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1、优质文本绪 论1、水力学的任务: 一、研究液体主要是水的平衡。二、液体机械运动的规律及其实际应用。2、液体的主要物理性质：2.1、惯性、质量与密度 惯性力：当液体受外力作用使运动状态发生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵抗的反作用力。 Fm*a 单位：N 量纲：2 密度：是指单位体积液体所含有的质量。国际单位：3 量纲：3 一个标准大气压下，温度为4，蒸馏水密度为1000 3 。 2.2万有引力特性与重力 万有引力：是指任何物体之间相互具有吸引力的性质，其吸引力称为万有引力。重力：地球对物体的引力称为重力，或称为重量。2.3粘滞性与粘滞系数 当液体处在运动状态时，假设液体质点之间存在着相对运动
2、，那么质点间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，此内摩擦力又称为粘滞力。 牛顿内摩擦定律： ：流速梯度。 ：剪切变形速度。动力粘滞系数，简称粘度，随液体种类不同而异的比例系数。国际单位 ：牛顿秒米2牛顿内摩擦定律：作层流运动的液体，相邻液层间单位面积上所作用的内摩擦力或粘滞力，与流速梯度成正比，同时与液体的性质有关。牛顿内磨擦定律适用条件：只能适用于牛顿流体。2.4压缩性及压缩率2.5 外表张力 外表张力仅在自由外表存在，液体内部并不存在。大小：用外表张力系数 来度量。单位：牛顿米。3、连续介质和理想液体、实际液体的概念3.1连续介质： 即假设液体是一种连续充满其所占据空间
3、毫无空隙的连续体。3.2理想液体：就是把水看作绝对不可压缩、不能膨胀、没有粘滞性、没有外表张力的连续介质。3.3有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主要差异。4、作用于液体上的力4.1外表力：作用于液体的外表，并与受作用的外外表积成比例的力。例如摩擦力、水压力。4.2质量力：是指通过所研究液体的每一局部质量而作用于液体的、其大小与液体的质量成比例的力。如重力、惯性力。5、水力学的研究方法5.1理论分析 5.2科学实验。包括原型观测、模型试验、系统试验。5.3数值计算水静力学1、静水压强及其特性 取微小面积 ，令作用于 的静水压力为 静水压强的两个重要特性：1.1静水压强的方向与受压面垂直
4、并指向受压面。1.2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。2、等压面：静水压强值相等的点连接成的面可能是平面也可能是曲面。 等压面性质： 2.1在平衡液体中等压面即是等势面。2.2等压面与质量力正交。3、重力作用下静水压强的根本公式 自由面上的气体压强。 不可压缩均质液体平衡微分方程4、绝对压强与相对压强、真空度4.1绝对压强 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。总是正的。4.2相对压强把当地大气压作为零点计量的压强，称为相对压强。可正可负。以 表示绝对压强，p表示相对压强， 那么表示当地的大气压强。那么有 4.3相对压
5、强为负值时，那么称该点存在真空。真空度是指该点绝对压强小于当地大气压强的数值。5、压强的液柱表示法，水头与单位势能 98 =1个工程大气压 10m水柱 736水银柱静水压强的根本方程式 z：位置水头，静止液体内任意点在参考坐标平面以上的几何高度。 测压管水头。 压强水头，是该点的测压管内液柱高度。 代表了单位重量液体所具有的位能。代表单位重量液体所具有的压能。方向，与液体同侧朝下，与液体不同侧朝上。6、曲面静水总压力 垂直分力 V：压力体柱体体积水平分力7、静水压强分布图、平面上的静水总压力相对压强分布图绝对压强分布图平面上的静水总压力计算液体运动的流束理论1、描述液体运动的两种方法1.1拉格
6、朗日法以研究个别液体质点的运动为根底，通过对每个液体质点运动规律的研究来获得整个液体运动的规律性。所以这种方法又可叫做质点系法。1.2欧拉法 是以考察不同液体质点通过固定的空间点的运动情况来了解整个流动空间的流动情况，即着眼于研究各种运动要素的分布场，所以这种方法又叫做流场法。2、液体运动的一些根本概念 2.1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。 2.2非恒定流：流场中任何点上有任何一个运动要素是随时间而变化的。 2.3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连成的线称为迹线，即液体质点运动时所走过的轨迹线。 2.4流线：是某一瞬时在流场中绘出的一条曲
7、线，在该曲线上所有各点的速度向量都与该曲线相切。 流线的根本特性2.4.1恒定流时，流线的形状和位置不随时间而改变。 2.4.2恒定流时液体质点运动的迹线与流线相重合。 2.4.3流线不能相交。2.5总流：任何一个实际水流都具有一定规模的边界，这种有一定大小尺寸的实际水流称为总流。总流可以看作是由无限多个微小流束所组成。2.6过水断面：与微小流束或总流的流线成正交的横断面称为过水断面。该面积或A称为过水断面面积，单位m2。注意：过水断面可为平面也可为曲面。2.7流量：单位时间内通过某一过水断面的液体体积称为流量。流量常用的单位为 米秒m3，符号表示。2.8断面平均流速：，是一个想象的流速，如果
8、过水断面上各点的流速都相等并等于，此时所通过的流量与实际上流速为不均匀分布时所通过的流量相等，那么流速就称为断面平均流速。2.9凡水流中任一点的运动要素只与一个空间自变量有关，这种水流称为一元流。 流场中任何点的流速和两个空间自变量有关，此种水流称为二元流。 假设水流中任一点的流速，与三个空间位置变量有关，这种水流称为三元流。微小流束为一元流；过水断面上各点的流速用断面平均流速代替的总流也可视为一元流；宽直矩形明渠为二元流；大局部水流的运动为三元流。2.10均匀流：当水流的流线为相互平行的直线时，该水流称为均匀流。2.11非均匀流：假设水流的流线不是相互平行的直线该水流称为非均匀流。2.11.
9、1渐变流：当水流的流线虽然不是相互平行直线，但几乎近于平行直线时称为渐变流缓变流。渐变流的极限情况就是均匀流。 2.11.2急变流：假设水流的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。注意：渐变流动水压强服从静水压强分布；而急变流动水压强分布特性复杂。3、恒定一元流微小流束的连续性方程 进而推出总流连续性方程：流量 u1、u 2是流束两端端面12的流速，v1，v2也是过水断面的平均流速。4、不可压缩实际液体就恒定流微小流束的能量方程式 单位重量液体从断面1-1流至断面2-2所失的能量将上式积分，得出恒定总流能量方程：代表过水断面上单位重量液体所具有的平均动能，一般称为流速水头
10、。 为单位重量液体从一个过水断面流至另一个过水断面克服水流阻力作功所损失的平均能量，一般称为水头损失。水力学中，习惯把单位重量液体所具有总机械能成为总水头， 用 表示。应用恒定总流能量方程式的条件及注意之点： 4.1水流必须是恒定流。 4.2作用于液体上的质量力只有重力。 4.3在所选的两个过水断面上，水流应符合渐变流条件，但在所取的两个断面之间，水流可以不是渐变流。 4.4在所取的两过水断面之间，流量保持不变，其间没有流量参加或分出。5、恒定总流动量方程 动量修正系数，常采用 在直角坐标系中的投影为：应用动量方程式时要注意以下各点： 5.1动量方程式是向量式，因此，必须首先选定投影轴，标明正
11、方向，其选择以计算方便为宜。 5.2控制体一般取整个总流的边界作为控制体边界，横向边界一般都是取过水断面。5.3动量方程式的左端，必须是输出的动量减去输入的动量，不可颠倒。5.4对欲求的未知力，可以暂时假定一个方向，假设所求得该力的计算值为正，说明原假定方向正确，假设所求得的值为负，说明与原假定方向相反。 5.5动量方程只能求解一个未知数，假设方程中未知数多于一个时，必须借助于和其他方程式如连续性方程、能量方程联合求解。6、总水头线和测压管水头线总水头线，就是总水头H的值的连线。测压管水头线，是各断面值的连线。对于河渠中的渐变流，其测压管水头线就是水面线液体流动形态及水头损失1、 水头损失的本
12、质和分类粘滞性是液流产生水头损失的决定因素。水头损失：单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能。 分类： (1) 沿程水头损失; (2)局部水头损失。沿程水头损失：水头损失是沿程都有并随沿程长度增加。局部水头损失：局部区域内液体质点由于相对运动产生较大能量损失。常用表示。2、 均匀流沿程损失与切应力关系、达西公式达西公式明渠圆管沿程阻力系数 3、 实际液体运动两种形态：层流和紊流湍流。雷诺数的物理意义。 雷诺数： v：运动粘滞系数，查表值雷诺实验说明层流与紊流湍流的主要区别在于紊流湍流时各流层之间液体质点有不断地互相混掺作用，而层流那么无。雷诺数是表征惯性力与粘滞力的比值。对圆管： 对
13、明渠及天然河道 一般，大于下临界雷诺数是湍流，小于它的是层流。4、圆管层流过水断面上的流速分布、沿程水头损失计算。流速分布公式圆管层流的沿程水头损失可得沿程阻力系数与雷诺系数关系 5、湍流的特征湍流的根本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。附加切应力湍流时均切应力 看作是由两局部所组成： 第一局部为由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力 ； 第二局部为纯粹由脉动流速所产生的附加切应力 。 湍流中存在粘性底层 紊流中紧靠固体边界外表有一层极薄的层流层存在，该层流层叫粘性底层。在粘性底层以外的液流才是紊流。粘性底层厚度 ，随雷诺系数增大
14、而减小。6、沿程水头损失的经验公式谢齐公式 谢齐()总结明渠均匀流实测资料，提出计算均匀流的经验公式 式中 C为谢齐系数，单位 断面水力半径，J水力坡度 曼宁公式 ，n为粗糙系数，也称糙率，需查表，是表征边界外表影响水流阻力的各种因素的一个综合系数。 7、局部水头损失 对管道突然扩大 有压管中的恒定流1、有压管道流动的特点及分类 有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的作用。 管道根据其布置情况可分为：简单管道与复杂管道。复杂管道又可分为：串联管道、并联管道、分叉管道、均匀泄流管道。根据与两种水头损失在损失中所占比重的大小，将管道分为长管及短管两类。短管：沿程与局部水头损失均须考虑长管：局部
15、水头损失与流速水头可略2、简单管道水力计算的根本公式、及水头线绘制 简单管道：指管道直径不变且无分支的管道。简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流。自由出流：管道出口，水流入大气，水股四周都受大气压强作用。忽略行近流速水头2/2g时，流量计算公式变为淹没出流：管道出口淹没在水下称为淹没出流。当忽略掉行近流速水头时，流量计算公式为以上都是短管的计算方式明渠恒定流1、明渠水流的特点和分类明渠是人工修建或自然形成的具有自由外表的渠槽。明渠水流分类：明渠恒定流和明渠非恒定流明渠恒定流又分为：明渠均匀流、明渠非均匀流常见的过水断面的水力要素2、明渠均匀流特性及其产生条件 一、明渠均匀流的特性：1.均
16、匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变。 2.过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。因而，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。 3.总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。 二、明渠均匀流的发生条件：1水流必须是恒定流。 2流量应沿程不变，即无支流的汇入或分出。 3渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变。 4渠道中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。 C是谢齐系数，Ri是底坡 明渠均匀流的计算公式 K为流量模数，单位为m3，它综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对过水能力的影响。3、水力最正确断面。允许流速和糙率确实定。3.1.水
17、力最正确断面当渠道的底坡、粗糙系数及过水断面积一定时，通过流量最大；或当底坡、粗糙系数及流量一定时，所需的过水断面积最小时的断面。 X是湿周 工程中采用最多的是梯形断面，虽然半圆形断面是水力最正确断面，但施工困难。其边坡系数 m 由边坡稳定要求确定。梯形水力最正确断面的水力半径等于水深的一半。 矩形水力最正确断面的 及 过水断面积与湿周之比即为水力半径。表达式为：允许流速是为了保持渠道平安稳定运行在流速上的限制，包括不冲流速v、不淤流速v和其它运行管理要求的流速限制。4、明渠均匀流水力设计计算 对于梯形渠道，各水力要素间存在着以下函数关系 工程实践中所提出的明渠均匀流的水力计算问题，主要有以下
18、几种类型： 1.渠道的断面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系数n，求通过的流量或流速。 2.渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，求水深h。 3.渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道底宽b。4.渠道的设计流量Q，水深h、底宽b、粗糙系数n及边坡系数m，求底坡i。5.流量Q、流速v、底坡i、粗糙系数n和边坡系数m，要求设计渠道断面尺寸。具体可见p202页5、粗糙度确定 当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时，按照下式计算 在一般情况下，也可以按照加权平均方法估算，即明渠恒定非均匀流1、明渠非均匀流的特点明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头
19、线彼此互不平行。明渠水流三种状态及判别： 明渠水流有和大气接触的自由外表，与有压流不同，具有独特的水流流态，即缓流、临界流和急流三种。当v时，水流为缓流，干扰波能向上游传播。 是波速是波速当v时，水流为临界流，干扰波不能向上游传播。 V是断面平均水流。当v时，水流为急流，干扰波不能向上游传播。当1，水流为缓流； 当1，水流为临界流； 当1，水流为急流。 佛劳德数 佛汝劳德数的物理意义是： 过水断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍开平方。佛汝劳德数的力学意义是： 代表水流的惯性力和重力两种作用的比照关系。 2、断面比能、临界水深 0-0为基准面，那么过水断面上单位重量液体所具有的总能量为
20、：把对通过渠底的水平面0-0所计算得到的单位能量称为断面比能，并以 来表示实用上，因一般明渠底坡较小，可认为 故常采用当流量Q和过水断面的形状及尺寸一定时，断面比能仅仅是水深的函数，即f(h)，以图表示那么称为:比能曲线。 相应于断面单位能量最小值的水深称为临界水深，以表示。2.1.矩形断面明渠临界水深的计算 为单宽流量2.2断面为任意形状时，临界水深的计算 1试算法 2图解法 ，为缓流 ，为临界流 ，为急流3、临界底坡、缓坡与陡坡 均匀流正常水深 非均匀流水深 与 成反比 临界水深明渠均匀流的正常水深h0恰好与临界水深相等时，此坡度定义为临界底坡。 为缓坡 为陡坡 为临界坡当渠道底坡自陡坡变
21、为缓坡时，此时水流会产生一种水面突然跃起的特殊水力现象叫水跃。当渠道底坡自缓坡变为陡坡时，渠道中均匀流由缓流变为急流时，水流会产生水面降落现象，叫做水跌。4、棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线 棱柱体明渠非均匀渐变流微分方程式为：上式说明水深h沿流程s的变化是和渠道底坡i及实际水流的流态有关。按底坡性质 分为正坡、平坡和逆坡。 正坡明渠可分为缓坡、陡坡和临界坡三种情况。 正坡明渠中，水流有可能做均匀流动，因而存在正常水深h0，另一方面它也存在临界水深。在平底及逆坡棱柱体明渠中，因不可能有均匀流，不存在正常水深 h0，仅存在临界水深，所以只能画出与渠底相平行的临界水深线KK。以下列图乃是平底和
22、逆坡棱柱体明渠中KK线情况。 水跃与堰闸流动1、水流由急流过渡到缓流，会产生一种水面突然跃起的特殊的局部水力现象，称为水跃。外表旋滚起点过水断面1-1称为跃前断面，该断面处水深称为跃前水深。外表旋滚末端的过水断面2-2称为跃后断面，该断面处的水深h2称为跃后水深。跃前、后水深之差称为跃高，之间的距离称为跃长。棱柱体水跃方程 水跃函数 水跃方程也可以写成在棱柱体水平明渠中，跃前水深h1与跃后水深h2具有相同的水跃函数值，两个水深为共轭水深。2、棱柱体水平明渠中水跃的能量损失 很大的紊流附加切应力使跃前断面水流的大局部动能在水跃段中转化为热能而消失。3、当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对
23、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。水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间孔口流出时，这种水流状态叫做闸孔出流。工程上通常按照堰坎厚度与堰上水头H的比值大小及水流的特征将堰流分作： 1薄壁堰流：即 2实用堰： 即 3宽顶堰流：即 堰流的根本公式 实用堰流的水力计算 曲线型实用堰的剖面形状堰顶曲线对水流特性的影响最大，是设计曲线实用堰剖面形状的关键。我国采用的剖面美国水道试验站型现在常用 当矩形薄壁堰流为无侧收缩，自由出流时，水流最为稳定，测量精度也较高。所以用来量水的矩形薄壁堰应使上游梁宽与堰宽相同；下游水位低于堰顶。4、闸孔出流的水力计算水力计算的任务：在一
24、定闸前水头下计算不同闸孔开度时的泄流量；或根据的泄流量求所需的闸孔宽度b。 计算根本公式：式中： s淹没系数自由出流s1 闸孔出流流量系数 b 闸孔宽度 e 闸孔开度 H0闸孔全水头液体运动流场理论1、探索液体运动规律有流束理论和流场理论两种不同的途径。流束理论：将液体看作是一元流动，只考虑沿流束轴线方向的运动，而忽略与轴线垂直方向的横向运动，因而不是液体运动的普遍理论。流场理论：把液体运动看作是充满一定空间流场而由无数液体质点组成的连续介质运动，研究流场中每个液体质点的空间位置、流速、加速度、压强等运动要素之间的关系。是研究液体的三元流动，具有普遍意义。2、流速与加速度在时刻t，某一液体质点
25、通过渐变段上的A点，经过时间该液体质点运动到新的位置 。在时刻t，A点流速为 ， 点的流速为 。在时刻，A 点的流速变为 ，而 点的流速那么变为该液体质点通过A点时的加速度应为式中第一项叫做时变加速度，第二项叫做位变加速度。3、流线与迹线流线方程 迹线微分方程 恒定流时，迹线和流线重合。4、液体质点运动的根本形式平行六面体的整个变化过程可看作是由以下几种根本运动形式所组成。1、位置平移。2)、线变形。3)、边线偏转：(1)角变形；(2) 旋转运动。线变形边线偏转 角变形 旋转运动无涡流是液体质点没有绕自身轴旋转的运动，也就应满足以下条件： 液体流动时，有液体质点存在绕自身轴的旋转运动，称有涡流
26、有涡流可用旋转角速度的矢量来表征，引用所谓涡线、涡束等概念。涡线是某一瞬时在涡流场的一条几何曲线，在这条曲线上各质点在同一瞬时的旋转角速度的矢量都与该曲线相切。涡线的作法与流线相似。5、液体运动上的连续性方程可压缩液体非恒定流的连续性方程式对不可压缩液体， 常数，因此得连续性方程式为或写作 u0，式中 u叫速度散量。6、理想液体运动微分方程式欧拉方程式理想液体动水压强的特性 第一，理想液体的动水压强总是沿着作用面的内法线方向。 第二，在理想液流中，任何点的动水压强在各方向上的大小均相等。 理想液体运动微分方程式欧拉方程式 实际液体运动微分方程 恒定平面势流1、流函数、流速势液流运动可分为有涡流
27、及无涡流，无涡流一定有流速势存在，称之为势流。流函数及其性质： 求解平面流就是要求解水流的流动场和流动图形，流线反映了平面流的流动图形。函数 叫做平面流的流函数。流函数存在的充分必要条件：流函数存在的充分必要条件就是不可压缩液体的连续性方程式，所以不可压缩液体作平面的连续运动时就有流函数存在。流函数的性质： 1、同一流线上各点的流函数为常数，或流函数相等的点连成的曲线就是流线。 2、两流线间所通过的单宽流量等于该两流线的流函数值之差。3、平面势流的流函数是一个调和函数平面势流必有流速势 存在，把 值相等的点连接起来的曲线就称为等势线。流函数与流速势的关系：平面势流中任何一点都有一个流函数和流速
28、势。 1、流函数与流速势为共轭函数2、等流函数线与等流速势线相正交，即流线与等势线相正交。流线上任意一点斜率： 同一定点上等势线的斜率：渗流理论1、渗流概念和模型流体在孔隙介质中的流动称为渗流。 所谓渗流模型，乃认为渗流是充满了整个孔隙介质区域的连续水流，包括土粒骨架所占据的空间在内，均由水所充满，似乎无土粒存在一样。渗流模型的实质在于，把实际上并不充满全部空间的液体运动，看作是连续空间内的连续介质运动。2、达西定律及应用条件k 为反映土的透水性质的比例系数，称为渗透系数。渗透系数具有流速的量纲。 达西公式说明在均质孔隙介质中渗流流速与水力坡度的一次方成比例并与土的性质有关。达西定律的适用条件水头损失和流速一次方成比例，乃是液体作层流运动所遵循的规律，由此可见达西定律只能适用于层流渗流。渗透系数：渗透系数k值是反映土的渗流特性的一个综合指标。3、地下河槽中的均匀渗流按照达西定律，断面平均流速为通过过水断面的渗流流量为通过地下河槽的单宽流量那么为4、地下河槽中非均匀渐变渗流微小流束的A点处流速1-1断面平均流速上式就是著名的杜比公式