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1、水力学小结第1页，本讲稿共16页其其中中粘粘滞滞性性是是本本章章的的重重点点，掌掌握握牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律的的物物理理意意义义，其适用条件是层流运动和牛顿液体。其适用条件是层流运动和牛顿液体。5 5理想液体的概念：无粘性的液体。理想液体的概念：无粘性的液体。6 6作用在液体上的力：质量力和表面力。作用在液体上的力：质量力和表面力。（1）质质量量力力：作作用用在在液液体体内内部部每每个个质质点点上上，并并且且与与液液体体质质量量成正比。成正比。（2）表面力：作用在液体上，并且与表面积成正比。）表面力：作用在液体上，并且与表面积成正比。第2页，本讲稿共16页水静力学水静力学小小结结一一.概
2、念概念1.1.静水压强及其特性静水压强及其特性 2.2.重力作用下的静水压强基本公式及意义重力作用下的静水压强基本公式及意义 p p=p p0 0+g hg h 3.3.绝对压强、相对压强和真空度绝对压强、相对压强和真空度 p=pp=p-p-pa a 4.4.压强单位有三种：压强单位有三种：（1 1）用应力单位表示：）用应力单位表示：N/mN/m2 2（PaPa）或）或kN/mkN/m2 2（kPakPa）；）；（2 2）用大气压的倍数表示：即）用大气压的倍数表示：即Pa=98kN/mPa=98kN/m2 2，用，用PaPa的倍数表示；的倍数表示；（3 3）用液柱高度：米水柱（）用液柱高度：米
3、水柱（mHmH2 2O O）或毫米水银柱（）或毫米水银柱（mmHgmmHg）。）。1 1工程大气压工程大气压=98kPa =98kPa 相当于相当于10m10m水柱高、水柱高、735mm735mm水银柱高水银柱高它们之间的关系为：它们之间的关系为：第3页，本讲稿共16页二、静水压强的测量和计算静水压强的测量和计算原理：利用等压面原理：利用等压面、静水压强基本方程静水压强基本方程 步骤：步骤：1.1.取等压面取等压面 ；2.2.对等压面及相关测点列静水压强基本对等压面及相关测点列静水压强基本方程；方程；3.3.利用静水压强基本公方程确定两点压强之间的关系利用静水压强基本公方程确定两点压强之间的关
4、系,分别从左、分别从左、右两方向等压面右两方向等压面 推算求得压强。推算求得压强。三、作用在平面上静水总压力三、作用在平面上静水总压力掌握图解法（只适用矩形受压面）和解析法掌握图解法（只适用矩形受压面）和解析法 （适用任意形状受（适用任意形状受压面）求解平面上静水总压力。压面）求解平面上静水总压力。步骤：步骤：1.1.画出受压平面静水压强分布图画出受压平面静水压强分布图2.2.图解法图解法F FP P=b=b(也可用解析法也可用解析法F FP P=P PC C A A=g gh hc c A A 第4页，本讲稿共16页作用点作用点:三角形分布三角形分布梯形分布梯形分布四、作用在曲面上的静水总压
5、力四、作用在曲面上的静水总压力1.1.画出受压曲面压力体剖面图；画出受压曲面压力体剖面图；2.2.总压力的大小总压力的大小静水总压力的水平分力静水总压力的水平分力:F:F PxPx =p pc cA Ax x =g gh hc c A Ax x静水总压力的铅垂分力静水总压力的铅垂分力:F:FPzPz=g gV V 静水总压力静水总压力:3.3.总压力与水平方向的夹角总压力与水平方向的夹角为为4.4.作用点位置作用点位置第5页，本讲稿共16页水流运动基本原理小结水流运动基本原理小结一、几个基本概念一、几个基本概念1）元流（）元流（tubeflow）：充满在流管中的液流称为元流或微小流束。元流的极
6、：充满在流管中的液流称为元流或微小流束。元流的极限是一条流线。无数元流之和就构成总流。限是一条流线。无数元流之和就构成总流。2 2）过水断面（）过水断面（crosssection）：）：即水道（管道、明渠等）中垂直于水流流动方向的即水道（管道、明渠等）中垂直于水流流动方向的横断面，即与元流或总流的流线成正交的横断面称为过水断面。横断面，即与元流或总流的流线成正交的横断面称为过水断面。3 3）点流速：）点流速：液体流动中任一点的流速称为点流速，常用液体流动中任一点的流速称为点流速，常用u u表示。一般情况下过水断面上表示。一般情况下过水断面上各点的点流速是不相等的。各点的点流速是不相等的。4 4
7、）平均流速：）平均流速：由通过过水断面的流量由通过过水断面的流量Q Q除以过水断面的面积除以过水断面的面积A A而得的流速称为断面平均而得的流速称为断面平均流速，常用流速，常用v表示，即表示，即5 5）渐变流：）渐变流：水流的流线几乎是平行直线的流动。或者虽有弯曲但曲率半水流的流线几乎是平行直线的流动。或者虽有弯曲但曲率半 径又很大，则可视为渐变流。渐变流的极限是均匀流。渐变流同一过径又很大，则可视为渐变流。渐变流的极限是均匀流。渐变流同一过 水断面上的动水压强分布规律同静水压强，即水断面上的动水压强分布规律同静水压强，即z z+p p/gg=常数。但需要注意：对常数。但需要注意：对于不同断面
8、于不同断面z z+p p/gg一般不相等。一般不相等。第6页，本讲稿共16页6 6）急变流：）急变流：流线间夹角很大或曲率半径较小或二者兼而有之，流线是曲线。急变流过水流线间夹角很大或曲率半径较小或二者兼而有之，流线是曲线。急变流过水断面上的动水压强不按静水压强规律分布。断面上的动水压强不按静水压强规律分布。7）动能（动量）修正系数：）动能（动量）修正系数：指按实际流速分布计算的动能（动量）与按断面平均指按实际流速分布计算的动能（动量）与按断面平均流速计算的动能（动量）的比值。流速计算的动能（动量）的比值。它们的值均大于它们的值均大于1.0，且取决于总流过水断面的，且取决于总流过水断面的流速分
9、布，分布越均匀，流速分布，分布越均匀，值越小，越接近于值越小，越接近于1.0。一般工程计算中常取常数。一般工程计算中常取常数1.0。二、恒定总流连续性方程二、恒定总流连续性方程不可压缩流体无分叉流时：不可压缩流体无分叉流时：v1A1=v2A2即即Q1=Q2，即任意断面间断面平均流速，即任意断面间断面平均流速的大小与过水断面面积成反比。的大小与过水断面面积成反比。不可压缩流体分叉流动时：不可压缩流体分叉流动时：Q入入=Q出出，即流向分叉点的流量之和等于自分叉，即流向分叉点的流量之和等于自分叉点流出的流量之和。点流出的流量之和。三、恒定总流能量方程三、恒定总流能量方程掌握方程各项掌握方程各项物理意
10、义和几何物理意义和几何意义、应用条件、注意事项意义、应用条件、注意事项第7页，本讲稿共16页水头线水头线 各断面的总水头连线称为总水头线或总能线。对于各断面的总水头连线称为总水头线或总能线。对于理想理想流动流体的流动流体的总水头线为水平线；对于总水头线为水平线；对于实际实际液动流体的总水头线恒为下降曲线或直线，液动流体的总水头线恒为下降曲线或直线，其下降值等于两断面的水头损失其下降值等于两断面的水头损失hw。各断面的测压管水头连线称为测压管水头线。测压管水头线与总水各断面的测压管水头连线称为测压管水头线。测压管水头线与总水头线的间距是流速水头差，若是均匀流，则总水头线平行于测压管水头头线的间距
11、是流速水头差，若是均匀流，则总水头线平行于测压管水头线，即线，即J=JP。测压管水头线可升可降，它取决于总流几何边界的变化情。测压管水头线可升可降，它取决于总流几何边界的变化情况。况。第8页，本讲稿共16页 作用在计算流段上的外力的合力在某坐标轴上的投影，等于在作用在计算流段上的外力的合力在某坐标轴上的投影，等于在该方向上流出流入该流段水体的动量之差。该方向上流出流入该流段水体的动量之差。对于分叉管流，其动量方程应为：对于分叉管流，其动量方程应为：四、恒定总流动量方程四、恒定总流动量方程掌握方程各项意义、应用条件、注意事项掌握方程各项意义、应用条件、注意事项第9页，本讲稿共16页能量方程与动量
12、方程比较能量方程与动量方程比较第10页，本讲稿共16页第11页，本讲稿共16页水流型态与水头损失水流型态与水头损失 小小 结结1.产生水头损失的原因有两个方面产生水头损失的原因有两个方面:其中边界对水流的阻力是产其中边界对水流的阻力是产生水头损失的生水头损失的外因外因，液体的粘滞性是产生水头损失的，液体的粘滞性是产生水头损失的内因内因，也，也是主要原因。是主要原因。2.水头损失的叠加原理水头损失的叠加原理:hw=hf+hj hf沿程水头损失沿程水头损失 hj局部水头损失局部水头损失4.均匀流沿程水头损失的计算基本公式均匀流沿程水头损失的计算基本公式达西公式达西公式（圆管）（圆管）3.液体流态的
13、判别是用无量纲数雷诺数液体流态的判别是用无量纲数雷诺数Re作为判别依据作为判别依据明渠水流明渠水流Re=临界雷诺数临界雷诺数Rek=500，当，当Re500为为 层流，层流，Re500为紊流。为紊流。圆管水流圆管水流Re 临界雷诺数临界雷诺数Rek=2000，当，当Re2000为层流，为层流，Re2000为紊流。为紊流。沿程阻力系数沿程阻力系数 第12页，本讲稿共16页5.5.紊流具有运动要素的脉动现象；紊流产生附加切应力；紊流产生粘紊流具有运动要素的脉动现象；紊流产生附加切应力；紊流产生粘滞滞底层底层；紊流使断面流速的分布更加均匀化了；紊流使断面流速的分布更加均匀化了。6.6.计算沿程水头损
14、失的经验公式计算沿程水头损失的经验公式谢才公式谢才公式C是反映边界对液体运动影响的综合系数，是反映边界对液体运动影响的综合系数，称为谢才系数，单位：称为谢才系数，单位：m1/2/s。(曼宁公式曼宁公式)7.局部水头损失的计算公式局部水头损失的计算公式第13页，本讲稿共16页 圆管液体流动流态特点圆管液体流动流态特点流流态态流态判别标流态判别标准准流区流区判别判别流速分布流速分布主要作主要作用力用力影响值的因影响值的因素素水头损水头损失失层层流流管流：管流：Re2000水力水力光滑光滑区区a.粘性底粘性底层线性分层线性分布布;b.其他区其他区域呈对数域呈对数或指数曲或指数曲线分布。线分布。紊流附
15、紊流附加切应加切应力力=f(Re）与与无无关关过渡过渡区区=f（Re，）水力水力粗糙粗糙区区=f（）与与Re无关无关第14页，本讲稿共16页1.何谓短管和长管？这种分类有何实际意义？何谓短管和长管？这种分类有何实际意义？2.当边界条件相同时，简单管路自由出流与淹没出流的流量当边界条件相同时，简单管路自由出流与淹没出流的流量 计算式中，其流量系数值是否相等？为什么？计算式中，其流量系数值是否相等？为什么？3.两淹没管流，一流入水库，另一流入渠道，其他条件相两淹没管流，一流入水库，另一流入渠道，其他条件相 同，其总水头线有何不同？同，其总水头线有何不同？渠道：存在流速，总水头线高于液面渠道：存在流
16、速，总水头线高于液面;水库：忽略流速，总水头线与液面持平水库：忽略流速，总水头线与液面持平长管：指管道中以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头长管：指管道中以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重小于（所占比重小于（5%10%）的沿程水头损失，可予以忽略）的沿程水头损失，可予以忽略 的管道。的管道。短管：局部水头损失和流速水头不能忽略的管道需要同时计算短管：局部水头损失和流速水头不能忽略的管道需要同时计算 的管道。的管道。相等。因为自由出流时相等。因为自由出流时 中的中的 不包含出口不包含出口时局部阻力系数，而淹没出流时时局部阻力系数，而淹没出流时 中的中的 包含了出口时局部阻力
17、系数包含了出口时局部阻力系数管流思考题管流思考题第15页，本讲稿共16页4.复杂管道是否一定是长管？请举例说明。复杂管道是否一定是长管？请举例说明。5.其它条件一样，但长度不等的并联管道，其沿程水头损失是其它条件一样，但长度不等的并联管道，其沿程水头损失是 否相等？为什么？否相等？为什么？不一定，长管的判别标准是局部水头损失和流速水头之和小于不一定，长管的判别标准是局部水头损失和流速水头之和小于沿程水头损失的（沿程水头损失的（510%）。对于一些管道不是很长的复杂管）。对于一些管道不是很长的复杂管路往往按短管计算。路往往按短管计算。并联管路的单位重量流体产生的水头损失是相等的，与管路长度并联管路的单位重量流体产生的水头损失是相等的，与管路长度无关。无关。第16页，本讲稿共16页