率沿程不變3. 明槽均勻流公式：Q = V A.Q AC jRi K、iC * r1/ 6 K AC JR 流量模數(shù)4. 明槽均勻流水力計算類型：（1）求流量Q（2）求渠道糙率n（3）求渠道底坡：（4）設(shè)計渠道斷面尺寸求正常水深ho、底寬b對于以上問題都可以直接

22、根據(jù)明渠均勻流公式進(jìn)行計算。（二）明槽水流的流態(tài)和判別1. 明槽水流三種流態(tài)：緩流 急流 臨界流在這里我們要注意把明槽水流的三種流態(tài)與前面討論過的層流、紊流區(qū)分開來。3佛汝德數(shù)Fr :VFrJg h佛汝德數(shù)Fr是水力學(xué)中重要的無量綱數(shù)，緩流、急流、臨界流是對有自由表面的明槽水流的分類；層流、紊流的分類是對所有水流（包括管判別指標(biāo)VwFrhk,i k （均勻流）緩流V < VwFr v 1h>hki v i k急流V > VwFr > 1h<hki > i k臨界流V = VwFr = 1h=hki = i k流和明槽水流）都適用；2.明槽水流流態(tài)的判別:慣性

23、力重力它表示慣性力與重力的對比關(guān)系，與雷諾數(shù)一樣也是模型實(shí)驗(yàn)中的重要的相似準(zhǔn)數(shù)，雷諾數(shù)表示慣性力與粘滯力的對比關(guān)系。(3)斷面比能Es: Es h2Q229 h 2gA2注意：臨界水深是流量給定時，相應(yīng)于斷面比能最小值時的水深。(5)臨界底坡ik :均勻臨界流時的底坡。ik，dEsdh> 0緩流r2 V 0急流Fr J=0 臨界流斷面比能Es是以過明渠斷面最低點(diǎn)的水平面為基準(zhǔn)的單位重量水體具有的總機(jī)械能。需要注意，。不同斷面的斷面比能，它的基準(zhǔn)面是不同的，所以斷面比能沿流程可以減少，也可以增加 或不變，均勻流各斷面的斷面比能就是常數(shù)。Bk(4)臨界流方程:q!g般斷面)臨界水深hk:(矩

24、形斷面)hk須要強(qiáng)調(diào)，緩坡上如果出現(xiàn)非均勻流，那么緩流、急流都可以發(fā)生。對于陡坡也同樣如此。 下面舉例說明流態(tài)的判別：(三) 水躍和跌水hk變?yōu)樾∮谂R界水深，常發(fā)生在跌坎和緩坡向等J 8Fr； 11. 跌水：由緩流向急流過渡。水深從大于臨界水深 陡坡過渡的地方。2 水躍：由急流向緩流過渡產(chǎn)生的水力突變現(xiàn)象。水平矩形斷面明渠水躍：(1)水躍方程：J (hi) =J (h2)(2 )共軛水深公式：h2 8Fr： 1和h(3) 水躍長度 I j = 6.9 ( h 2 - h 1)例3矩形渠道i=0.0007, b=2m, n=0.0248，當(dāng)ho=1.5m時，求渠內(nèi)流量 Q和流態(tài)?解(這是求渠道過

25、流能力的問題首先計算明渠斷面幾何參數(shù)。)_ , 2面積 A=bh=3m濕周 ：X=b+2h=5 m水力半徑：R=A/X=0.6m (代入明渠均勻流公式)：Q AC Ri 丄 AR23i122.28m3 / snQ=2.28m3/s(即該渠道能通過流量)hk=p g=0.467m<h=1.5m,故為緩流例4：平板閘門局部開啟，Q = 20.4m /s，出閘水深 hi = 0.62m , b = 5m。下游水深 ht=2.0m，是否發(fā)生水躍？假如在 hi處發(fā)生水躍，求躍后水深h2和水躍形式。解（首先判斷出閘水流的流態(tài)）（單寬流量）Q 4.08m3 /s m b取 a = 1.0hk3q2,4

26、-081.19m' g 9.8h i v h k 二是急流hi = 0.62 mh2hi28q2-2 ghi2.05 mh2>h t,所以為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。（四）明槽恒定非均勻流特征（1）h沿流程改變（2）v沿流程改變 ；（3） 水面線不平行于渠底，Jz工i （水面線不再是平行于渠底的一條直線。）（五）棱柱體明槽恒定非均勻流水面曲線分析1 .基本方程：dh i Q2 K2 ds 1 Fr2（dh/ds表示沿流程水深的變化規(guī)律）0 ds2. 水面曲線分類：壅水曲線（水深沿流程增加）降水曲線（水深沿流程減?。?.底坡分類：i v ik緩坡i > 0正坡 i =i k臨界坡i v i

27、 k陡坡i =0 平坡i v 0逆坡3. 兩條水深控制線（1） i > 0,存在N-N線（正常水深h。控制線）（2）各種底坡都存在 k-k線（臨界水深hk控制線，沿程不變）（3）N-N線與K-K線劃分12個流區(qū)。5. 水面線變化規(guī)律2條水深線把5種底坡上的流動空間劃分為12個流區(qū)，每個流區(qū)有一條水面曲線，共有12條不同類型的水面曲線，他們的變化規(guī)律總結(jié)如下：（1）每個流區(qū)只出現(xiàn)一種水面線（2）a、c為壅水曲線，b為降水曲線（3） 接近K-K線趨于正交；（發(fā)生跌水或水躍）接近 N-N線趨于漸近（除a3、c3線）（4） 控制斷面：急流在下游，緩流在上游（5 ）正坡長渠道無干擾的遠(yuǎn)端趨于均勻流

28、4. 水面線連接的規(guī)律（1）緩流向急流過渡 一一產(chǎn)生跌水（2）急流向緩流過渡一一產(chǎn)生水躍（3）緩流緩流，只影響上游例1:緩坡連接緩坡，后接跌坎（i 1>i 2）（a 1線和N2線后出現(xiàn)并且加粗）圖示緩坡接緩坡,（i 1> i2）上游來流為均勻流，下游也趨向于均勻流，從N線要與N2線連接。根據(jù) 水面線連接的原則，緩坡連接緩坡影響上游段，即上游形成a1型壅水曲線。從另一角度分析若在下游坡從N1到N2,則在b1區(qū)發(fā)生壅水曲線，這是不可能的。此例也說明底坡改變將產(chǎn)生非均勻流。例2 :陡坡連接緩坡：分析：水深從陡坡 h1< hk轉(zhuǎn)入緩坡b,水面線必為壅水曲線。然而，無論在陡坡b2和緩坡

29、b1區(qū)均不發(fā)生壅水，這就是從急流到緩流必定發(fā)生水躍，水躍的位置有三種情況，需根據(jù)共軛水深條件經(jīng)計 算確定。下面我們介紹恒定非均勻流水面曲線的計算。（六）恒定非均勻流水面曲線計算1基本萬程dEs . Q2.,sEs Esd Ei2 i Jdsk2i Ji J分段求和法：（差分方程）差分方程用平均水力坡度代替某點(diǎn)的水力坡度。2計算步驟（1）定性分析棱柱體渠道水面線（確定壅水或降水，非棱柱體不用分析）（2）確定控制斷面水深（急流向下游，緩流向上游計算） 設(shè)相鄰斷面水深，取h=0.10.3m（把渠道分成若干斷面）第七章泄水建筑物水流問題（一）堰流和閘孔出流圖示堰流和閘孔出口，堰和閘通常是一體的。當(dāng)閘門

30、對水流不控制時，這就是堰流。當(dāng)閘門從上 面對水流控制，這就是閘孔出流。1. 堰閘出流的區(qū)別： 堰流和閘流的判別：平頂堰：e < 0.65閘孔出流HeH > 0.65堰流曲線堰：e < 0.75閘孔出流HeH > 0.75堰流2. 堰流:1）堰流基本公式：根據(jù)能量方程可以導(dǎo)出Q m ! sb.2gH。2m 流量系數(shù)（與堰型、進(jìn)口尺寸、堰高P,及水頭H有關(guān)）£ 1側(cè)收縮系數(shù)（與堰型、邊壁條件、淹沒程度、水頭H孔寬、孔數(shù)有關(guān)）d s淹沒系數(shù)（與水頭 H和下游水深有關(guān)）2）三種堰型：薄壁堰：測流實(shí)用堰： WESIg特點(diǎn)：H=H ,m d=0.502 （H 變化，相應(yīng)

31、m也變化）寬頂堰：max =0.385，淹沒堰流的水流特性，淹沒條件:hs> 0.8, d s< 1(圖)H。3）計算任務(wù):(1)確定過流能力Q Qm 1 sb . 2g H：2確定流量系數(shù)m: m 1_Qsb、2gH；/2確定眼堰頂水頭 H: H02/31 sb、2gm3閘孔出流：（閘門形式可以分成平板閘門和弧形閘門，出圖）（1）水流特征：收縮斷面水深hc2e基本公式Q s be、.2gh°流量系數(shù)=F （閘門形式，閘底坎形式）s 淹沒系數(shù)，出現(xiàn)遠(yuǎn)離或臨界水躍時，s=1。下面舉例說明閘孔出流計算例:（矩形渠道中修建）單孔平板閘門，b=3m,H=6m,e=1.5m,下游水

32、深ht=3.6m,求：通過的流量。 解：（1）不考慮淹沒影響e7=0.25V 0.65 （圖縮小放此屏后側(cè)）閘孔出流 （寬頂堰上平板閘門）e0.60 1.760.556HQ be 2gh 27.13m3/s由于下游水深ht =3.6m,是否淹沒還需要判斷（2）判斷淹沒情況：eHhc= eVc當(dāng)0.25查& 2=0.622 （收縮端面水深為）2e=0.933mQ 9.693m/s 求對應(yīng)于hc的共軛水深，以判別是否淹沒）bc hchc2 （ 1 81）3.789m2. ghc/ hc2>ht 自由出流。淹沒系數(shù)b s=1我們比較一下堰流和閘孔出流的過流能力堰流:Q H；2閘孔出流:

33、Q H；2在同樣的條件下，水頭 H的增加，堰流量要比閘孔通過的流量增加的快得多。所以在水利工程中 經(jīng)常利用堰及時排放汛期的洪水。（二）水流銜接水利工程中，從溢流壩、泄洪陡槽、閘孔、跌坎等水工建筑物下泄的水流具有流速高、動能大而 且集中。因此我們必須要采取工程措施，消耗水流多余的能量，使下泄水流與下游河道能平順地銜接。 否則如果不采取工程措施，就會造成下游河床嚴(yán)重的沖刷，影響水工建筑物的正常運(yùn)行。hthc水流銜接形式1 )當(dāng) ht vhe :遠(yuǎn)驅(qū)水躍，b j<1。遠(yuǎn)驅(qū)水躍在渠道中出現(xiàn)急流段，對河床沖刷能力強(qiáng)，不利于河床和建筑物的安全。 :臨界水躍，bj=1,。臨界水躍十分不穩(wěn)定，水流條件微

34、小的改變，會使臨界水躍變?yōu)槠渌问降乃S。 htjhe從圖中可知:2 ）當(dāng) ht= h3）當(dāng)ht> h淹沒水躍，he(T j > 1淹沒系數(shù)，它代表下游水深 ht與收縮斷面水深的共軛水深的比值。（三）水流消能根據(jù)上面的分析，我們可以知道，遠(yuǎn)驅(qū)水躍存在急流段對下游最為不利；臨界水躍不穩(wěn)定，容易變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)水躍。對于淹沒水躍，當(dāng)淹沒系數(shù)大于1.2時，也不利于消能。因此通常需要采取修建消力池等工程措施，形成淹沒系數(shù)為1.051.10的淹沒水躍與下游水流銜接。1. 常用消能方式（1）底流消能一水躍消能（利用從急流到緩流產(chǎn)生水躍的劇烈翻騰的旋滾，消耗水流多余的能量，適用于中低水頭和地質(zhì)條件差的情

35、況，在渠道中閘和跌坎的下游廣泛應(yīng)用）（2）挑流消能（在泄水建筑物末端修建跳坎，把下泄水流挑射到遠(yuǎn)離建筑物的地方，水流在空中跌落擴(kuò)散，落入河道與水流碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動混摻，消耗大量能量，多用于高水 頭和地質(zhì)條件好的情況）降低護(hù)坦形成消力池 護(hù)坦末端修建消力坎 綜合式消力池2. 底流消能：底流消能一般采用消力池形式。 （1）消力池的類型：a）b）e）(2)降低護(hù)坦消力池設(shè)計 1）消力池深d=a)d （根據(jù)圖示的幾何關(guān)系，消力池深d等于）b j he - z-h t其中：he12g ( ht)2(j he)2d：h消能池通常也可以用下式估算池深 dd= b j -h t（2）消力池長度的計算（由于消

36、力池末端池壁的作用，消力池中水躍長度比自由水躍Lj短）L k=（0.70.8）L j（3）設(shè)計流量池深設(shè)計流量（hht）m >Q（保證水躍不發(fā)生在池外）池長設(shè)計流量Q max例1 （如圖示水閘）已知：（閘前水深）H=5n,（開度）e=1.25m,（下游水深）ht=2.3m,求：（1）收縮斷面水深hc 解：（1）計算（2）判別是否要建消力池。（3）粗估消力池深 hc （閘孔出流）e0.60 0.1760.556H假設(shè)自由出流,（單寬流量）H=HQbq_He 2gh 6.88m3/ s1.38m3/s2g0.10 mHoe 2gH。36.95m /sV25.10m2g（說明行進(jìn)流速對計算過流

37、能力有影響）ec= £ 2e=0.78m21 8131)3.19m0.25（查平板閘門垂直收縮系數(shù)表）查得& 2 =0.622（2）判別水躍形式 （求hc對應(yīng)的躍后水深）h, > ht所以產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍下游需要建消力池：d= d j -ht第八九章滲流和相似理論（一）滲流滲流運(yùn)動是指水在有孔隙的土壤或巖石中的流動，如在土壩、井、閘壩的基礎(chǔ)內(nèi)均存在地下水的滲流 運(yùn)動（由于自然界土壤組成的復(fù)雜性，地下水在土壤孔隙中的流動難以完全了解和表達(dá)，因此引入了 滲流模型的概念）。1滲流模型（1）概念：忽略全部土壤顆粒的體積（或存在），認(rèn)為地下水的流動是連續(xù)地充滿整個滲流空間。（2 ）滲流模型的條件：與實(shí)際滲流保持相同的邊界條件、滲流流量和水頭損失。需要注意的是：土壤中實(shí)際滲流的流速是大于在滲流模型中計算得到的滲流流速，在滲流中討論 的都是模型滲流流速。2 .滲流基本定律（1）達(dá)西定律：斷面平均流速：u = kJ式中：J 滲透坡降；k土壤的滲