水力学知识点讲解

1、水力学学习指南中央广播电视大学水利水电工程专业（专科）同学们，你们好！这学期我们学习的水力学是水利水电工程专业重要的技术基础课程。通过本课程 的学习，要求大家掌握水流运动的基本概念、基本理论和分析方法，；能够分析水利工程中一般的水流现象；学会常见的工程水力计算。今天直播课堂的任务是给大家进行一个回顾性总结，使同学们在复习水力学时，了解重点和难点,同时全面系统的复习总结课程内容，达到考核要求。第一章 绪论（一）液体的主要物理性质1 .惯性与重力特性：掌握水的密度p和容重丫 ；2 .粘滞性：液体的粘滞性是液体在流动中产生能量损失的根本原因。 描述液体内部的粘滞力规律的是牛顿内摩擦定律： du 7

2、=n dy注意牛顿内摩擦定律适用范围：1）牛顿流体，2）层流运动3 .可压缩性：在研究水击时需要考虑。4 .表面张力特性：进行模型试验时需要考虑。下面我们介绍水力学的两个基本假设：（二）连续介质和理想液体假设1 .连续介质：液体是由液体质点组成的连续体，可以用连续函数描述液体运动的物理量。2 .理想液体：忽略粘滞性的液体。（三）作用在液体上的两类作用力第二章水静力学水静力学包括静水压强和静水总压力两部分内容。通过静水压强和静水总压力的计算，我们可以 求作用在建筑物上的静水荷载。（一）静水压强：主要掌握静水压强特性，等压面，水头的概念，以及静水压强的计算和不同表示方法。1 .静水压强的两个特性：

3、（1）静水压强的方向垂直且指向受压面（2）静水压强的大小仅与该点坐标有关，与受压面方向无关，2 .等压面与连通器原理：在只受重力作用，连通的同种液体内，等压面是水平面。（它是静水压强计算和测量的依据）3翅瑞卞百年冠4就击：p=p 0+ 丫 h或z +p =c其中：z 一位置水头，p/ 丫 一压强水头（z+p/ 丫 ）测压管水头请注意，“水头”表示单位重量液体含有的能量。4.压强的三种表示方法：绝对压强p,相对压强p,真空度pv,t它们之间的关系为：p= p -pa pv= i p （当pra紊流判别水流流态的雷诺数是重要的无量纲数，它的物理意义表示惯性力与粘滞力的比值。3.圆管层流流动(1)断

4、面流速分布特点：抛物型分布，不均匀：umax=2v(2) 沿程阻力系数:64re层流流动的沿程水头损失系数入只是雷诺数的函数，而且与雷诺数成反比。那么紊流中入是怎么计算的呢？首先要了解一下紊流的特性。4.紊流运动特性(1)紊流的特征一液层间质点混掺，运动要素的脉动(2)紊流内部存在附加切应力:(3)紊流边界有三种状态:紊流中：当re较小 v 0.3水力光滑当re较大.6c.0当r介于两者之间水力粗糙；aq3w 丁 e6过渡区，0(4)紊流流速分布(紊流流速分布比层流流速分布更加均匀)对数流速分布ux指数流速分数uxum当 re v 105u.=ln y - c一nr0n=1/7通过尼古拉兹实验

5、研究发现紊流三个流区内 的沿程水力摩擦系数的变化规律。5.入的变化规律尼古拉兹实验(人工粗糙管)a层流区：x=fi(re尸zre入=f2 (re)紊流区： t4直接水击压强计算:(与上反之)p = pa (v0 -v)a=(v。-v)g因此在水利工程中的水轮机、泵站的压力管道设计中，必须十分重视水击的影响，防止发生水击 破坏。延长闸门的关闭时间和缩短压力管道的长度，使管道内产生间接水击是降低水击压强的有效措 施。第六章明槽水流运动明渠水流主要讨论四部分内容：1.明渠均匀流水力计算；2.明渠水流流态的判别；3.水跃及水跃共轲水深计算；4.明渠非均匀流水面曲线分析和计算。（一）明槽均匀流1.均匀流

6、特征：（1）水深，底坡沿程不变（过水断面形状尺寸不变）（2）断面平均流速沿程不变（3）三线平行j = j z= i（总水头线、水面线、渠底）2 .均匀流形成条件：恒定流，长直棱柱体渠道，正坡渠道，糙率沿程不变3 .明槽均匀流公式：q = v a. q 二 ac 工 r二 k、ic r 6 k =ac*r 流量模数4 .明槽均匀流水力计算类型：（1）求流量q（2）求渠道糙率n（3）求渠道底坡：j二句一句（4）设计渠道断面尺寸求正常水深h0、底宽b对于以上问题都可以直接根据明渠均匀流公式进行计算。（二）明槽水流的流态和判别1 .明槽水流三种流态：缓流 急流 临界流在这里我们要注意把明槽水流的三种流

7、态与前面讨论过的层流、紊流区分开来。3.佛汝德数fr：fr -, g h缓流、急流、临界流是对有自由表面的明槽水流的分类；层流、紊流的分类是对所有水流（包括管判别指标vwfrhk,i k（均匀流）缓流v hki v i k急流v vwfr 1h i k临界流v = vwfr = 1h=hki = i k流和明槽水流）都适用；2.明槽水流流态的判别:_惯性力 一重力佛汝德数fr是水力学中重要的无量纲数，它表示惯性力与重力的对比关系，与雷诺数一样也是模 型实验中的重要的相似准数，雷诺数表示惯性力与粘滞力的对比关系。2 “ i：q2(3)断面比能 es: es=h+二-=h+-2 2g2ga20缓流

8、des , l 20 急流s =1 frjdh=0 临界流断面比能es是以过明渠断面最低点的水平面为基准的单位重量水体具有的总机械能。需要注意，。不同断面的断面比能，它的基准面是不同的，所以断面比能沿流程可以减少，也可以增加 或不变，均匀流各断面的断面比能就是常数。(4)临界流方程：1aq 2 (a：一般断面)g bg kq2 o : q2临界水深hk：(矩形断面) hk =32-=3工-gb g注意： 临界水深是流量给定时，相应于断面比能最小值时的水深。(5)临界底坡ik :均匀临界流时的底坡。i = ik ,须要强调，缓坡上如果出现非均匀流，那么缓流、急流都可以发生。对于陡坡也同样如此。

9、下面举例说明流态的判别：(三)水跃和跌水1 . 跌水：由缓流向急流过渡。水深从大于临界水深hk变为小于临界水深，常发生在跌坎和缓坡向陡坡过渡的地方。2 .水跃：由急流向缓流过渡产生的水力突变现象。水平矩形断面明渠水跃：(1)水跃方程：j (hi) =j (h2)(2)共轲水深公式：h2ji +8fr12 -1和 h1 =列1 +8f； 一1(3)水跃长度 l j = 6.9 ( h 2 - h 1)例3矩形渠道i=0.0007 , b=2m, n=0.0248 ,当ho=1.5m时，求渠内流量 q和流态？解(这是求渠道过流能力的问题首先计算明渠断面几何参数。)_一一2面积 a=bh=3m湿周

10、：x=b+2h=5 m水力半径：r=a/x=0.6m （代入明渠均匀流公式）：q =ac. riar23i12 =2.28m3/snq=2.28m3/s（即该渠道能通过流量 ）v=q/a=0.76m/s, fr=v/ vgh=0.1981.0,故为缓流hk=q2/g=0.467mh t,所以为远驱式水跃。（四）明槽恒定非均匀流特征（1） h沿流程改变（2） v沿流程改变；（3） 水面线不平行于渠底，jzwi （水面线不再是平行于渠底的一条直线。 ）（五）棱柱体明槽恒定非均匀流水面曲线分析 i.基本方程：dh i q2 k2ds i - fr2（dh/ds表示沿流程水深的变化规律）2.水面曲线分

11、类：dh壅水曲线（水深沿流程增加）曲0降水曲线（水深沿流程减小）ds2.底坡分类：f i 0正坡，i =ik临界坡 i vik陡坡i =0 平坡i 0,存在n-n线（正常水深ho控制线）（2）各种底坡都存在 k-k线（临界水深hk控制线，沿程不变）（3） n-n线与k-k线划分i2个流区。5.水面线变化规律2条水深线把5种底坡上的流动空间划分为12个流区，每个流区有一条水面曲线，共有12条不同类型的水面曲线，他们的变化规律总结如下：(1)每个流区只出现一种水面线(2) a、c为壅水曲线，b为降水曲线(3)接近k-k线趋于正交；(发生跌水或水跃)接近 n-n线趋于渐近(除a3、c3线)(4)控制

12、断面：急流在下游，缓流在上游(5)正坡长渠道无干扰的远端趋于均匀流4.水面线连接的规律(1)缓流向急流过渡 产生跌水(2)急流向缓流过渡一一产生水跃(3)缓缓流，只影响上游例1:缓坡连接缓坡，后接跌坎(i 1i 2)(a 1线和n2线后出现并且加粗)图示缓坡接缓坡,(i 1i 2)上游来流为均匀流，下游也趋向于均匀流，从n线要与n2线连接。根据 水面线连接的原则，缓坡连接缓坡影响上游段，即上游形成a1型壅水曲线。从另一角度分析若在下游坡从n1到n2,则在b1区发生壅水曲线，这是不可能的。此例也说明底坡改变将产生非均匀流。例2：陡坡连接缓坡：分析：水深从陡坡 h1hk转入缓坡,水面线必为壅水曲线

13、。然而，无论在陡坡 b2和缓坡b1区均 不发生壅水，这就是从急流到缓流必定发生水跃，水跃的位置有三种情况，需根据共轲水深条件经计 算确定。下面我们介绍恒定非均匀流水面曲线的计算。(六)恒定非均匀流水面曲线计算1 基本方程des . q2.,冶二幅=esd 一4=i -f =i - ji _ji ds k2i ji-j分段求和法：(差分方程)差分方程用平均水力坡度代替某点的水力坡度。2计算步骤(1)定性分析棱柱体渠道水面线(确定壅水或降水，非棱柱体不用分析)(2)确定控制断面水深(急流向下游，缓流向上游计算)（3）设相邻断面水深，取 h=0.10.3m（把渠道分成若干断面）第七章泄水建筑物水流问

14、题（一）堰流和闸孔出流图示堰流和闸孔出口，堰和闸通常是一体的。当闸门对水流不控制时，这就是堰流。当闸门从上 面对水流控制，这就是闸孔出流。1.堰闸出流的区别：堰流和闸流的判别：平顶堰：_ew0.65闸孔出流h eh 0.65堰流曲线堰：_e 0.75堰流2.堰流:1）堰流基本公式：根据能量方程可以导出q =m ”二sb 2gh02m流量系数（与堰型、进口尺寸、堰高 巳 及水头h有关）一侧收缩系数（与堰型、边壁条件、淹没程度、水头 一淹没系数（与水头 h和下游水深有关）h,孔宽、孔数有关）2）三种堰型：薄壁堰：测流实用堰： wesig特点：h=hd ,m d=0.502 （h 变化,宽顶堰：nm

15、ax =0.385 ,淹没堰流的水流特性，淹没条件:相应m也变化）区 0.8, bsvl（图）h。3）计算任务:确定过流能力q q二msb , 2gh032(2)一一，q确定流量系数 m: m =3/2i 二 sb,2gh0确定眼堰顶水头 h： h0 =q 2/3飞2gm3.闸孔出流：（闸门形式可以分成平板闸门和弧形闸门，出图 ）（1）水流特征：收缩断面水深儿二；2e(2)基本公式 q=ishbeq2gh0n 流量系数=f （闸门形式，闸底坎形式）仃s 淹没系数，出现远离或临界水跃时，仃s=1。卜面举例说明闸孔出流计算 例：（矩形渠道中修建）单孔平板闸门，b=3m,h=6m,e=1.5m,下游

16、水深ht=3.6m,求：通过的流量。解：（1）不考虑淹没影响e7=0.25ht.自由出流。淹没系数bs=1我们比较一下堰流和闸孔出流的过流能力堰流:q 比 h 032120闸孔出流:在同样的条件下，水头 h的增加，堰流量要比闸孔通过的流量增加的快得多。所以在水利工程中 经常利用堰及时排放汛期的洪水。（二）水流衔接hc水利工程中，从溢流坝、泄洪陡槽、闸孔、跌坎等水工建筑物下泄的水流具有流速高、动能大而 且集中。因此我们必须要采取工程措施，消耗水流多余的能量，使下泄水流与下游河道能平顺地衔接。 否则如果不采取工程措施，就会造成下游河床严重的冲刷，影响水工建筑物的正常运行。水流衔接形式一淹没系数，它

17、代表下游水深 ht与收缩断面水深的共轲水深的比值。1）当ht hc :远驱水跃， 3 ,淹没水跃, 山15hchc（三）水流消能根据上面的分析，我们可以知道，远驱水跃存在急流段对下游最为不利；临界水跃不稳定，容易 变为远驱水跃。对于淹没水跃，当淹没系数大于1.2时，也不利于消能。因此通常需要采取修建消力池等工程措施，形成淹没系数为1.051.10的淹没水跃与下游水流衔接。1 .常用消能方式（1） 流流消能一水跃消能（利用从急流到缓流产生水跃的剧烈翻腾的旋滚，消耗水流多余的能量，适用于中低水头和地质条件差的情况，在渠道中闸和跌坎的下游广泛应用）（2） 挑流消能（在泄水建筑物末端修建跳坎，把下泄水

18、流挑射到远离建筑物的地方，水流在空中跌落扩散，落入河道与水流碰撞，产生强烈紊动混掺，消耗大量能量，多用于高水 头和地质条件好的情况）2 .底流消能：底流消能一般采用消力池形式。（1）消力池的类型：a)降低护坦形成消力池b)护坦末端修建消力坎c)综合式消力池（2） .降低护坦消力池设计1）消力池深d （根据图示的几何关系，消力池深d等于）a） d= dj a - az-h t其中：hchc =( 1 8z=qj_12g dh)2(% hc)消能池通常也可以用下式估算池深d ：d = c- j h c d= o-j -h t（2）消力池长度的计算（由于消力池末端池壁的作用 ，消力池中水跃长度比自由

19、水跃lj短）l k=（0.70.8）l j设计流量”池深设计流量（hht）max-q池长设计流量q max（保证水跃不发生在池外）例1 （如图示水闸）已知：（闸前水深）h=5m （开度）e=1.25m,（下游水深）ht=2.3m,求：（1）收缩断面水深hc（2）判别是否要建消力池。（3）粗估消力池深解：（1）计算hc （闸孔出流）e1 -0.60 -0.176 =0.556 h假设自由出流，令 h=h（单宽流量）q = q =e 2gh = 6.88m3/ s mv - q =1.38m3/shv 2v2-=010 m h0=h = 5.10m2g .2gq = gj2gh7 =6.95m3

20、/s （说明行进流速对计算过流能力有影响） e一 =0.25（查平板闸门垂直收缩系数表）查得 2 =0.622hhc= e 2e=0.78m（2）判别水跃形式 （求hc对应的跃后水深）“hr q2hc =心（1+8、-1） =3.19m2 :gh3hc ht所以产生远驱水跃下游需要建消力池：d= -ht第八九章渗流和相似理论（一）渗流渗流运动是指水在有孔隙的土壤或岩石中的流动，如在土坝、井、闸坝的基础内均存在地下水的渗流 运动（由于自然界土壤组成的复杂性，地下水在土壤孔隙中的流动难以完全了解和表达，因此引入了 渗流模型的概念）。1渗流模型（1）概念：忽略全部土壤颗粒的体积（或存在），认为地下水

21、的流动是连续地充满整个渗流空间。（2）渗流模型的条件：与实际渗流保持相同的边界条件、渗流流量和水头损失。需要注意的是：土壤中实际渗流的流速是大于在渗流模型中计算得到的渗流流速，在渗流中讨论的都是模型渗流流速。2.渗流基本定律（1）达西定律：断面平均流速：u = kj式中：j一渗透坡降；k土壤的渗透系数，表示土壤渗透能力的大小。适用范围：恒定均匀层流渗流。3 .恒定无压渐变渗流基本公式一杜比公式dhdh=-k 二 jdsds式中：h测压管水头，（或称为水面高程），j 一渗透坡降。（对于渐变渗流，同一过水断面上的渗透坡降可以认为是常数，因此同一渗流断面上各点的流速为定值。）（1） 无压均匀渗流（地

22、下河槽均匀渗流的断面平均流速和单宽渗流流量可以用下式计算）u = k i=kih 0在工程中经常打井取水或者用来降低施工区域地下水位4.井的渗流计算（图，动画）（1） 井的分类无压井一在无压含水层有压井一井底深入到承压含水层完全井一井底落在不透水层上非完全井一井底未落在不透水层上（2）无压完全井（前图引过来）22h -h出水量q = 1.36klg(r/r0)式中：h一无压含水层水深，ho井中水深,r-影响半径，ro一井的半径。浸润线方 程： h2 = h(2 0173 lg k roh为距井中心r处地下水深。我们举例来说明渗流计算的应用实际工程中的水流现象非常复杂，仅靠理论分析对工程中的水力学问题进行求解存在许多困难, 模型试验和量纲分析是解决复杂水力学问题的有效途径。模型试验必须遵循一定的相似