水力學基本概念

1、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3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5第五章：明渠恒定均勻流5第六章：明渠恒定非均勻流6第七章：水躍7第八章：堰流及閘空出流8第九章：泄水建筑物下游的水流銜接與消能第十一章：明渠非恒定流10第十二章：液體運動的流場理論10第十三章：邊界層理論11第十四章：恒定平面勢流11第十五章：滲流12第十六章：河渠挾沙水流理論基礎12第十七章：高速水流12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。b5E2RGbCAP2理想液體：易流動的，絕對不可壓縮，不

2、能膨脹，沒有粘滯性，也沒有表面張力特性的連續(xù)介質。3粘滯性：當液體處在運動狀態(tài)時，若液體質點之間存在著相對運動，則質點見要產生內摩擦力抵抗其相對運動，這種性質稱為液體的粘滯性?？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）plEanqFDPw4動力粘度：簡稱粘度，面積為1m2并相距1m的兩層流體，以1m/s做相對運動所產生的內摩擦力。5連續(xù)介質：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法：理論分析，科學實驗，數(shù)值計算。第一章：水靜力學要點：1）靜水壓強、壓強的量測及表示方法；2）等壓面的應用；3）壓力體及曲面上靜水總壓力的計算方法

3、。DXDiTa9E3d7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。RTCrpUDGiT8等壓面：1）在平衡液體中等壓面即是等勢面2）等壓面與質量力正交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5PCzVD7HxA9靜水壓強的計算公式：p=p0卬時2DW工+-=常數(shù)10繞中心軸作等角速度旋轉的液體：Pg2g11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。F12相對壓強：P=P%13真

4、空度：是指該點絕對壓強小于當?shù)卮髿鈮簭姷臄?shù)值，TPk=Pa-P14壓強的測量：測壓管，U型水銀測壓計，差壓計PZ+一二C15靜止液體內各點，測壓管水頭等于常數(shù)，Pg16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P37jLBHrnAILg17靜水總壓力的計算：",=。的'（%為平面形心在點c液面下的淹沒深度Ic"4+Ta“是形心到液面的傾斜距離，Ic為面積慣矩）18矩形，繞形心軸的面積慣矩：一玄。圓形平面繞圓心軸線的面積慣矩：19作用在曲面上的靜水總壓力：FpLPgh.,卜、尸/=

5、p”,_/'',tanxHAQX74J0X20沉體：如果質量力大于上浮力，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）LDAYtRyKfE潛體：質量力等于上浮力，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）Zzz6ZB2Ltk21平衡的穩(wěn)定性：是指已處于平衡狀態(tài)的潛體，如果因為某種外來干擾使之脫離平衡位置時，潛體自身恢復平衡的能力。dvzfvkwMI122壓力體剖面圖：1

6、）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。rqyn14ZNXI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：某一液體質點在運動過程中，不同時刻所流經的空間點所練成的線稱為跡線。25恒定總流得連續(xù)性方程：Q=A，i=A2無26均勻流：水流的流線為相互平行的直

7、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）。EmxvxOtOco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：PiauJpz句+F=得+-+F+hwP-P二SixE2yXPq5條件：恒定流，只有質量力，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，電'與可以取128J總水頭線坡度：簡稱水力坡，總水頭線沿流程的降低值與流程長度之比。2

8、9恒定總流的動量方程：PQ（B評2-%巧）=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）圓管均勻層流斷面平均流速及切應力的分布規(guī)律?！睘榫鄨A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；'''6ewMyirQFL30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，液流內部質點之間產生相對運動。寬淺明渠：T二kkavU42VRUs31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周的比值以二2

9、32水頭損失公式：hw=+'%,d2g達西公式32.8d=總v2000湍流即33雷諾Re=v;粘性底層的厚度：34層流：當流速較小時，各流層的液體質點是有條不紊地運動，互不混雜紊流湍流）：當流速較大時，各流層的液體質點形成渦體，在流動過程中，互相混摻At<0.335i光滑區(qū)0。0.316入二7/451) 波拉休斯公式：住4000<Re<l°”F=且g(Re口)-0.862) 尼庫拉茲公式：6Re<10A0.3<e-<ii過渡粗糙區(qū)。61f仔.51了"一“g熊"十五74in63000<Re<"iii粗

10、糙區(qū)即阻力平方區(qū)儲6d21g(3.7>382，。Re八y6v3ALoS8936沿程水頭損失的經驗公式-謝齊公式丫=（：而曼寧公式:小6C=巴甫洛夫斯基公式:C=y=2.5-"二；-"in:R<1.0m時y=1.5"M2ub6vSTnPR>1.0m時y=1.337局部水頭損失:進水口:與=''；出水口:二'；局部擴大：局部縮小=0.51-d22（力（d,d?分別對應前后兩個管道0'56根。卬第四章：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

11、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eUts8ZQVRd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sQsAEJkW5T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1n-mj：2qHI1+與+£6u一&用"其中：工為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)淹沒出流：管道出口如果淹沒在水下，則稱為淹沒出流“二Q=四'2g其中：+”為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)K流量Q=、T流量模數(shù)K=

12、A曲謝齊系數(shù)18gC=Z飛及網2g加一m（考慮技術要求和經濟條件qJq/H=h門+ho+hn-+一為丸39串聯(lián)管道七療K/串聯(lián)管至h='=；GMsIasNXkA并聯(lián)管道=叼1螂切2=%h/iqJk/iqJ<?/QU+TIrRGchYzghf2二，hf3=-l3KZK3叉管道9+%9+"%H/二h"力=K*kJH3=h+h%=K'Q",：l+；7EqZcWLZNX40沿程均勻泄流管道的水力計算：I2Q，AB=7（Q+。，55的>涯/=-QQ+lzq7IGf02E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

13、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zvpgeqJIhk41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。NrpoJac3v1421）計算水面寬度2）過水斷面面積3）濕周4）水力半徑BAR矩形b|bh|b2hbhb+2h梯形b+2nih(b+21nh>hb+2hjl+n?(b+2mh>hh+2hJl+m*圓形-h>d2o(0-si

14、n0>o1ffdJdsinJ尸-843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=設際=3訴設計流量一定時的水深即為正常水深Q=ACJ必二2/345水力最佳斷面："X,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面1nowfTG4KI梯形水力最佳斷面的水力半徑等于水深的一半由元1+46粗糙度：r3+救第六章：明渠恒定非均勻流要點：1）急流、緩流及臨界流的概念與判別方法;vv匕,=芻1/11vffvfvvkV"呼2）比能函數(shù)曲線

15、及其特點；下端以水平線為漸近線，上端以與坐標軸成45o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P236fjnFLDa5Zov47波速一弗勞德數(shù)'，由為急流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。P220tfnNhnE6e522八2avaQE5=h+2y=/i+22g*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%aQ2dAaQlB-TT=1=1=0dh2gAdhgA矩形斷面:50臨界底坡：均

16、勻流的正常水深恰好與臨界水深相等,Q2dhK2dsaQ2B151棱柱體明渠漸變流水面線的變化規(guī)律：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:dEQ工而=>/=一其中:2c2八22avQQVEx=h+=h-土K=ACRtJ=-"27A'6/?V7l4jRB8Hs轉化成差分方程:Es5虱一Eg54付流：當水流通過彎道時，液體質點除受重力外，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<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，在橫斷面上產生的一水流成為,從屬于主流，不

17、能獨立存在。83lcPA59W955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。mZkklkzaaP57矩形明渠共鈍水深的計算：u22"1AVktR43bpw58水躍段水頭能量損失：E/二瓦十為-32+為一£打二生+3一一（抬+-ORjBnOwcEd2母%：=布9口時消能效果比較好Li=10.8/it（Fr-109359矩形明渠的躍長公式：/1

18、瓦.叼Ly=徹1+4-石joDD梯形明渠的躍長公式：Y其中2,%為水躍后斷面的寬度和水躍前斷面的寬度2MiJTy0dTT60共鈍水深：躍前水深和躍后水深具有相同的水躍函數(shù)當1<''<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，最后消失啾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。gIiSpiue7A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:Q62矩形薄壁堰：Q二川川2gH"261堰流得基本計算公式：Q二血避曬切

19、上H0.0007m0=0.403+0,053p-H石uEh0U1Yfmh63實用堰流：Q二E/J眄b網訊3"64曲線形實用堰：WESJ面%0.20H也%二0.04Hd茂屈1A加qIAgyqLsgBX65當時，此時若堰高產1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)也不隨堰高功而改變，稱為高堰。"'%<133,稱為低堰。WwghWvVhPE66寬頂堰：口二"b.暗入口為直角:3-P1in=0.32+0.010.46+0,75>3Mnnm0.32P3一百m-0.36+0.015-d由=0.36產1尸1,入口為圓角:1.2+1.5-7777&

20、gt;3時,nn頭部為矩形:Pl側收縮系數(shù):%二a"頭部為圓弧形：&二""asfpsfpi4kb為溢流空凈寬，B為上游引渠寬67閘空出流:底坎為寬頂堰的閘空出流：Q加為,。卜崎=心-喻。ei1(D=1.a必+f%=£*68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)稱為堰流。BkeGuInkxI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PgdO0sRlMo寬頂堰流:52,5<<1G明渠水流:5力沿程水頭損失不能忽略6心

21、、一<0.6770薄壁堰流：H6實用堰流:0.67<己<25/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：II1) %二%臨界式水躍銜接II2) ht<hc遠驅式水躍銜接II3) 4淹沒式水躍銜接73消能池長度L=°，75Lj74挑流消能:沙卵石河床：（rj2+5sin8=2.4q-z門匚/?一0.75hlR可取1.5"20卷t二甲avt）1-0k175cot/?工$J醞，3涔/日一水.73可3cdXwckm15_r0.25t巖石河床：75消能庠：是結合底流和面流消能的一種綜

22、合消能方式。利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<亦稱庠斗)，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庠斗內產生激烈的表面旋滾，并通過庠后的涌浪及底部旋滾而獲得較大的消能效果。h8c52WOngM76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，將引起液體內部壓強產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。v4bdyGious77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：cKp二I；八長為水體積模數(shù),E為彈性模量,D為直徑,5IXU,1H-E6管壁厚度79

23、 水擊壓強：Ap=PC（Vo-"pD080拉應力：25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P79dhdvdh朋udu1加二/dt+hds+Vds=°ds+gds+gdtlCR第十二章：液體運動的流場理論要點：1）流線與跡線的微分方程；2）液體質點運動的基本形式；3）無渦流與有渦流。dxdydzds_j_72流線的微分方程：&uy%察dxdydz=二dt73跡線的微分方程：%uy%74液體質點的基本形式：修dijydy位置平移：“t”duxdu,dt7線變形：dx'dy'dz分別為線變形速率角變形：1duzdu13

24、ux3uz1dw3uxJJo”",以2JoJoJ0bm4qMpJ9旋轉運動：1duz5uy1加工小1/1加y%以(l八"/八八xVauA9grYP75如果流場中的所有液體質點的旋轉角速度都等于零，則成為無渦流。液體不繞自身旋轉。du,dz76連續(xù)性方程：赤dydz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:15p3fv-+uVHpoxxduxdtduyldp2-為一+uVuvpdyyduydtIdp2dtuzbR9C6TJscw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。pN9LBDdtrduoxRe=81雷諾數(shù)：*v82排擠厚度:動量損失厚度:Uo>dyS2能量損失厚度:心二/0礙1一匹的dx6=5.48層流邊界層厚度:kJpgr46uol平板的層流阻力:FfCfbl2，耐的-vS_5.2_1.328（'心>DJ8T7nHuGT第十四章：恒定平面勢流要點：<1）勢流的概念；無渦流一定有流速勢存在，所以稱為勢流<2）流函數(shù)