水力計算基礎(chǔ)

第一篇水力計算基礎(chǔ)

第一章水流運(yùn)動形態(tài)及液體的物理性質(zhì)根據(jù)以下觀點對水流運(yùn)動形態(tài)進(jìn)行分類：1?根據(jù)水流運(yùn)動要素（如流速、壓力等）在時間和空間的變化狀態(tài)，將水流分成不同的類型。2?根據(jù)水流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及影響水流形態(tài)的內(nèi)在因素進(jìn)行分類。3?根據(jù)水流局部發(fā)生的特殊水流現(xiàn)象進(jìn)行分類。第一節(jié)水流運(yùn)動類型水流流速：一般可分為瞬時流速u、時均流速口、脈動流速『及斷面平均流速V。壓力：分為瞬時壓力、時均壓力、脈動壓力。本書中沒有特別說明就是指時均值。一?根據(jù)壓力在空間的特征進(jìn)行分類無壓流：凡過水?dāng)嗝娴闹芙绮蝗勘还腆w邊界所限制，具有自由表面的水流。動力主要是重力（促使流動）。1個工程大氣壓為10t/m2。有壓流：水流充滿封閉的固體邊界，沒有自由表面的水流。動力主要是壓力（促使流動）。根據(jù)水流運(yùn)動要素隨時間變化進(jìn)行分類恒定流（又稱穩(wěn)定流）：流場中每一固定點的水流質(zhì)點的運(yùn)動要素（如時均速度、時均壓力、密度等）不隨時間而改變的水流。非恒定流（又稱非穩(wěn)定流）：流場中每一固定點的水流質(zhì)點的諸多要素中，至少有一個是隨時間而改變的水流運(yùn)動。（注：由于非恒定流中運(yùn)動要素隨時間變化，計算時比恒定流要復(fù)雜的多，因此當(dāng)觀察到水流運(yùn)動要素雖然隨時間變化，但變化不大，而忽略這種變化又對工程實踐的精確度影響不大時，往往按恒定流處理。）根據(jù)水流運(yùn)動要素在空間上的變化進(jìn)行分類均勻流：各個過水?dāng)嗝嬷邢鄳?yīng)點（即位于同一流線上的點）的流速（包括大小和方向）相同的水流。在恒定流情況下，離進(jìn)口一段距離的過水?dāng)嗝娲笮〖靶螤畈蛔兊闹本€管道中的水流。或離進(jìn)口一段距離的過水?dāng)嗝娲笮『退罴氨砻娌诼恃爻滩蛔兊闹本€正坡長渠中的水流。非均勻流：同一流線上的點流速沿程發(fā)生變化的水流。非均勻流有兩種，即漸變流和急變流。漸變流就是一種流線之間近乎平行的水流，它的極限情況便是均勻流。滿足兩個條件：1.流線之間的夾角很小2.流線的曲率半徑r很大或曲率很小。漸變流中的過水?dāng)嗝婵山瓶醋髌矫妫瑒铀畨簭?qiáng)在過水?dāng)嗝嫔习挫o水壓強(qiáng)分布規(guī)律分布。急變流：不滿足上述2個條件之一的水流。一（二、三）度（元、維）流就是假設(shè)水流要素只依賴于一（二、三）坐標(biāo)描述，則稱該水流為一（二、三）度（元、維）流。流管：由無數(shù)流線組成的管狀封閉面。流束：充滿于流管內(nèi)的液體?？偭鳎簩⒘魇倪^水?dāng)嗝鏀U(kuò)大到全部流動的邊界（如管道的管壁或河渠的岸壁渠底及水面）。（常用一元分析法去研究以流束或總流為對象的液流）

第二節(jié)水流內(nèi)部流動一.根據(jù)水流的內(nèi)在結(jié)構(gòu)分類：層流：水流質(zhì)點作有條不紊的線狀運(yùn)動，各層間互不混雜。層流不存在流速和壓力等水流運(yùn)動要素的脈動量。對于層流運(yùn)動，水流各層間的切應(yīng)力T（即單位面積上的切力），可用牛頓液體內(nèi)摩擦力定律來表示。即dudu式中：u——距管軸r處（即距離管壁y處）的縱向流速（對于明渠流，即是距槽底y處的縱向流速）。是一個無量綱數(shù)。（Reynoldsnumber）是一個無量綱數(shù)。（Reynoldsnumber）反應(yīng)水流的慣性力與粘滯力之比,溫度2051015202530405060708090100粘滯性系數(shù)卩（公1.821.541.331.161.020.910.810.660.560.470.410.360.320.28斤?秒/cm2)x10-899679366095439是由大小不同尺度的渦體（或漩渦）組成的，而且對時間和空間都是隨機(jī)運(yùn)紊流（湍流）:動。雷諾數(shù)（Re）：對管流：Re=u對管流：Re=ud對明渠：Re=V式中：u----過水?dāng)嗝嫫骄魉賒-----管道直徑R 水力半徑（R=；?為過水?dāng)嗝?，X為濕周=管道和渠槽橫斷面上固壁與水X流接觸部分的長度。過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界線，稱為濕周（WettedPerimeter）常用x（希臘字母）表示，濕周是過水?dāng)嗝娴闹匾σ刂唬瑵裰茉酱笏髯枇八^損失也越大。）V------水的運(yùn)動粘滯性系數(shù)雷諾數(shù)是反應(yīng)水流流態(tài)特性的一個量，當(dāng)紊流過度到層流開始出現(xiàn)層流時的雷諾數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)（Rek）。k對于圓管管流：Rek=2000k當(dāng)Re=>2000時紊流。Vud當(dāng)Re=V<2000時層流。對明渠水流：Rek=500uR當(dāng)Re=>500時紊流V

UR當(dāng)Re=<500時層流。v二?明渠水流中，可從水流所具有的動能和勢能的對比，或從水流的流速與干擾波波速的對比來區(qū)分水流的流態(tài)。（一）弗汝德數(shù)（Froudenumber）：用Fr表示，是判別急流和緩流的參數(shù)，它反應(yīng)過水?dāng)嗝鎢上水流具有的動能和勢能的對比關(guān)系，一般表示為：Fr=. .ig①?-aBu對于矩形斷面的明渠流：Fr=「世?ha式中：B為水面寬h為水深a為動能修正系數(shù)g為重力加速度。當(dāng)Fr=1時，水流為臨界流，水流流速與干擾波的波速相等。當(dāng)Fr>1時，水流為急流，水流流速大于干擾波的波速，干擾波不能向上游傳播。當(dāng)Rr<1時，水流為緩流，水流的流速小于干擾波的波速，干擾波可向上游傳播。（二）臨界水深水流為臨界流時的水深，用hk表示。在小底坡情況下hk在小底坡情況下hk可由下式求得：aQ2 ①3:aq2對于矩形斷面：h= ~T~k式中：Q為流量q為單寬流量?為臨界流時的過水?dāng)嗝鎘Bk為臨界流時的水面寬度。急流：當(dāng)水深小于臨界水深，F(xiàn)r大于1的水流。表現(xiàn)形態(tài)為：當(dāng)水流遇到障礙物時，只引起局部的水面變化，而這種變化不向上游傳播。緩流：當(dāng)水深大于臨界水深，F(xiàn)r小于1的水流。表現(xiàn)形態(tài)為：當(dāng)水流遇到障礙物時，障礙物對水流的干擾可向上游傳播，表現(xiàn)為上游水位壅高。

第三節(jié)幾種局部水流現(xiàn)象離解與漩渦：在水流運(yùn)動過程中，由于邊界發(fā)生急劇變化，主流脫離邊界而運(yùn)動，在主流與邊界之間形成漩渦，這種局部的水流現(xiàn)象稱為??水躍：水流由急流過度到緩流，水深由小于臨界水深突然躍起到大于臨界水深的局部水流現(xiàn)象。宛能陵廠永躍段―「聶流段水跌：水流由緩流過渡到急流，水深由大于臨界水深過渡到小于臨界水深，這種水面突然下跌的局部水流現(xiàn)象。

第四節(jié)液體的物理性質(zhì)1?密度和重率亠 M密度（P）：勻質(zhì)液體的質(zhì)量M與體積W的比值。即P=-—W重率（Y）：液體的密度與重力加速度的乘積，或液體重量G與液體體積的比值。GV=Pg=-即 W2?壓縮性壓縮性：液體的體積隨壓力的增大而減?。ㄒ布词侵芈屎兔芏入S壓力的增大而增大）。體積彈性系數(shù)：氣=dP體積彈性系數(shù)：氣=dP/詈pdp或E=dp/(-dW)u"W=-Wdp

dW式中：E——體積彈性系數(shù)up 壓力P——密度W——體積體積壓縮系數(shù)（壓縮率）：體積彈性系數(shù)的倒數(shù)。它反應(yīng)了液體的壓縮性。3?粘滯性液體具有抵抗剪切變形的能力。液體切應(yīng)力I的普遍表達(dá)式：T=T+k（dU）m0dn式中：T0、m 分別為兩個常數(shù)，它們隨液體的性質(zhì)不同而不同。當(dāng)T=0，m=l.當(dāng)T=0，m=l.即液體中的切應(yīng)力與剪k=卩時，為牛頓式液體，則上式變?yōu)門=卩-，dn切變形的速度成正比。式中：卩——液體的粘滯性系數(shù)du 液體質(zhì)點剪切變形速度，即沿與流速u垂直的方向n上的流速梯度。dn若t=0，m豐1，則屬于非牛頓式液體。若th0,并達(dá)到不可忽略的數(shù)值時，則液體進(jìn)入或接近塑體的范圍。

?1-1-V11 水的物理性質(zhì)溫度'(°C)單位容重V（公斤/米巧粘滯性系數(shù)JU（:公斤?秒/厘米2）x1Q-B運(yùn)動粘滯性系數(shù)V（厘米2/秒）X10'2飽和蒸汽壓（絕對壓強(qiáng)〉V（公斤/!［米2）x10'1表面張力系 數(shù)a（公斤/厘米）X1Q-5壓縮率1（厘米z/公斤）x10'5怎積彈性系 數(shù)（公斤/厘米0x1040999.91.8291.7940.0627,714.9262.03051000.0(4?1.5491.5190.0907.644.7962.08510999.71.3361.3100.137.574.6822.13615999.1K1671,1460*177.504*5752.18620998.2U0291.0100.247.424.4822*23125997*10.9130.8980.327.354.4032.271-30995.70*8160.8040.437.26.4.3482.30040992.20.6660.6590.757.09仁2812.33650988.10.5600.5561.266.924,2742.340€0983.20.4790.4782.036.744,3032*32470977.fi0.4150.4163.186.57們3592*29480971.80,3640*3674*836.384.4402,25290965.3O.S230.3287.156.204,5562.195100958.40.2890.29610.336.004,952.130注單位容重、粘滯性系數(shù)、運(yùn)動粘滯性系數(shù)、表面張力、壓縮率、體積彈性系數(shù)均為一個標(biāo)準(zhǔn)犬氣壓下的數(shù)值。裹各種壓力下水的單位容童（公斤/米3）壓 力（公斤/厘漲2）溫度(°C)Q”2050100.200300-1X1021004.81002.7992.3962.9870.771.5.32X1021009.61007.1996.5967.3877.5734.6*X1021014.31011.51000.5971.7884.0750.35x1021023.11018.81007.910xio21043.91038.31026.2

>1-1-311' 水的物理性質(zhì)體積膨脹系數(shù) 0.207x10-3〈0~339〉臨界溫度(°C)374.15折射率 1*334.f水~空氣融解熱（千卡/公斤） 79-4臨界壓力（大氣）218.39臨界角48.5°丿汽化熱（千卡/翌斤〉539臨界密度（公斤/米3）323音速（米/秒） 1483（20°。）1-1-4'11 水以外的液體的物理性質(zhì)液體井子式單位重融粘滯性系數(shù)體積膨脹比 熱壓縮率表面張力'音 速（公斤/米巧（公斤?秒/米2）系 數(shù)（千卡/公斤。?詠/公斤）〔公斤/米》（米,/砂〉丙CH3*co.cir；!7910*32x10-41.487x1曠30.5168.99X10-9一1190乙醇c2hs.oh7891.19X10■*1.120X10-J0.5778.44x10-92.29x10~31168乙(C2iIs)2O7140.243x1曠41.656X1曠30.55612.57X10-91.68XIL1006四氯化碳CC1415940.97XIO"1.236x10-39.202—2.72xIQ'3935苯C6H68790.659xICT*.1.237x1Q-30.4157.90x10-92.95x10~51295甘油12611.49xIO-40.505x10-30,5802?21X1曠96.47X10-31923水銀Hg135501.58X10'40.1819X10-30.3330.402X1曠94.97X1Q-31451空氣1.293（0°C,760毫米水銀柱〉0.1844X10'53671x1曠6（O°C,760毫米水銀柱）0.240（0°。，760毫米水銀柱》331.7(0°C)4.表面張力是表現(xiàn)在液體周界面中任意曲線或直線上的拉應(yīng)力。表面張力系數(shù)：單位長度上的表面張力。水的表面張力見1-1-1.由于表面張力的作用，彎曲液面會引起液體內(nèi)部的附加壓力。又因液面彎曲的方向不同，附加壓力有正有負(fù)。第二章靜水壓力的計算

第一節(jié)靜水壓強(qiáng)特性及分布規(guī)律1?壓強(qiáng)：單位面積上所受的壓力。壓強(qiáng)的單位可以用三種方式表示：單位面積上的力；用工程大氣壓表示；用水柱高度表示。絕對壓強(qiáng)：由于工程計算的需要，通常將包括大氣壓強(qiáng)的