水力學(xué)主要知識(shí)點(diǎn)

第一頁(yè)，共23頁(yè)。緒論〔一〕液體的主要物理性質(zhì)1．慣性與重力特性2．粘滯性：液體的粘滯性是液體在流動(dòng)中產(chǎn)生能量損失的根本原因.描繪液體內(nèi)部的粘滯力規(guī)律的是牛頓內(nèi)摩擦定律:3．可壓縮性。在研究水擊時(shí)需要考慮4．外表張力特性。進(jìn)展模型試驗(yàn)時(shí)需要考慮水力學(xué)的兩個(gè)根本假設(shè)：(二)連續(xù)介質(zhì)和理想液體假設(shè)1.連續(xù)介質(zhì)：液體是由液體質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)體,可以用連續(xù)函數(shù)描繪液體運(yùn)動(dòng)的物理量.2．理想液體：忽略粘滯性、可壓縮性的液體〔三〕作用在液體上的兩類作用力第二頁(yè)，共23頁(yè)。第1章水靜力學(xué)水靜力學(xué)包括靜水壓強(qiáng)和靜水總壓力兩部分內(nèi)容。通過靜水壓強(qiáng)和靜水總壓力的計(jì)算，可以求作用在建筑物上的靜水荷載。靜水壓強(qiáng)：主要掌握靜水壓強(qiáng)特性,等壓面,水頭的概念，以及靜水壓強(qiáng)的計(jì)算和不同表示方法.1．靜水壓強(qiáng)的兩個(gè)特性：〔1〕靜水壓強(qiáng)的方向垂直且指向受壓面〔2〕靜水壓強(qiáng)的大小僅與該點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)，與受壓面方向無關(guān)，2.等壓面與連通器原理：在只受重力作用,連通的同種液體內(nèi),等壓面是程度面(它是靜水壓強(qiáng)計(jì)算和測(cè)量的根據(jù)〕3．重力作用下靜水壓強(qiáng)根本公式〔水靜力學(xué)根本公式〕p=p0+ρgh或

其中z—位置水頭，p/ρg—壓強(qiáng)水頭，z+p/ρg—測(cè)壓管水頭請(qǐng)注意，“水頭〞表示單位重量液體含有的能量。第三頁(yè)，共23頁(yè)。可以是正值，也可以是負(fù)值。。計(jì)算靜水總壓力包括求力的大小、方向和作用點(diǎn)，受壓面可以分為平面和曲面兩類。根據(jù)平面的形狀：對(duì)規(guī)則的矩形平面可采用圖解法，任意形狀的平面都可以用解析法進(jìn)展計(jì)算。4．壓強(qiáng)的三種表示方法：絕對(duì)壓強(qiáng)p′，相對(duì)壓強(qiáng)p，真空度pv,它們之間的關(guān)系為：p=p′-papv=│p│〔當(dāng)p＜0時(shí)pv存在〕相對(duì)壓強(qiáng):p=ρgh靜水總壓力的計(jì)算1)平面壁靜水總壓力圖解法：大?。篜=Ωb,Ω--靜水壓強(qiáng)分布圖面積方向：垂直并指向受壓平面作用線：過壓強(qiáng)分布圖的形心，作用點(diǎn)位于對(duì)稱軸上。第四頁(yè)，共23頁(yè)。靜水壓強(qiáng)分布圖是根據(jù)靜水壓強(qiáng)與水深成正比關(guān)系繪制的，只要用比例線段分別畫出平面上兩點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)，把它們端點(diǎn)聯(lián)絡(luò)起來，就是靜水壓強(qiáng)分布圖解析法：大?。篜=pcA,pc—形心處壓強(qiáng)方向：垂直并指向受壓平面作用點(diǎn)D：通常作用點(diǎn)位于對(duì)稱軸上，在平面的幾何中心之下。(2)曲面壁靜水總壓力程度分力：Px=pcAx=ρghcAx程度分力就是曲面在鉛垂面上投影平面的靜水總壓力，它等于該投影平面形心點(diǎn)的壓強(qiáng)乘以投影面面積。第五頁(yè)，共23頁(yè)。鉛垂分力：Pz=ρgV,V---壓力體體積.在求鉛垂分力Pz時(shí),要繪制壓力體剖面圖。壓力體是由自由液面或其延長(zhǎng)面,受壓曲面以及過曲面邊緣的鉛垂平面這三部分圍成的體積。當(dāng)壓力體與受壓面在曲面的同側(cè)，則鉛垂分力的方向向下；當(dāng)壓力體與受壓面在曲面的兩側(cè)，則鉛垂分力的方向向上.合力方向：α=arctg第六頁(yè)，共23頁(yè)。液流第2章液體運(yùn)動(dòng)的流束理論1.流線的特點(diǎn):反映液體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的圖線流線的特征:流線不能相交；恒定流流線形狀位置不變；恒定流跡線和流線重合。2.流動(dòng)的分類:

非恒定流均勻流恒定流非均勻流漸變流在均勻流和漸變流過水?dāng)嗝嫔?，壓?qiáng)分布滿足：〔二〕液體運(yùn)動(dòng)根本方程急變流1.恒定總流連續(xù)方程v1A1=v2A2,Q=vA利用連續(xù)方程，流量可以求斷面平均流速，或者通過兩斷面間的幾何關(guān)系求斷面平均流速。第七頁(yè)，共23頁(yè)。2.恒定總流能量方程

J=—水力坡度，表示單位長(zhǎng)度流程上的水頭損失。能量方程是應(yīng)用最廣泛的方程，能量方程中的最后一項(xiàng)hw是單位重量液體從1斷面流到2斷面的平均水頭損失〔1〕能量方程應(yīng)用條件：恒定流，只有重力作用，不可壓縮漸變流斷面，無流量和能量的出入〔2〕能量方程應(yīng)用本卷須知:三選：選擇統(tǒng)一基準(zhǔn)面便于計(jì)算選典型點(diǎn)計(jì)算測(cè)壓管水頭:選計(jì)算斷面使未知量盡可能少〔壓強(qiáng)計(jì)算采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)〕〔3〕能量方程的應(yīng)用：它經(jīng)常與連續(xù)方程聯(lián)解求：斷面平均流速，管道壓強(qiáng)，作用水頭等。文丘里流量計(jì)是利用能量方程確定管道流量的儀器。畢托管則是利用能量方程確定明渠〔水槽〕流速的儀器。當(dāng)需要求解水流與固體邊界之間的作用力時(shí)，必需要用到動(dòng)量方程，第八頁(yè)，共23頁(yè)。3.恒定總流動(dòng)量方程∑Fx=ρQ〔β2v2x-β1v1x〕投影形式∑Fy=ρQ〔β2v2y-β1v1y〕∑Fz=ρQ〔β2v2z-β1v1z〕β—?jiǎng)恿啃拚禂?shù)，一般取式中：∑Fx、∑Fy、∑Fz是作用在控制體上所有外力沿各坐標(biāo)軸分量的合力，V1i,V2i是進(jìn)口和出口斷面上平均流速在各坐標(biāo)軸上投影的分量。動(dòng)量方程的應(yīng)用條件與能量方程相似，恒定流和計(jì)算斷面應(yīng)位于漸變流段。動(dòng)量方程應(yīng)用本卷須知：動(dòng)量方程是矢量方程，要建立坐標(biāo)系?！菜ㄗ鴺?biāo)系應(yīng)使投影分量越多等于0為好，這樣可以簡(jiǎn)化計(jì)算過程?！砨)流速和力矢量的投影帶正負(fù)號(hào)?！伯?dāng)投影分量與坐標(biāo)方向一致為正，反之為負(fù)〕c)流出動(dòng)量減去流入動(dòng)量。第九頁(yè)，共23頁(yè)。d)正確分析作用在水體上的力，一般有重力、壓力和邊界作用力(作用在水體上的力通常有重力、壓力和邊界作用力)e)未知力的方向可以任意假設(shè)?！灿?jì)算結(jié)果為正表示假設(shè)正確，否則假設(shè)方向與實(shí)際相反〕通常動(dòng)量方程需要與能量方程和連續(xù)方程結(jié)合求解。4.量綱分析第十頁(yè)，共23頁(yè)。第3章流態(tài)與水頭損失水頭損失以及與水頭損失有關(guān)的液體的流態(tài)。〔一〕水頭損失的計(jì)算方法總水頭損失：hw=∑hf+∑hj沿程水頭損失：

達(dá)西公式

圓管

λ—沿程水頭損失系數(shù)R—水力半徑圓管部分水頭損失ζ—部分水頭損失系數(shù)從沿程水頭損失的達(dá)西公式可以知道，要計(jì)算沿程水頭損失，關(guān)鍵在于確定沿程水頭損失系數(shù)λ。而λ值確實(shí)定與水流的流態(tài)和邊界的粗糙程度親密相關(guān)。第十一頁(yè)，共23頁(yè)?！捕骋后w的兩種流態(tài)和判別(1).液體的兩種流態(tài)：雷諾實(shí)驗(yàn)層流—液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻的層狀流動(dòng)hf∝V紊流—存在渦體質(zhì)點(diǎn)互相混摻的流動(dòng)hf∝V1.75-2當(dāng)流速比較小的時(shí)候，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻，定義為層流。當(dāng)流速比較大的時(shí)候，各流層內(nèi)存在渦體，并且流層間的質(zhì)點(diǎn)互相混摻，定義為紊流。雷諾數(shù)物理意義，上、下臨界雷諾數(shù)的關(guān)系。(2).流態(tài)的判別：雷諾數(shù)Re，明渠：Rek=500

圓管：,Rek=2000第十二頁(yè)，共23頁(yè)。流態(tài)的判別的條件：Re＜Rek層流；Re＞Rek紊流判別水流流態(tài)的雷諾數(shù)是重要的無量綱數(shù)，它的物理意義表示慣性力與粘滯力的比值。3.圓管層流流動(dòng)(1)斷面流速分布特點(diǎn)：拋物型分布，不均勻(2)沿程阻力系數(shù)： 層流流動(dòng)的沿程水頭損失系數(shù)λ只是雷諾數(shù)的函數(shù)，而且與雷諾數(shù)成反比。4.紊流運(yùn)動(dòng)特性紊流的特征—液層間質(zhì)點(diǎn)混摻，運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)紊流內(nèi)部存在附加切應(yīng)力：紊流邊界有三種狀態(tài)：第十三頁(yè)，共23頁(yè)。紊流中：當(dāng)Re較小＜0.3水力光滑當(dāng)Re較大＞6水力粗糙；當(dāng)Re介于兩者之間過渡區(qū)〔4〕紊流流速分布〔紊流流速分布比層流流速分布更加均勻〕對(duì)數(shù)流速分布指數(shù)流速分?jǐn)?shù)當(dāng)Re＜105n=1/7通過尼古拉茲實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)紊流三個(gè)流區(qū)內(nèi)的沿程水力摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。第十四頁(yè)，共23頁(yè)。5.λ的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)〔人工粗糙管〕層流區(qū)：λ=f1(Re)=光滑區(qū)：λ=f2(Re)紊流區(qū)：過渡區(qū)：λ=粗糙區(qū)：λ=

紊流粗糙區(qū)也稱為紊流阻力平方區(qū)，沿程水力摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)無關(guān)，所以沿程水頭損失與流速成正比。與雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在實(shí)際水利工程中常用舍齊公式和曼寧公式計(jì)算流速或沿程水頭損失，需要掌握。6.謝齊公式與曼寧公式謝齊公式：曼寧公式：適用：紊流阻力平方區(qū)通常水頭損失計(jì)算常用：

第十五頁(yè)，共23頁(yè)。第4章有壓管中的恒定流1.有壓管道恒定流小孔口恒定出流：自由出流吞沒出流μ—流量系數(shù)，～z—上下游水位差。管嘴恒定出流流量公式：管嘴與孔口相比，收縮斷面C—C處存在負(fù)壓，所以同樣條件下，管嘴的流量系數(shù)大，說明其過流才能大。2.簡(jiǎn)單管道水力計(jì)算短管和長(zhǎng)管第十六頁(yè)，共23頁(yè)。管流的計(jì)算任務(wù)：a〕求過流才能Qb)確定作用水頭Hc)測(cè)壓管水頭線和總水頭線的繪制。短管水力計(jì)算自由出流流量公式：流量系數(shù)：吞沒出流公式：根本公式：—流量模數(shù)長(zhǎng)管水力計(jì)算:特點(diǎn)：忽略不計(jì)第十七頁(yè)，共23頁(yè)?！?〕水頭線繪制本卷須知：〔1〕部分水頭損失集中在一個(gè)斷面；〔2〕管中流速不變，總水頭線平行于測(cè)壓管水頭線；〔3〕總水頭線總是下降，而測(cè)壓管水頭線可升可降；〔4〕當(dāng)測(cè)壓管水頭線在管軸線〔位置水頭線〕以下，表示該處存在負(fù)壓；〔5〕注意出口的流速水頭〔自由出流〕或部分損失〔吞沒出流〕。第十八頁(yè)，共23頁(yè)。第5章明渠恒定均勻流〔一〕明渠恒定均勻流1.均勻流特征：〔1〕水深，底坡沿程不變〔過水?dāng)嗝嫘螤畛叽绮蛔儭场?〕斷面平均流速沿程不變〔3〕三線平行J=Jz=i(總水頭線、水面線、渠底)2.均勻流形成條件：恒定流，長(zhǎng)直棱柱體渠道，正坡渠道，糙率沿程不變第6章明渠恒定非均勻流明渠水流的流態(tài)和判別1.明渠水流三種流態(tài)：緩流急流臨界流注意把明渠水流的三種流態(tài)與前面討論過的層流、紊流區(qū)分開來。緩流、急流、臨界流是對(duì)有自由外表的明渠水流的分類；層流、紊流的分類是對(duì)所有水流〔包括管流和明渠水流〕都適用；第十九頁(yè)，共23頁(yè)。2.明渠水流流態(tài)的判別：判別指標(biāo)VwFrhk，ik

（均勻流）緩流V<VwFr＜1h>hki＜ik

急流V>VwFr＞1h<hki>ik

臨界流V=VwFr=1h=hki=ik

3.佛汝德數(shù)Fr：佛汝德數(shù)Fr是水力學(xué)中重要的無量綱數(shù)，它表示慣性力與重力的對(duì)比關(guān)系，與雷諾數(shù)一樣也是模型實(shí)驗(yàn)中的重要的相似準(zhǔn)數(shù)，雷諾數(shù)表示慣性力與粘滯力的比照關(guān)系。第二十頁(yè)，共23頁(yè)。第7章水躍水躍和水跌1.水跌：由緩流向急流過渡。水深從大于臨界水深hk變?yōu)樾∮谂R界水深，常發(fā)生在跌坎和緩坡向陡坡過渡的地方。2．水躍：由急