水力学 主要知识点.ppt

1、水力学主要知识点,绪 论 （一）液体的主要物理性质 1惯性与重力特性 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 : 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 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、可压缩性的液体 （三）作用在液体上的两类作用力,第1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，可以求作用在建筑物上的静水荷载。 静水

2、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： （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重力作用下静水压强基本公式（水静力学基本公式） p=p0+gh或,其中 z位置水头，p/g压强水头，z+ p/g测压管水头 请注意，“水头”表示单位重量液体含有的能量。,可以是正值，也可以是负值。 计算静水总压力包括求力的大小、方向和作用点，受压面可以分为平面 和曲面两类。 根据平

3、面的形状：对规则的矩形平面可采用图解法，任意形状的平面都 可以用解析法进行计算。,4压强的三种表示方法：绝对压强p，相对压强p， 真空度pv, 它们之间的关系为：p= p-pa pv=p（当p0时pv存在） 相对压强:p=gh,静水总压力的计算 1)平面壁静水总压力 图解法：大小：P=b, -静水压强分布图面积 方向：垂直并指向受压平面 作用线：过压强分布图的形心，作用点位于对称轴上。,静水压强分布图是根据静水压强与水深成正比关系绘制的，只要用比例线段分别画出平面上两点的静水压强，把它们端点联系起来，就是静水压强分布图,解析法：大小：P=pcA, pc形心处压强 方向：垂直并指向受压平面 作用

4、点D：通常作用点位于对称轴上，在平面的几何中心之下。,(2)曲面壁静水总压力 水平分力：Px=pcAx=ghcAx 水平分力就是曲面在铅垂面上投影平面的静水总压力，它等于该投影平面形心点的压强乘以投影面面积。,铅垂分力：Pz= gV , V-压力体体积. 在求铅垂分力Pz时,要绘制压力体剖面图。压力体是由自由液面或其 延长面,受压曲面以及过曲面边缘的铅垂平面这三部分围成的体积。 当压力体与受压面在曲面的同侧，那么铅垂分力的方向向下；当压力 体与受压面在曲面的两侧，则铅垂分力的方向向上.,合力方向：=arctg,液流,第2章 液体运动的流束理论 1. 流线的特点:反映液体运动趋势的图线 流线的特

5、征:流线不能相交；恒定流流线形状位置不变；恒定流 迹线和流线重合。 2 .流动的分类:,非恒定流 均匀流,恒定流 非均匀流 渐变流,在均匀流和渐变流过水断面上，压强分布满足： （二）液体运动基本方程,急变流,1.恒定总流连续方程 v 1A1= v 2A2 , Q=vA 利用连续方程，已知流量可以求断面平均流速，或者通过两断面间 的几何关系求断面平均流速。,2.恒定总流能量方程,J= 水力坡度 ，表示单位长度流程上的水头损失。 能量方程是应用最广泛的方程，能量方程中的最后一项hw是单位 重量液体从1断面流到2断面的平均水头损失,（1）能量方程应用条件： 恒定流，只有重力作用，不可压缩渐变流断面，

6、无流量和能量的出入 （2）能量方程应用注意事项:,三选：选择统一基准面便于计算 选典型点计算测压管水头 : 选计算断面使未知量尽可能少 （ 压强计算采用统一标准） （3）能量方程的应用： 它经常与连续方程联解求 ：断面平均流速，管道压强，作用水头等。 文丘里流量计是利用能量方程确定管道流量的仪器。 毕托管则是利用能量方程确定明渠（水槽）流速的仪器。 当需要求解水流与固体边界之间的作用力时，必须要用到动量方程，,3.恒定总流动量方程,Fx=Q（2 v 2x-1 v 1x） 投影形式 Fy=Q（2 v 2y -1 v 1y） Fz=Q（2 v 2z -1 v 1z） 动量修正系数，一般取=1.0

7、式中：Fx、Fy、Fz是作用在控制体上所有外力沿各坐标轴分量的合力， V1i,V2i是进口和出口断面上平均流速在各坐标轴上投影的分量。动量方程的应 用条件与能量方程相似，恒定流和计算断面应位于渐变流段。 动量方程应用注意事项： 动量方程是矢量方程，要建立坐标系。（所建坐标系应使投影分量越多等于 0为好，这样可以简化计算过程。） b)流速和力矢量的投影带正负号。（当投影分量与坐标方向一致为正，反之为负） c)流出动量减去流入动量。,d)正确分析作用在水体上的力， 一般有重力、压力和边界作用力(作用在水体上的力通常有重力、 压力和边界作用力) e)未知力的方向可以任意假设。（计算结果为正表示假设正

8、确， 否则假设方向与实际相反） 通常动量方程需要与能量方程和连续方程联合求解。 4.量纲分析,第3章 流态与水头损失 水头损失以及与水头损失有关的液体的流态。 （一）水头损失的计算方法 总水头损失： hw= hf + hj 沿程水头损失：,达西公式,圆管,沿程水头损失系数 R水力半径 圆管 局部水头损失 局部水头损失系数 从沿程水头损失的达西公式可以知道，要计算沿程水头损失， 关键在于确定沿程水头损失系数。而值的确定与水流的 流态和边界的粗糙程度密切相关。,（二）液体的两种流态和判别,(1).液体的两种流态： 雷诺实验 层流 液体质点互相不混掺的层状流动 hf V1.0 紊流 存在涡体质点互相

9、混掺的流动 hf V1.75-2 当流速比较小的时候，各流层的液体质点互相不混掺，定义为层流。 当流速比较大的时候，各流层内存在涡体，并且流层间的质点互相混掺 ， 定义为紊流。 雷诺数物理意义，上、下临界雷诺数的关系。 (2).流态的判别：雷诺数Re，,明渠： Rek=500,圆管： ,Rek=2000,流态的判别的条件：ReRek 层流 ； ReRek 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)断面流速分布特点 ：抛物型分布，不均匀,(2) 沿程阻力系数： 层流流动的沿程水头损失系数只是雷诺数的函数，而且与雷诺数成 反比。

10、 4. 紊流运动特性 紊流的特征液层间质点混掺，运动要素的脉动 紊流内部存在附加切应力： 紊流边界有三种状态：,紊流中：当Re较小 0.3 水力光滑,当Re较大 6 水力粗糙； 当Re介于两者之间 过渡区,（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 指数流速分数 当 Re105 n=1/7 通过尼古拉兹实验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. 的变化规律 尼古拉兹实验 （人工粗糙管） 层流区： =f1(Re)=,紊流粗糙区也称为紊流阻力平方区，沿程水力摩擦系数与雷诺数无关， 所以沿程水头损失与流速成正比。与雷诺实验结果一致。 在实际水利工程

11、中常用舍齐公式和曼宁公式计算流速或沿程水头损失， 需要掌握。,6. 谢齐公式与曼宁公式,谢齐公式： 曼宁公式： 适用：紊流阻力平方区,通常水头损失计算常用：,第4章有压管中的恒定流,1.有压管道恒定流 小孔口恒定出流：,自由出流 淹没出流 流量系数，=0.600.62 z 上下游水位差。,管嘴恒定出流 流量公式： 管嘴与孔口相比，收缩断面CC处存在负压，所以同样条件下， 管嘴的流量系数大，表明其过流能力大。,2.简单管道水力计算 短管和长管,管流的计算任务： a）求过流能力Q b) 确定作用水头H c) 测压管水头线和总水头线的绘制。 短管水力计算自由出流流量公式：,流量系数：,淹没出流公式：

12、,基本公式：, 流量模数,长管水力计算 : 特点： 忽略不计,（5）水头线绘制,注意事项： （1）局部水头损失集中在一个断面； （2）管中流速不变，总水头线平行于测压管水头线； （3）总水头线总是下降，而测压管水头线可升可降； （4）当测压管水头线在管轴线（位置水头线）以下，表示该处存在负压； （5）注意出口的流速水头（自由出流）或局部损失（淹没出流）。,第5章 明渠恒定均匀流 （一）明渠恒定均匀流 1. 均匀流特征： （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 = Jz= i (总水头线、水面线、渠底) 2. 均匀流形成条件：恒定流，长直

13、棱柱体渠道，正坡渠道，糙率沿程不变,第6章 明渠恒定非均匀流 明渠水流的流态和判别 1.明渠水流三种流态： 缓流 急流 临界流 注意把明渠水流的三种流态与前面讨论过的层流、紊流区分开来。 缓流、急流、临界流是对有自由表面的明渠水流的分类；层流、 紊流的分类是对所有水流（包括管流和明渠水流）都适用；,2.明渠水流流态的判别：,3.佛汝德数Fr： 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。,第7章 水 跃 水跃和水跌 1. 水跌：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，

14、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（h1）=J（h2）,（2）共轭水深公式： 和 （3）水跃长度 lj = 6.9 ( h2 - h1),第8章 堰流及闸孔出流 （一）堰流和闸孔出流 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。 堰闸出流的区别： 堰流和闸流的判别：,平顶堰： 0.65闸孔出流 0.65堰流,曲线堰： 0.75闸孔出流 0.75堰流,2.堰流: 1) 堰流基本公式 根据能量方程可以导出：,m流量系数（与堰型、进口尺寸、堰高P，及水头H有关） 1侧收缩系数