水力學基本概念

1、本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學校考研用書感謝 lucky細心整理1本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理目錄緒論：1第一章：水靜力學1第二章：液體運動的流束理論 2第三章：液流形態(tài)及水頭損失 3第四章：有壓管中的恒定流 4第五章：明渠恒定均勻流 4第六章：明渠恒定非均勻流 5第七章：水躍6第八章：堰流及閘空出流 6第九章：泄水建筑物下游的水流銜接與消能 7第十一章：明渠非恒定流 8第十二章：液體運動的流場理論 8第十三章：邊界層理論 9第十四章：恒定平面勢流 9第十五章：滲流10第十六章：河渠挾沙水流理論基礎 10第十七章：高速水流 1

2、0緒論：1水力學定義：水力學是研究液體處于平衡狀態(tài)和機械運動狀態(tài)下的力學規(guī)律，并探討利用這些規(guī)律解決工程實際問題的一門學科。2理想液體：易流動的，絕對不可壓縮，不能膨脹，沒有粘滯性，也沒有表面張力特性的連 續(xù)介質(zhì)。3粘滯性：當液體處在運動狀態(tài)時， 若液體質(zhì)點之間存在著相對運動，則質(zhì)點見要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運動，這種性質(zhì)稱為液體的粘滯性?？梢暈橐后w抗剪切變形的特性。（沒有考慮粘滯性是理想液體和實際液體的最主要差別）4動力粘度：簡稱粘度，面積為1m2并相距1m的兩層流體，以1m/s做相對運動所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。5連續(xù)介質(zhì)：假設液體是一種連續(xù)充滿其所占空間毫無空隙的連續(xù)體。6研究水力學的三種基本方

3、法：理論分析，科學實驗，數(shù)值計算。第一章：水靜力學2）等壓面的應用；（3）壓要點：（1）靜水壓強、壓強的量測及表示方法; 力體及曲面上靜水總壓力的計算方法。7靜水壓強的兩個特性：1 ）靜水壓強的方向與受壓面垂直并指向受壓面2）任一點靜水壓強的大小和受壓面方向無關，或者說作用于同一點上各方向的靜水壓強大小相等。8等壓面：1）在平衡液體中等壓面即是等勢面2）等壓面與質(zhì)量力正交 3）等壓面不能相交4）絕對靜止等壓面是水平面5）兩種互不相混的靜止液體的分界面必為等壓面6）不同液體的交界面也是等壓面9靜水壓強的計算公式：p=po+ p ghp w210繞中心軸作等角速度旋轉(zhuǎn)的液體：Z+ g- 7?=常數(shù)

4、pg厶11絕對壓強：以設想沒有大氣存在的絕對真空狀態(tài)作為零點計量的壓強，稱為絕對壓強。12相對壓強：p = ?- ?13真空度：是指該點絕對壓強小于當?shù)卮髿鈮簭姷臄?shù)值，?= ?- ?14壓強的測量：測壓管，U型水銀測壓計，差壓計p15靜止液體內(nèi)各點，測壓管水頭等于常數(shù)，z+ g= cP D16作用在矩形上的靜水總壓力：（畫圖是考點）1）按一定比例，用線段長度代表改點靜水壓強的大小2）用箭頭表示靜水壓強的方向，并與作用面垂直P3717靜水總壓力的計算：F?= ?確?？?為平面形心在點 C液面下的淹沒深度）IL?= ?+ （ ?是形心到液面的傾斜距離，I “為面積慣矩）L Au18矩形，繞形心軸的

5、面積慣矩:I?=詁? ?圓形平面繞圓心軸線的面積慣矩：?= 4?19作用在曲面上的靜水總壓力：F?= ?h?, FPz =?, F?汙“第+ ?g , tan a =F P?Fp?20沉體：如果質(zhì)量力大于上浮力，物體就會下沉，直到沉到底部才停止下來，這樣的物體 稱為沉體。浮體：如果質(zhì)量力小于上浮力，物體就會上浮，一直要浮出水面，且使物體所排開的液 體的重量和自重剛好相等后，才能保持平衡狀態(tài)，這樣的物體我們稱為浮體。（定傾中心要高于重心）潛體：質(zhì)量力等于上浮力，物體可以潛沒于水中任何位置而保持平衡，這樣的物體稱為 潛體。（重心位于浮心之下）21平衡的穩(wěn)定性：是指已處于平衡狀態(tài)的潛體，如果因為某種

6、外來干擾使之脫離平衡位置 時，潛體自身恢復平衡的能力。22壓力體剖面圖：1）受壓曲面本身2）液面或者液面的延長面 3）通過曲面的四個邊緣向 液面或液面的延長面所做的鉛錘平面。第二章：液體運動的流束理論要點：（1）能量方程的應用條件和應用方法；（2）動量方程的應用條件和應用方法23恒定流：在流場中任何空間點上所有的運動要素都不隨時間而改變。非恒定流：流場中任何空間點上有任何一個運動要素是隨時間而變化的，這種流稱為非 恒定流24流線：某一瞬時在流場中繪出的一條曲線，在該曲線上所有各點的速度向量都與該曲線 相切。跡線：某一液體質(zhì)點在運動過程中，不同時刻所流經(jīng)的空間點所練成的線稱為跡線。25恒定總流得

7、連續(xù)性方程：Q= Ai?= ?26均勻流：水流的流線為相互平行的直線。非均勻流：水流的流線不是互相平行的直線。漸變流：當水流的流線雖然不是互相平行直線，但幾乎近于平行直線時成為漸變流（流線之間夾角很小或流線曲率半徑很大）。若流線之間夾角很大或者流線的曲率半徑很小，這種水流稱為急變流。27不可壓縮液體恒定總流得能量方程：？+ - + 2 = ? + + ? ?pg 2gPg 2g-條件：恒定流，只有質(zhì)量力，斷面符合漸變流，兩個斷面之間，流量保持不變，沒有加 入或者流出注意：同一基準面，壓強必須采用相同的標準，管道選管軸中心，明渠選自由液面，ai, a?可以取128 J總水頭線坡度：簡稱水力坡，總

8、水頭線沿流程的降低值與流程長度之比。29恒定總流的動量方程：pQ傷？-價？）=刀？注意：首先確定投影軸，并表明軸的方向，必須是輸出的動量減去輸入的動量第三章：液流形態(tài)及水頭損失要點：（1）層流及紊流的概念；（2）沿程水頭損失與局部水頭損失的概念；（3）?圓管均勻?qū)恿鲾嗝嫫骄魉偌扒袘Φ姆植家?guī)律t=r為距圓管軸的距離，?為圓管半徑4）圓管均勻流沿程水頭損失與切應力之間的關系 ?= ?30水頭損失的必備條件：1 ）液體具有粘滯性2）由于固體邊界的影響，液流內(nèi)部質(zhì)點之間產(chǎn)生相對運動。寬淺明渠:一 ?T= (1 - ?) ?31濕周x：液流過水斷面與固體邊界接觸的周界線水力半徑R:過水斷面的面積與濕

9、周的比值 ?32水頭損失公式：？?？= E?+ E? "?= ?達西公式刀?=?33雷諾Re=? > 2000湍流；粘性底層的厚度:ao =32.8? ? V ?4本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學校考研用書感謝 lucky細心整理#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理34層流：當流速較小時，各流層的液體質(zhì)點是有條不紊地運動，互不混雜紊流（湍流）：當流速較大時，各流層的液體質(zhì)點形成渦體，在流動過程中，互相混摻35 i光滑區(qū) < 0.3a1）波拉休斯公式:0.316入=?44000<Re<1051Q2)尼庫

10、拉茲公式：亍=2 lg(?V?)- 0.8 Re<106ii過渡粗糙區(qū)0.3 < - <6a012.51?6V?= -2 g( ?V?37?)3000<Re<10iii粗糙區(qū)即阻力平方區(qū)二>6入=1Re>382（?）旳2lg （3.7?） 136沿程水頭損失的經(jīng)驗公式-謝齊公式v = Cv?曼寧公式：C訪?瀘巴甫洛夫斯基公式：C#?）? y=2.5V?）- 0.13 - 0.75 V?（V）? 0.10） R<1.0m 時 y=1.5V?R>1.0m 時 y=1.3V?37局部水頭損失：進水口：叼=0.5 ；出水口：直=1 ；局部擴大：=（

11、?|）2 -；局部縮小：83 =0.5 1 -（尋）2（?,?分別對應前后兩個管道）第四章：有壓管中的恒定流要點：（1）長管與短管的概念；（2）長管與短管的水力計算方法；（3）倒虹 吸管與虹吸管的概念。虹吸管：是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其搞成高于上 游供水水面?？缭礁叩?，減少挖方。長管：水頭損失以沿程水頭損失為主，其局部水頭和流速水頭在總損失中所占比 例很小，計算時可以忽略不計的管道短管：局部損失及流速水頭在總損失中占有相當?shù)谋戎?，計算時不能忽略的管道。38簡單管道：管道直徑不變且無分支的管道自由出流：管道出口水流流入大氣，水股四周都受大氣壓強的作用Q =卩?？?/2?其中：p?=-4 n

12、R2V1+?）+ E?4淹沒出流：管道出口如果淹沒在水下，則稱為淹沒出流1Q=其中：卩?=?為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)V?扌 E?<2? 8?長管：H=h?=?流量Q=KV ?流量模數(shù)K=ACvR謝齊系數(shù)C=V?d = V? ?V?d = V?考慮技術要求和經(jīng)濟條件）?2?2?239 串聯(lián)管道 H = h?1+ h?2+ h?3=看？?+ 看？+ 虧？串聯(lián)管到 Q1 = Q2 = Q3并聯(lián)管道 h?= h?1 = h?2= h?3，?2 ?>, ?2h?1 =?i?h?2=巨？?，h?3=-2? , Q =Q1+Q2+Q340沿程均勻泄流管道的水力計算：?H?= ?, (?+ 0.55?

13、=?2? ?>- ?+ 0.55?為折算流量分叉管道:?H1 = h?+ h?=?2 ?2 ? ?2?2? H2 = h?+ h?2=?2?虧？ Q = Q1 + Q2第五章：明渠恒定均勻流要點：（1明渠均勻流的概念；（2明渠均勻流水力計算方法；（3）正常水 深的概念及表示方法；（4）水力最佳斷面的概念及梯形斷面明渠的水力最佳斷 面比：（5）寬淺式明渠的概念：斷面為寬而淺的明渠41明渠恒定均勻流：在明渠恒定流中，如果流線是一簇平行直線，則水深、斷面平均流速 及流速分布均沿程不變，則稱為明渠恒定均勻流。否則若流線不是平行直線，則稱為明渠恒 定非均勻流。421）計算水面寬度2）過水斷面面積

14、3）濕周4）水力半徑BAXR矩形bbhb + 2h?+ 2?梯形b + 2mh(b + 2mh)hb + 2h Vl + m2(b + 2mh)h b + 2h V1+ m2圓形2V?(?- ?)?(?- sin?)81-?2 ?sin ?(1 - )4?43棱柱體渠道：斷面形狀，尺寸及底坡沿程不變，同時又無彎曲的渠道非棱柱體渠道：斷面形狀，尺寸及底坡沿程改變44明渠均勻流得計算公式：Q= ACv?v = Cv?設計流量一定時的水深即為正常水深齒？帀/345水力最佳斷面：Q= ACv?刁?/r已知設計流量時面積最小或過水面積一定時流量最 大；矩形或者梯形的水力最佳斷面實際上是半圓的外切多邊形斷

15、面梯形水力最佳斷面的水力半徑等于水深的一半46粗糙度:n ?=?+ ?+ ?6本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學校考研用書感謝 lucky細心整理#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理第六章：明渠恒定非均勻流QQ要點：（1）急流、緩流及臨界流的概念與判別方法；V> v?, F?= vv?> 1,?> h?,v?> ?< ?（2）比能函數(shù)曲線及其特點；下端以水平線為漸近線，上端以與坐 標軸成45°夾角并通過遠點的直線為漸近線（3）小底坡棱柱體明渠非均勻流斷 面比能沿程的變化規(guī)律。（4）矩形斷面臨界水深

16、的計算方法；（5）臨界流方程 的導出。（6） 12種水面曲線的型式、特點及適用范圍P23647波速v? = V?勿弗勞德數(shù)F?= v?> 1為急流48斷面比能：如果把參考基準面選在渠底這一特殊位置，把通過對渠底水平面所計算得到 的單位能量。P220? ? ,E?= h +?=?+ 斷面比能函數(shù)49臨界水深：相應于斷面單位能量最小值的水深?'? ?2?-?'矩形斷面:3 ? h?=? =#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學校考研用書感謝 lucky細心整理50臨界底坡：均勻流的正常

17、水深恰好與臨界水深相等51棱柱體明渠漸變流水面線的變化規(guī)律:?=?孚 ?2? "?#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理52棱柱體明渠中恒定非均勻漸變流水面曲線分析P23253棱柱體明渠中恒定非均勻漸變流水面曲線計算:? ?帀?= ?祁=? ?其中E?=?2?-? ?，丄?=?初？?？=2? ?轉(zhuǎn)化成差分方程:? _ ?*? ? ?-?= ?-?7本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理54付流：當水流通過彎道時，液體質(zhì)點除受重力外，同時還受到離心慣性力的作用，在這 兩種力的作用下，水流除具有縱向流速

18、（垂直于過水斷面）還有徑向和豎向流速，由于幾個方向的流動交織在一起，在橫斷面上產(chǎn)生的一水流成為，從屬于主流，不能獨立存在。55明渠水流的三種流態(tài)：緩流，臨界流，急流第七章：水躍要點：（1水躍的概念；（2）水躍的產(chǎn)生條件56水躍：當明渠中的水流由急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時，會產(chǎn)生一種水面突然躍起的特殊的局部水力現(xiàn)象，即在較短的區(qū)段內(nèi)水深從小于臨界水深急劇地躍到大于臨界水深。這一特殊的局部水力現(xiàn)象稱為水躍。?2?57矩形明渠共軛水深的計算：h2 =寸V1+ 8?2 - 1 ?2 = =58水躍段水頭能量損失：?2?2?2?2E?= ?1 + 2? - (? 2 + 2? )E?= ?2 +2? -

19、(? 3 +2?)?2 =簫9.0時消能效果比較好59矩形明渠的躍長公式：L?= 10.8? 1（ ?- 1）0.93梯形明渠的躍長公式：L?= 5h2 1 + 4/二其中？, ?為水躍后斷面的寬度和水躍前?斷面的寬度60共軛水深：躍前水深和躍后水深具有相同的水躍函數(shù)當1昭1.7時，水躍表面會形成一系列起伏不大的單波，波峰沿流降低，最后消失（波峰消失得斷面成為躍后斷面），這種形式的水躍稱為波狀水躍。表面旋滾的水躍稱為完全水躍。第八章：堰流及閘空出流要點：（1）薄壁堰、實用堰、寬頂堰的概念；（2）堰流的基本公式；（3）堰 流過流能力的影響因素：Q _61堰流得基本計算公式：Q= mb v2?（?

20、3/23/2?0.000762 矩形薄壁堰：Q = mobV2?3/2m。= 0.403 + 0.053 石 + 頁63 實用堰流：Q= & o?mnb，v2?03/2? ? 1.8564 曲線形實用堰： WES剖面（需 =0.5（冠）? = 0.50 ? ?= 0.20? ? = 0.04?為不包括行進流速水頭的剖面設計水頭簡稱設計水頭65當？?？3 1.33時，此時若堰高？?繼續(xù)增加，過堰水舌的軌跡不再發(fā)生明顯變化，流量 系數(shù)也不隨堰高？?而改變，稱為高堰。？?)< 1.33，稱為低堰。66 寬頂堰：Q= si o?mnb 'V2?0?3/23- ?入口為直角：m =

21、 0.32 + 0.01 046 075 ? 刁3 時，?= 0.32 0.40+0.7 5?3-篇?,入口為圓角：m = 0.30 + 0.01 刁 厲> 3 時，?= 0.30 侮1.5咕?側(cè)收縮系數(shù)：S = 1 -廠=篤？切1 - ?頭部為矩形：？= 0.19頭部為圓弧形：？= 0.10 VQ.2+ Jb為溢流空凈寬，B為上游引渠寬07閘空出流：? ?底坎為寬頂堰的閘空出流：Q=卩be/2?(?= e"1- ?= ?/1 - ?祈1° =聲？ h?= ?08當頂部閘門完全開啟，閘門下緣脫離水面，閘門對水流不起控制作用時，水流從建筑物 頂部自由下泄，這種水流狀態(tài)稱

22、為堰流。當建筑物頂部閘門部分開啟水流受閘門控制而從建筑物頂部與閘門下緣間的孔口流出時， 這種水流狀態(tài)叫做閘孔出流。870薄壁堰流：?< 0.07實用堰流：80.07 < -< 2.5寬頂堰流：2.5 < -< 10明渠水流：-> 10沿程水頭損失不能忽略第九章：泄水建筑物下游的水流銜接與消能71消能的三種類型：低流式消能，挑流式消能，面流式消能72水躍消能的三種銜接方式：1) h?= ?臨界式水躍銜接2) h?< ?遠驅(qū)式水躍銜接3) h?> ?淹沒式水躍銜接73消能池長度L = 0.75L?74挑流消能：?2 5sin ?卄沙卵石河床：t?=

23、2.4?-刃 75 cot ?- 0.75? ? ?可取 1.52.0, ?= ?/2?為河床顆粒的水力粗度巖石河床：t?= ?.5 ?925 - ?75消能戽：是結合底流和面流消能的一種綜合消能方式。禾U用泄水建筑物的出流部分造 成具有一定反弧半徑和較大挑角所形成的挑坎(亦稱戽斗)，在下游尾水淹沒挑坎的條件下，使從建筑物下泄的高速水流在戽斗內(nèi)產(chǎn)生激烈的表面旋滾，并通過戽后的涌浪及底部旋滾而獲得較大的消能效果。76 水擊：當有壓管中的流速因某種外界原因而發(fā)生急劇變化時，將引起液體內(nèi)部壓強產(chǎn)生迅速交替升降的現(xiàn)象， 這種交替升降的壓強作用在管壁、 閥門或其他管路元件上好像錘擊 一樣，故稱水擊。77

24、水擊過程的描述及分析：突然關閉P40,逐漸關閉P4878水擊的波速：c=気?為水體積模數(shù)，？為彈性模量，？?為直徑，？管壁厚度/+?79 水擊壓強： Ap= p c(v- v)80拉應力:(T =?2?9本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學校考研用書感謝 lucky細心整理#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理第十一章：明渠非恒定流71圣維南方程組：明渠非恒定流得連續(xù)性方程和能量方程P79#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學校考研用書感謝 lucky細心整理#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x luck

25、y細心整理?h?齊 + ? ?+ ?務=0?字？? ?+ +? ?1 ?=?#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學校考研用書感謝 lucky細心整理#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理第十二章：液體運動的流場理論#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學校考研用書感謝 lucky細心整理要點：（1）流線與跡線的微分方程; 渦流與有渦流。2）液體質(zhì)點運動的基本形式；（3） 無#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整

26、理72流線的微分方程:73跡線的微分方程:? ?= =? ?= "? =? ?= ?=#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理74液體質(zhì)點的基本形式:位置平移:?u ? ?u ? ?u ?t , ?t , ?t線變形:?x?,v,v分別為線變形速率角變形：旋轉(zhuǎn)運動:?y? ? ?y?z? ? ?9、 ? ?z?x?x?y#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理#本資料參照水力學第四版 四川大學 河海大學等學?？佳杏脮兄x lucky細心整理則成為無渦流。液體不繞自身旋轉(zhuǎn)。75如果流場中的所有液體質(zhì)點的

27、旋轉(zhuǎn)角速度都等于零,76連續(xù)性方程：£?+ ? + "?z?= 0判斷液體是否連續(xù) 77理想液體動水壓強的特性和靜水壓強的特性完全一樣。78作用在兩互相垂直平面上且與該兩平面的交線相垂直的切應力大小都是相等的。79納維-斯托克斯方程：舁1竺?_?鄉(xiāng)?=空？? . . . ?1 ?c?1 ?c?-+ ?=?-+ ? =? . . . ? ? . . . .? ?第十三章：邊界層理論要點：（1邊界層的概念；（2）邊界層的厚度的概念；（3）邊界層內(nèi)的水流 流態(tài)。80從平板表面到未擾動的液流之間存在著一個流速分布不均勻的區(qū)域，這個區(qū)域就是水流 受平板影響的范圍，叫做邊界層。這個區(qū)域的厚度稱為邊界層厚度。雷諾數(shù)：Re?=?排擠厚度：？=?-笛?/動量損失厚度：?=彳? - 4 ?)?丿能量損失厚度：?=?-?-?材4 (1 -)4 ?)?丿?動量方程：?2）?層流邊界層厚度:3 =25.48 (詁平板的層流阻力:?2?1.46? ?F?= ?- ?=聲異?律? (?5.2818