第三章水動力學(xué)

第三章水動力學(xué)第1頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月液體運(yùn)動的規(guī)律及應(yīng)用運(yùn)動要素：液體的運(yùn)動流速和動水壓強(qiáng)等研究方法：理論分析法和實(shí)驗(yàn)觀測房第二章水動力學(xué)基礎(chǔ)第2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動的基本概念一、跡線與流線1、跡線：某一液體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動過程中，不同時刻所流經(jīng)的空間點(diǎn)連成的線2、流線：液體中假想的線，用來反映流速場內(nèi)瞬時流速方向的曲線。第3頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動的基本概念一、跡線與流線3、流線的基本特征（1）流線是一條光滑曲線。（2）同一時刻，流場中兩條流線不會相交。（3）通過流場中同一點(diǎn)在不同時刻所繪出的流線不同。（4）當(dāng)流動為恒定流時，流線與跡線重合。第4頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動的基本概念二、元流與總流1、流管：流場中任取一封閉曲線L，通過該封閉曲線上的各點(diǎn)作某一瞬時流線，由這些流線所構(gòu)成的封閉管狀曲面。2、元流：當(dāng)封閉曲線L無限小時，充滿微小流管內(nèi)的液流。3、總流：實(shí)際水流有一定的邊界，具有一定大小尺寸的實(shí)際水流。第5頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動的基本概念三、過水?dāng)嗝?、流量、斷面平均流?、過水?dāng)嗝妫号c元流或總流相垂直的橫斷面。2、流量：單位時間內(nèi)通過某一過水?dāng)嗝娴囊后w的數(shù)量。單位m2元流總流單位m2單位m3/s元流總流第6頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動的基本概念三、過水?dāng)嗝?、流量、斷面平均流?、斷面平均流速：假想過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的流速都相等并等于v第7頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動的基本概念四、恒定流與非恒定流1、恒定流：流場中任何空間點(diǎn)上的所有運(yùn)動要素都不隨時間而變化。1、非恒定流：流場中任何空間點(diǎn)上的所有運(yùn)動要素都隨時間而變化。第8頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動的基本概念五、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流1、均勻流和非均勻流：均勻流：流場中所有流線是相互平行的直線。非均勻流：流場中所有流線不是相互平行的直線。液體流動組合方式：恒定均勻流、恒定非均勻流、非恒定均勻流、非恒定非均勻流第9頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動的基本概念五、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流2、漸變流和急變流：急變流：流場中所有流線是幾乎近似相互平行的直線。漸變流：流場中所有流線的夾角很大，或流線彎曲較大。第10頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)液體運(yùn)動的基本概念六、有壓流和無壓流有壓流：過水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)一般不等于大氣壓時

過水?dāng)嗝娲笮?、形狀不變，流量變化只會引起壓?qiáng)和流速變化。無壓流：有與大氣接觸的自由面，表面壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)。過水?dāng)嗝嫘螤?、大小均可改變，流速和壓?qiáng)的變化表現(xiàn)為水深的變化。

第11頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)恒定流的連續(xù)性方程一、元流的連續(xù)性方程在恒定流條件下：（1）元流的形狀和位置不隨時間變化。（2）液體不可壓縮，密度為常數(shù)。（3）液體不可能穿越元流管壁流入或流出。由質(zhì)量守恒定律：不可壓縮液體恒定一元流的連續(xù)性方程：

流速與過水面積成反比任一過水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟鹊?2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)恒定流的連續(xù)性方程二、總流的連續(xù)性方程流速與過水面積成反比任一過水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟?、總流的連續(xù)性方程第13頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)恒定流的連續(xù)性方程二、總流的連續(xù)性方程任一過水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟攘魉倥c過水面積成反比

2、連續(xù)性方程應(yīng)用（1）運(yùn)動學(xué)方程（2）應(yīng)用于理想液體和實(shí)際液體（3）有壓管的非恒定流（4）適用于分流和匯流第14頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程一、液流的能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象能量轉(zhuǎn)化和能量守恒機(jī)械能中動能和勢能之間的轉(zhuǎn)化，機(jī)械能和其他形式的能量之間的轉(zhuǎn)化第15頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程二、重力理想液體元流的能量方程1.方程動能的改變壓力做的功：重力做的功第16頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程二、重力理想液體元流的能量方程1.方程動能的改變等于外力所做的功恒定元流的能量方程第17頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程二、重力理想液體元流的能量方程1.方程的各項(xiàng)意義（1）物理意義比位能比壓能比動能總機(jī)械能

不可壓縮理想液體恒定流情況下，元流不同的過水?dāng)嗝嫔希皢挝恢亓Α斌w具有的機(jī)械能保持守恒，各項(xiàng)能量的形式是可以相互轉(zhuǎn)化。

第18頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程二、重力理想液體元流的能量方程1.方程的各項(xiàng)意義

（2）幾何意義

位置水頭壓強(qiáng)水頭

流速水頭理想液體的三種形式水頭在流動過程中可以相互轉(zhuǎn)化，但總水頭沿流程守恒流速水頭第19頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程三、實(shí)際液體元流的能量方程1.方程第20頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程三、實(shí)際液體元流的能量方程2.水力坡度和測壓管水力坡度(1)測壓管水頭線(2)總水頭線第21頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程三、實(shí)際液體元流的能量方程2.水力坡度和測壓管水力坡度(3)水力坡度（總水頭線坡度）：

實(shí)際液體流動的總水頭沿流程的降低值與流程長度之比。微分表示：均勻分布：測壓管水頭坡度：第22頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程三、實(shí)際液體元流的能量方程3.畢托管修正后：流速公式：第23頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程四、元流能量方程應(yīng)用的計算算例第24頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程1.恒定總流過水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)分布（1）均勻流壓強(qiáng)分布規(guī)律在同一過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的測壓管水頭為一常數(shù)與靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律相同。即：

但不同斷面的測壓管水頭值不同。第25頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程1.恒定總流過水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)分布（1）漸變流壓強(qiáng)分布規(guī)律漸變流壓強(qiáng)分布規(guī)律可近似均勻流的情況。即：

但不同斷面的測壓管水頭值不同。第26頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程1.恒定總流過水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)分布（3）急變流壓強(qiáng)分布規(guī)律急變流壓強(qiáng)分布規(guī)律不服從靜水壓強(qiáng)的分布規(guī)律，不同的過水?dāng)嗝嬗胁煌膲簭?qiáng)分布函數(shù)第27頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程2.實(shí)際液體總流的能量方程恒定元流的能量方程恒定總流兩過水?dāng)嗝娴哪芰筷P(guān)系式第28頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程2.實(shí)際液體總流的能量方程(1)第一類積分（液體勢能總和）(2)第一類積分（液體動能總和）第29頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程2.實(shí)際液體總流的能量方程(1)第三類積分（總水頭損失）(4)將三種積分代人能量關(guān)系式考慮連續(xù)性方程（Q1：=Q2=Q）：第30頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程3.總能量方程的應(yīng)用條件（1）總能量方程的應(yīng)用條件（2）總能量方程的注意事項(xiàng)第31頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程4.文丘里流量計測壓管水位差水銀壓差計第32頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程六、實(shí)際液體總流的能量方程算例例3-3第33頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程六、實(shí)際液體總流的能量方程算例例3-4第34頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程六、實(shí)際液體總流的能量方程算例例3-5第35頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程六、實(shí)際液體總流的能量方程算例例3-6第36頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動量方程一、恒定流的動量方程動量公式質(zhì)點(diǎn)系定理矢量，方向與速度相同恒定總流動量增量恒定總流動量方程a為動能修正系數(shù)，與流速的分布情況有關(guān)第37頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動量方程一、恒定流的動量方程恒定總流動量方程代數(shù)運(yùn)算時的三種形式：恒定總流動量方程外力有：（1）兩過水?dāng)嗝娴膭铀畨毫Γ?）隔離體的液體重力（3）固體邊界的反作用力第38頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動量方程二、恒定流的動量方程的應(yīng)用恒定流的動量方程的應(yīng)用時應(yīng)注意的問題：（1）選定投影軸（2）控制體的選?。?）分析出控制體受到的所有外力（4）動量改變值（5）必要時聯(lián)合連續(xù)性方程第39頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動量方程二、恒定流的動量方程的應(yīng)用液流有分流或匯流時動量方程可以推廣到任意選取的封閉控制體：分流：匯流：第40頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動量方程三、恒定流動量方程計算算例3-7：3-8：通過例題看出，在求解實(shí)際液體的恒定流的動力學(xué)問題時，三大方程可以聯(lián)立求解，但必須考慮其使用條件。第41頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動量方程三、恒定流動量方程計算算例3-8：通過例題看出，在求解實(shí)際液體的恒定流的動力學(xué)問題時，三大方程可以聯(lián)立求解，但必須考慮其使用條件。第42頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失一、水流阻力與水頭損失的概念1.沿程阻力和沿程水頭損失：均勻流沿程水頭損失：說明均勻流時沿程阻力消耗的能量由勢能提供第43頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失一、水流阻力與水頭損失的概念2.局部阻力和局部水頭損失：急變流沿程水頭損失稱為局部水頭損失（hj）：第44頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失一、水流阻力與水頭損失的概念3總水頭損失：第45頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失二、液體流動的兩種形態(tài)及判別1.雷諾試驗(yàn)：層流與紊流上臨界流速vc’下臨界流速vc第46頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失二、液體流動的兩種形態(tài)及判別1.流態(tài)判別：ab段ef段be段即：第47頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失二、液體流動的兩種形態(tài)及判別1.流態(tài)判別：（1）流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)為比例常數(shù)通過試驗(yàn)，雷諾數(shù)穩(wěn)定在2000左右。流態(tài)判別：第48頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失二、液體流動的兩種形態(tài)及判別1.流態(tài)判別：（2）水力要素濕周：水力半徑：雷諾數(shù)可表示為：渠道下臨界雷諾數(shù)為：500第49頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失三、流態(tài)的判別計算算例3-93-10第50頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失四、均勻流基本方程和沿程水頭損失1.均勻流基本方程：斷面水力要素為：ω、χ、R。同樣大小的ω、χ，R最大的斷面形狀是圓形第51頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失四、均勻流基本方程和沿程水頭損失2.沿程水頭損失通用計算公式：λ——沿程阻力系數(shù)或達(dá)西系數(shù)，綜合反映各個與τ0有關(guān)的因素對hf的影響。可以用尼古拉茲試驗(yàn)求得。液流的平均切應(yīng)力：第52頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失四、均勻流基本方程和沿程水頭損失2.明渠流動的沿程水頭損失：C——謝才系數(shù)，有因次的系數(shù)，綜合反映各種因素對斷面平均流速與水力坡度關(guān)系影響。由試驗(yàn)觀測而得。公路工程中常用曼寧公式：n為粗糙系數(shù)。

還有巴甫洛夫公式。

謝才公式：第53頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第