水力学基本概念

1、目录绪论：1第一章：水静力学1第二章：液体运动的流束理论3第三章：液流形态及水头损失3第四章：有压管中的恒定流5第五章：明渠恒定均匀流5第六章：明渠恒定非均匀流6第七章：水跃7第八章：堰流及闸空出流8第九章：泄水建筑物下游的水流衔接与消能第十一章：明渠非恒定流10第十二章：液体运动的流场理论10第十三章：边界层理论11第十四章：恒定平面势流11第十五章：渗流12第十六章：河渠挟沙水流理论基础12第十七章：高速水流12绪论:1水力学定义：水力学是研究液体处于平衡状态和机械运动状态下的力学规律，并探讨利用这些规律解决工程实际问题的一门学科。b5E2RGbCAP2理想液体：易流动的，绝对不可压缩，不

2、能膨胀，没有粘滞性，也没有表面张力特性的连续介质。3粘滞性：当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动，则质点见要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性。可视为液体抗剪切变形的特性。没有考虑粘滞性是理想液体和实际液体的最主要差别）plEanqFDPw4动力粘度：简称粘度，面积为1m2并相距1m的两层流体，以1m/s做相对运动所产生的内摩擦力。5连续介质：假设液体是一种连续充满其所占空间毫无空隙的连续体。6研究水力学的三种基本方法：理论分析，科学实验，数值计算。第一章：水静力学要点：1）静水压强、压强的量测及表示方法；2）等压面的应用；3）压力体及曲面上静水总压力的计算方法

3、。DXDiTa9E3d7静水压强的两个特性：1）静水压强的方向与受压面垂直并指向受压面2）任一点静水压强的大小和受压面方向无关，或者说作用于同一点上各方向的静水压强大小相等。RTCrpUDGiT8等压面：1）在平衡液体中等压面即是等势面2）等压面与质量力正交3）等压面不能相交4）绝对静止等压面是水平面5）两种互不相混的静止液体的分界面必为等压面6）不同液体的交界面也是等压面5PCzVD7HxA9静水压强的计算公式：p=p0卬时2DW工+-=常数10绕中心轴作等角速度旋转的液体：Pg2g11绝对压强：以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强，称为绝对压强。F12相对压强：P=P%13真

4、空度：是指该点绝对压强小于当地大气压强的数值，TPk=Pa-P14压强的测量：测压管，U型水银测压计，差压计PZ+一二C15静止液体内各点，测压管水头等于常数，Pg16作用在矩形上的静水总压力：画图是考点）1）按一定比例，用线段长度代表改点静水压强的大小2）用箭头表示静水压强的方向，并与作用面垂直P37jLBHrnAILg17静水总压力的计算：",=。的'（%为平面形心在点c液面下的淹没深度Ic"4+Ta“是形心到液面的倾斜距离，Ic为面积惯矩）18矩形，绕形心轴的面积惯矩：一玄。圆形平面绕圆心轴线的面积惯矩：19作用在曲面上的静水总压力：FpLPgh.,卜、尸/=

5、p”,_/'',tanxHAQX74J0X20沉体：如果质量力大于上浮力，物体就会下沉，直到沉到底部才停止下来，这样的物体称为沉体。浮体：如果质量力小于上浮力，物体就会上浮，一直要浮出水面，且使物体所排开的液体的重量和自重刚好相等后，才能保持平衡状态，这样的物体我们称为浮体。定倾中心要高于重心）LDAYtRyKfE潜体：质量力等于上浮力，物体可以潜没于水中任何位置而保持平衡，这样的物体称为潜体。重心位于浮心之下）Zzz6ZB2Ltk21平衡的稳定性：是指已处于平衡状态的潜体，如果因为某种外来干扰使之脱离平衡位置时，潜体自身恢复平衡的能力。dvzfvkwMI122压力体剖面图：1

6、）受压曲面本身2）液面或者液面的延长面3）通过曲面的四个边缘向液面或液面的延长面所做的铅锤平面。rqyn14ZNXI第二章：液体运动的流束理论要点：1）能量方程的应用条件和应用方法；2）动量方程的应用条件和应用方法23恒定流：在流场中任何空间点上所有的运动要素都不随时间而改变。非恒定流：流场中任何空间点上有任何一个运动要素是随时间而变化的，这种流称为非恒定流24流线：某一瞬时在流场中绘出的一条曲线，在该曲线上所有各点的速度向量都与该曲线相切。迹线：某一液体质点在运动过程中，不同时刻所流经的空间点所练成的线称为迹线。25恒定总流得连续性方程：Q=A，i=A2无26均匀流：水流的流线为相互平行的直

7、线。非均匀流：水流的流线不是互相平行的直线。渐变流：当水流的流线虽然不是互相平行直线，但几乎近于平行直线时成为渐变流<流线之间夹角很小或流线曲率半径很大）。EmxvxOtOco若流线之间夹角很大或者流线的曲率半径很小，这种水流称为急变流。27不可压缩液体恒定总流得能量方程：PiauJpz句+F=得+-+F+hwP-P二SixE2yXPq5条件：恒定流，只有质量力，断面符合渐变流，两个断面之间，流量保持不变，没有加入或者流出注意：同一基准面，压强必须采用相同的标准，管道选管轴中心，明渠选自由液面，电'与可以取128J总水头线坡度：简称水力坡，总水头线沿流程的降低值与流程长度之比。2

8、9恒定总流的动量方程：PQ（B评2-%巧）=注意：首先确定投影轴，并表明轴的方向，必须是输出的动量减去输入的动量第三章：液流形态及水头损失要点：1）层流及紊流的概念；2）沿程水头损失与局部水头损失的概念；3）圆管均匀层流断面平均流速及切应力的分布规律。”为距圆管轴的距离，为圆管半径4）圆管均匀流沿程水头损失与切应力之间的关系；'''6ewMyirQFL30水头损失的必备条件：1）液体具有粘滞性2）由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动。宽浅明渠：T二kkavU42VRUs31湿周X：液流过水断面与固体边界接触的周界线水力半径R:过水断面的面积与湿周的比值以二2

9、32水头损失公式：hw=+'%,d2g达西公式32.8d=总v2000湍流即33雷诺Re=v;粘性底层的厚度：34层流：当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不混杂紊流湍流）：当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺At<0.335i光滑区0。0.316入二7/451) 波拉休斯公式：住4000<Re<l°”F=且g(Re口)-0.862) 尼库拉兹公式：6Re<10A0.3<e-<ii过渡粗糙区。61f仔.51了"一“g熊"十五74in63000<Re<"iii粗

10、糙区即阻力平方区储6d21g(3.7>382，。Re八y6v3ALoS8936沿程水头损失的经验公式-谢齐公式丫=（：而曼宁公式:小6C=巴甫洛夫斯基公式:C=y=2.5-"二；-"in:R<1.0m时y=1.5"M2ub6vSTnPR>1.0m时y=1.337局部水头损失:进水口:与=''；出水口:二'；局部扩大：局部缩小=0.51-d22（力（d,d?分别对应前后两个管道0'56根。卬第四章：有压管中的恒定流要点：1）长管与短管的概念；2）长管与短管的水力计算方法；3）倒虹吸管与虹吸管的概念。虹吸管：是一种压力

11、输水管道，顶部弯曲且其搞成高于上游供水水面。跨越高低，减少挖方eUts8ZQVRd长管：水头损失以沿程水头损失为主，其局部水头和流速水头在总损失中所占比例很小，计算时可以忽略不计的管道sQsAEJkW5T短管：局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽略的管道。38简单管道：管道直径不变且无分支的管道自由出流：管道出口水流流入大气，水股四周都受大气压强的作用1n-mj：2qHI1+与+£6u一&用"其中：工为管道系统的流量系数淹没出流：管道出口如果淹没在水下，则称为淹没出流“二Q=四'2g其中：+”为管道系统的流量系数K流量Q=、T流量模数K=

12、A曲谢齐系数18gC=Z飞及网2g加一m（考虑技术要求和经济条件qJq/H=h门+ho+hn-+一为丸39串联管道七疗K/串联管至h='=；GMsIasNXkA并联管道=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沿程均匀泄流管道的水力计算：I2Q，AB=7（Q+。，55的>涯/=-QQ+lzq7IGf02E第五章：明渠恒定均匀流要点：<1）明渠均匀流的概念；<2）明渠均匀

13、流水力计算方法；<3）正常水深的概念及表示方法；<4）水力最佳断面的概念及梯形断面明渠的水力最佳断面比：<5）宽浅式明渠的概念：断面为宽而浅的明渠zvpgeqJIhk41明渠恒定均匀流：在明渠恒定流中，如果流线是一簇平行直线，则水深、断面平均流速及流速分布均沿程不变，则称为明渠恒定均匀流。否则若流线不是平行直线，则称为明渠恒定非均匀流。NrpoJac3v1421）计算水面宽度2）过水断面面积3）湿周4）水力半径BAR矩形b|bh|b2hbhb+2h梯形b+2nih(b+21nh>hb+2hjl+n?(b+2mh>hh+2hJl+m*圆形-h>d2o(0-si

14、n0>o1ffdJdsinJ尸-843棱柱体渠道：断面形状，尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道非棱柱体渠道：断面形状，尺寸及底坡沿程改变44明渠均匀流得计算公式：Q=设际=3诉设计流量一定时的水深即为正常水深Q=ACJ必二2/345水力最佳断面："X,已知设计流量时面积最小或过水面积一定时流量最大；矩形或者梯形的水力最佳断面实际上是半圆的外切多边形断面1nowfTG4KI梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半由元1+46粗糙度：r3+救第六章：明渠恒定非均匀流要点：1）急流、缓流及临界流的概念与判别方法;vv匕,=刍1/11vffvfvvkV"呼2）比能函数曲线

15、及其特点；下端以水平线为渐近线，上端以与坐标轴成45o夹角并通过远点的直线为渐近线3）小底坡棱柱体明渠非均匀流断面比能沿程的变化规律。4）矩形断面临界水深的计算方法；5）临界流方程的导出。6）12种水面曲线的型式、特点及适用范围P236fjnFLDa5Zov47波速一弗劳德数'，由为急流48断面比能：如果把参考基准面选在渠底这一特殊位置，把通过对渠底水平面所计算得到的单位能量。P220tfnNhnE6e522八2avaQE5=h+2y=/i+22g*断面比能函数49临界水深：相应于断面单位能量最小值的水深%aQ2dAaQlB-TT=1=1=0dh2gAdhgA矩形断面:50临界底坡：均

16、匀流的正常水深恰好与临界水深相等,Q2dhK2dsaQ2B151棱柱体明渠渐变流水面线的变化规律：52棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析P23253棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线计算:dEQ工而=>/=一其中:2c2八22avQQVEx=h+=h-土K=ACRtJ=-"27A'6/?V7l4jRB8Hs转化成差分方程:Es5虱一Eg54付流：当水流通过弯道时，液体质点除受重力外，同时还受到离心惯性力的作用，在这两种力的作用下，水流除具有纵向流速<垂直于过水断面）还有径向和竖向流速，由于几个方向的流动交织在一起，在横断面上产生的一水流成为,从属于主流，不

17、能独立存在。83lcPA59W955明渠水流的三种流态：缓流，临界流，急流第七章：水跃要点：1）水跃的概念；2）水跃的产生条件。56水跃：当明渠中的水流由急流状态过渡到缓流状态时，会产生一种水面突然跃起的特殊的局部水力现象，即在较短的区段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深。这一特殊的局部水力现象称为水跃。mZkklkzaaP57矩形明渠共钝水深的计算：u22"1AVktR43bpw58水跃段水头能量损失：E/二瓦十为-32+为一£打二生+3一一（抬+-ORjBnOwcEd2母%：=布9口时消能效果比较好Li=10.8/it（Fr-109359矩形明渠的跃长公式：/1

18、瓦.叼Ly=彻1+4-石joDD梯形明渠的跃长公式：Y其中2,%为水跃后断面的宽度和水跃前断面的宽度2MiJTy0dTT60共钝水深：跃前水深和跃后水深具有相同的水跃函数当1<''<1.7时，水跃表面会形成一系列起伏不大的单波，波峰沿流降低，最后消失啾峰消失得断面成为跃后断面），这种形式的水跃称为波状水跃。gIiSpiue7A表面旋滚的水跃称为完全水跃。第八章：堰流及闸空出流要点：<1）薄壁堰、实用堰、宽顶堰的概念；<2）堰流的基本公式；<3）堰流过流能力的影响因素:Q62矩形薄壁堰：Q二川川2gH"261堰流得基本计算公式：Q二血避晒切

19、上H0.0007m0=0.403+0,053p-H石uEh0U1Yfmh63实用堰流：Q二E/J眄b网讯3"64曲线形实用堰：WESJ面%0.20H也%二0.04Hd茂屈1A加qIAgyqLsgBX65当时，此时若堰高产1继续增加，过堰水舌的轨迹不再发生明显变化，流量系数也不随堰高功而改变，称为高堰。"'%<133,称为低堰。WwghWvVhPE66宽顶堰：口二"b.暗入口为直角:3-P1in=0.32+0.010.46+0,75>3Mnnm0.32P3一百m-0.36+0.015-d由=0.36产1尸1,入口为圆角:1.2+1.5-7777&

20、gt;3时,nn头部为矩形:Pl侧收缩系数:%二a"头部为圆弧形：&二""asfpsfpi4kb为溢流空净宽，B为上游引渠宽67闸空出流:底坎为宽顶堰的闸空出流：Q加为,。卜崎=心-喻。ei1(D=1.a必+f%=£*68当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。BkeGuInkxI当建筑物顶部闸门部分开启水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出时，这种水流状态叫做闸孔出流PgdO0sRlMo宽顶堰流:52,5<<1G明渠水流:5力沿程水头损失不能忽略6心

21、、一<0.6770薄壁堰流：H6实用堰流:0.67<己<25/第九章：泄水建筑物下游的水流衔接与消能71消能的三种类型：低流式消能，挑流式消能，面流式消能72水跃消能的三种衔接方式：II1) %二%临界式水跃衔接II2) ht<hc远驱式水跃衔接II3) 4淹没式水跃衔接73消能池长度L=°，75Lj74挑流消能:沙卵石河床：（rj2+5sin8=2.4q-z门匚/?一0.75hlR可取1.5"20卷t二甲avt）1-0k175cot/?工$J酝，3涔/日一水.73可3cdXwckm15_r0.25t岩石河床：75消能庠：是结合底流和面流消能的一种综

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径和较大挑角所形成的挑坎<亦称庠斗)，在下游尾水淹没挑坎的条件下，使从建筑物下泄的高速水流在庠斗内产生激烈的表面旋滚，并通过庠后的涌浪及底部旋滚而获得较大的消能效果。h8c52WOngM76水击：当有压管中的流速因某种外界原因而发生急剧变化时，将引起液体内部压强产生迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，故称水击。v4bdyGious77水击过程的描述及分析：突然关闭P40,逐渐关闭P4878 水击的波速：cKp二I；八长为水体积模数,E为弹性模量,D为直径,5IXU,1H-E6管壁厚度79

23、 水击压强：Ap=PC（Vo-"pD080拉应力：25第十一章：明渠非恒定流71圣维南方程组：明渠非恒定流得连续性方程和能量方程P79dhdvdh朋udu1加二/dt+hds+Vds=°ds+gds+gdtlCR第十二章：液体运动的流场理论要点：1）流线与迹线的微分方程；2）液体质点运动的基本形式；3）无涡流与有涡流。dxdydzds_j_72流线的微分方程：&uy%察dxdydz=二dt73迹线的微分方程：%uy%74液体质点的基本形式：修dijydy位置平移：“t”duxdu,dt7线变形：dx'dy'dz分别为线变形速率角变形：1duzdu13

24、ux3uz1dw3uxJJo”",以2JoJoJ0bm4qMpJ9旋转运动：1duz5uy1加工小1/1加y%以(l八"/八八xVauA9grYP75如果流场中的所有液体质点的旋转角速度都等于零，则成为无涡流。液体不绕自身旋转。du,dz76连续性方程：赤dydz判断液体是否连续77理想液体动水压强的特性和静水压强的特性完全一样。78作用在两互相垂直平面上且与该两平面的交线相垂直的切应力大小都是相等的79纳维-斯托克斯方程:15p3fv-+uVHpoxxduxdtduyldp2-为一+uVuvpdyyduydtIdp2dtuzbR9C6TJscw第十三章：边界层理论要点：1）边界层的概念；2）边界层的厚度的概念；3）边界层内的水流流态。80从平板表面到未扰动的液流之间存在着一个流速分布不均匀的区域，这个区域就是水流受平板影响的范围，叫做边界层。这个区域的厚度称为边界层厚度。pN9LBDdtrduoxRe=81雷诺数：*v82排挤厚度:动量损失厚度:Uo>dyS2能量损失厚度:心二/0碍1一匹的dx6=5.48层流边界层厚度:kJpgr46uol平板的层流阻力:FfCfbl2，耐的-vS_5.2_1.328（'心>DJ8T7nHuGT第十四章：恒定平面势流要点：<1）势流的概念；无涡流一定有流速势存在，所以称为势流<2）流函数