水力學(xué)知識點講解

精品文檔《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，了解重點和難點，同時全面系統(tǒng)的復(fù)習(xí)總結(jié)課程內(nèi)容，達到考核要求。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ρ和容重γ；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)摩擦定律適用范圍： 1)牛頓流體， 2)層流運動3．可壓縮性：在研究水擊時需要考慮。4．表面張力特性：進行模型試驗時需要考慮。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)點組成的連續(xù)體 ,可以用連續(xù)函數(shù)描述液體運動的物理量。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)包括靜水壓強和靜水總壓力兩部分內(nèi)容。通過靜水壓強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：主要掌握靜水壓強特性 ,等壓面,水頭的概念，以及靜水壓強的計算和不同表示方法。1．靜水壓強的兩個特性：1）靜水壓強的方向垂直且指向受壓面2）靜水壓強的大小僅與該點坐標(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。(它是靜水壓強計算和測量的依據(jù)）3．重力作用下靜水壓強基本公式（水靜力學(xué)基本公式）0或zpcp=p+γh其中：z—位置水頭，p/γ—壓強水頭z+p/γ）—測壓管水頭請注意，“水頭”表示單位重量液體含有的能量。4．壓強的三種表示方法：絕對壓強p′，相對壓強p，真空度p,↑v它們之間的關(guān)系為：p=p′-pap=│p│（當(dāng)p＜0時p存在）↑vv相對壓強:p=γh,可以是正值，也可以是負(fù)值。要求掌握絕對壓強、相對壓強和真空度三者的概念。1歡迎下載精品文檔和它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。1pa( 工程大氣壓)=98000N/m2=98KN/m2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，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行計算。（一）靜水總壓力的計算平面壁靜水總壓力1）圖解法：大?。篜=Ωb,Ω--靜水壓強分布圖面積方向：垂直并指向受壓平面作用線：過壓強分布圖的形心，作用點位于對稱軸上。靜水壓強分布圖是根據(jù)靜水壓強與水深成正比關(guān)系繪制的，只要用比例線段分別畫出平面上倆點的靜水壓強，把它們端點聯(lián)系起來，就是靜水壓強分布圖。（2）解析法：大?。?P=pcA, p c—形心處壓強方向：垂直并指向受壓平面作用點D：通常作用點位于對稱軸上，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 Px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：Px=pcAx=γhcAx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的壓強乘以投影面面積。要求能夠繪制水平分力 Px的壓強分布圖，即曲面在鉛垂面上投影平面的靜水壓強分布圖。2〕鉛垂分力： Pz=γV ,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：α =arctg PzPx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的壓強分布圖和BC曲面上的壓力體剖面圖及水平分力的壓強分布圖，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，壓強分布如圖所示。總壓力 P=1/2γH2b；對曲面BC，水平分力的壓強分布如圖所示，水平分力PX=1/2[γH+γ（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=γV=γ[(H+R)R-1/4πR2]b。2歡迎下載精品文檔第三章 液體運動基本概念和基本方程這一章主要掌握液體運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際工程問題。下面我們首先介紹有關(guān)液體運動的基本概念：（一）液體運動的基本概念流線的特點:反映液體運動趨勢的圖線。流線的性質(zhì):流線不能相交；流線不能轉(zhuǎn)折。2.流動的分類液流非恒定流均勻流:過水?dāng)嗝嫔虾愣鞣蔷鶆蛄鳚u變流急變流p在均勻流和漸變流過水?dāng)嗝嫔?，壓強分布滿足：zc另外斷面平均流速和流量的概念要搞清。（二）液體運動基本方程恒定總流連續(xù)方程v1A1=vv2A12A2,Q=vAv1A2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。恒定總流能量方程p11v12p22v22hwz1z22g2gJ=—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hw是單位重量液體從1斷面流到2斷面的平均水頭損失，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:三選：選擇統(tǒng)一基準(zhǔn)面便于計算p選典型點計算測壓管水頭:z選計算斷面使未知量盡可能少（壓強計算采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)）（3）能量方程的應(yīng)用：它經(jīng)常與連續(xù)方程聯(lián)解求：斷面平均流速，管道壓強，作用水頭等。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FQ221∑Fx=ρQ（β2v2x-β1v1x）。3歡迎下載精品文檔投影形式 ∑Fy=ρQ（β2v2y∑Fz=ρQ（β2v2z

β1v1y）β1v1z）β—動量修正系數(shù)，一般取β =1.0式中：∑Fx、∑Fy、∑Fz是作用在控制體上所有外力沿各坐標(biāo)軸分量的合力， V1i,V2i是進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：動量方程應(yīng)用注意事項：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。）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)）流出動量減去流入動量。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 )未知力的方向可以任意假設(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：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。）解：（1）連續(xù)方程v1(H)5v2v1hc（2）能量方程求p2（建立1—1，2—2斷面的能量方程）z1p11v12p22v222gz2hw2g取河床水平面為基準(zhǔn)面，代表點選在水面，則p1=p2=0，水頭損失hw=1.2v21/2g.取α1=α2=1.0∴H0v12hc025v121.2v122g2g2gv125.22g(Hhc)Q=vA=V×B×H111（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方向為零）方向的動量方程：P 1-P2-Rx=ρQ(v2-v1)。4歡迎下載精品文檔Rx=P1-P2-ρQ(v2-v1)對于所取的兩漸變流斷面：1=1/222=1/2c2PγHB；PγhB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)x下面我們簡單介紹液體運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）液體微團運動的基本形式：平移、線變形、角變形、旋轉(zhuǎn)有旋流動與無旋流動的區(qū)別。當(dāng)ωx=ωy=ωz=0，為無旋流動或稱有勢流動。3.平面勢流的特點滿足無旋條件：1uyux—存在勢函數(shù)φ=0z(x)2y滿足連續(xù)方程：uxuy0xy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=∑h+∑hjwf（1）沿程水頭損失：達西公式l2hf4R2g2圓管 hf ld2gλ—沿程水頭損失系數(shù)RAd—水力半徑R圓管R4（2）局部水頭損失ζ—局部水頭損失系數(shù)從沿程水頭損失的達西公式可以知道， 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)λ。而λ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)和判別液體的兩種流態(tài)：雷諾實驗層流—液體質(zhì)點互相不混摻的層狀流動。hf∝V1.0紊流—存在渦體質(zhì)點互相混摻的流動。hf∝ V1.75-2當(dāng)流速比較小的時候，各流層的液體質(zhì)點互相不混摻，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)點互相混摻，定義為紊流。那么液體的流。5歡迎下載精品文檔態(tài)怎樣進行判別呢？(2). 流態(tài)的判別：雷諾數(shù) Re，明槽：ReRRek=500v圓管：Red,Re4Rk=2000v流態(tài)的判別的概化條件：Re＜Rek層流；Re＞Rek 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。圓管層流流動斷面流速分布特點：拋物型分布，不均勻：umax2v(2)沿程阻力系數(shù)：64Re層流流動的沿程水頭損失系數(shù)λ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λ是怎么計算的呢？首先要了解一下紊流的特性。紊流運動特性1）紊流的特征—液層間質(zhì)點混摻，運動要素的脈動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?。?.3水力光滑當(dāng)Re較大＞6水力粗糙；0e0.36過渡區(qū)當(dāng)R介于兩者之間0（4）紊流流速分布 （紊流