1、,緒 論 （一）液體的主要物理性質 1慣性與重力特性 2粘滯性：液體的粘滯性是液體在流動中產生能量損失的根本原因.,描述液體內部的粘滯力規(guī)律的是牛頓內摩擦定律 : 3可壓縮性。 在研究水擊時需要考慮 4表面張力特性。 進行模型試驗時需要考慮 水力學的兩個基本假設： (二)連續(xù)介質和理想液體假設 1.連續(xù)介質：液體是由液體質點組成的連續(xù)體,可以用連續(xù)函數(shù)描述 液體運動的物理量. 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1章水靜力學 水靜力學包括靜水壓強和靜水總壓力兩部分內容。通過靜水壓強和靜水 總壓力的計算，可以求作用在建筑物上的靜水荷載。 靜水壓強： 主要掌握

2、靜水壓強特性,等壓面,水頭的概念，以及靜水壓強的計算和不同表示方法. 1靜水壓強的兩個特性： （1）靜水壓強的方向垂直且指向受壓面 （2）靜水壓強的大小僅與該點坐標有關，與受壓面方向無關， 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, 等壓面是水平面 (它是靜水壓強計算和測量的依據(jù)）,3重力作用下靜水壓強基本公式（水靜力學基本公式） p=p0+gh或,其中 z位置水頭，p/g壓強水頭，z+ p/g測壓管水頭 請注意，“水頭”表示單位重量液體含有的能量。,可以是正值，也可以是負值。 計算靜水總壓力包括求力的大小、方向和作用點，受壓面可以分為平面 和曲面兩類。 根據(jù)平面的形狀：對規(guī)則

3、的矩形平面可采用圖解法，任意形狀的平面都 可以用解析法進行計算。,4壓強的三種表示方法：絕對壓強p，相對壓強p， 真空度pv, 它們之間的關系為：p= p-pa pv=p（當p0時pv存在） 相對壓強:p=gh,靜水總壓力的計算 1)平面壁靜水總壓力 圖解法：大?。篜=b, -靜水壓強分布圖面積 方向：垂直并指向受壓平面 作用線：過壓強分布圖的形心，作用點位于對稱軸上。,靜水壓強分布圖是根據(jù)靜水壓強與水深成正比關系繪制的，只要用比例線段分別畫出平面上兩點的靜水壓強，把它們端點聯(lián)系起來，就是靜水壓強分布圖,解析法：大?。篜=pcA, pc形心處壓強 方向：垂直并指向受壓平面 作用點D：通常作用點

4、位于對稱軸上，在平面的幾何中心之下。,(2)曲面壁靜水總壓力 水平分力：Px=pcAx=ghcAx 水平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的壓強乘以投影面面積。,鉛垂分力：Pz= gV , V-壓力體體積. 在求鉛垂分力Pz時,要繪制壓力體剖面圖。壓力體是由自由液面或其 延長面,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。 當壓力體與受壓面在曲面的同側，那么鉛垂分力的方向向下；當壓力 體與受壓面在曲面的兩側，則鉛垂分力的方向向上.,合力方向：=arctg,液流,第2章 液體運動的流束理論 1. 流線的特點:反映液體運動趨勢的圖線 流線的特征:流線不能相交

5、；恒定流流線形狀位置不變；恒定流 跡線和流線重合。 2 .流動的分類:,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斷面上，壓強分布滿足： （二）液體運動基本方程,急變流,1.恒定總流連續(xù)方程 v 1A1= v 2A2 , Q=vA 利用連續(xù)方程，已知流量可以求斷面平均流速，或者通過兩斷面間 的幾何關系求斷面平均流速。,2.恒定總流能量方程,J= 水力坡度 ，表示單位長度流程上的水頭損失。 能量方程是應用最廣泛的方程，能量方程中的最后一項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

6、入 （2）能量方程應用注意事項:,三選：選擇統(tǒng)一基準面便于計算 選典型點計算測壓管水頭 : 選計算斷面使未知量盡可能少 （ 壓強計算采用統(tǒng)一標準） （3）能量方程的應用： 它經常與連續(xù)方程聯(lián)解求 ：斷面平均流速，管道壓強，作用水頭等。 文丘里流量計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。 當需要求解水流與固體邊界之間的作用力時，必須要用到動量方程，,3.恒定總流動量方程,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） 動量修正系數(shù)，一般取=1.0 式中：Fx、Fy

7、、Fz是作用在控制體上所有外力沿各坐標軸分量的合力， V1i,V2i是進口和出口斷面上平均流速在各坐標軸上投影的分量。動量方程的應 用條件與能量方程相似，恒定流和計算斷面應位于漸變流段。 動量方程應用注意事項： 動量方程是矢量方程，要建立坐標系。（所建坐標系應使投影分量越多等于 0為好，這樣可以簡化計算過程。） b)流速和力矢量的投影帶正負號。（當投影分量與坐標方向一致為正，反之為負） c)流出動量減去流入動量。,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。（計算結果為正表示假設正確， 否則假設方

8、向與實際相反） 通常動量方程需要與能量方程和連續(xù)方程聯(lián)合求解。 4.量綱分析,第3章 流態(tài)與水頭損失 水頭損失以及與水頭損失有關的液體的流態(tài)。 （一）水頭損失的計算方法 總水頭損失： hw= hf + hj 沿程水頭損失：,達西公式,圓管,沿程水頭損失系數(shù) R水力半徑 圓管 局部水頭損失 局部水頭損失系數(shù) 從沿程水頭損失的達西公式可以知道，要計算沿程水頭損失， 關鍵在于確定沿程水頭損失系數(shù)。而值的確定與水流的 流態(tài)和邊界的粗糙程度密切相關。,（二）液體的兩種流態(tài)和判別,(1).液體的兩種流態(tài)： 雷諾實驗 層流 液體質點互相不混摻的層狀流動 hf V1.0 紊流 存在渦體質點互相混摻的流動 hf

9、 V1.75-2 當流速比較小的時候，各流層的液體質點互相不混摻，定義為層流。 當流速比較大的時候，各流層內存在渦體，并且流層間的質點互相混摻 ， 定義為紊流。 雷諾數(shù)物理意義，上、下臨界雷諾數(shù)的關系。 (2).流態(tài)的判別：雷諾數(shù)Re，,明渠： Rek=500,圓管： ,Rek=2000,流態(tài)的判別的條件：ReRek 層流 ； ReRek 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 (1)斷面流速分布特點 ：拋物型分布，不均勻,(2) 沿程阻力系數(shù)： 層流流動的沿程水頭損失系數(shù)只是雷諾數(shù)的函數(shù)，而且與雷諾數(shù)成 反比。 4. 紊流運動

10、特性 紊流的特征液層間質點混摻，運動要素的脈動 紊流內部存在附加切應力： 紊流邊界有三種狀態(tài)：,紊流中：當Re較小 0.3 水力光滑,當Re較大 6 水力粗糙； 當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）,對數(shù)流速分布 指數(shù)流速分數(shù) 當 Re105 n=1/7 通過尼古拉茲實驗研究發(fā)現(xiàn)紊流三個流區(qū)內的沿程水力摩擦系數(shù) 的變化規(guī)律。,5. 的變化規(guī)律 尼古拉茲實驗 （人工粗糙管） 層流區(qū)： =f1(Re)=,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)與雷諾數(shù)無關， 所以沿程水頭損失與流速成正比。與雷諾實驗結果一致。 在實際水利工程中常用舍齊公式和

11、曼寧公式計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),通常水頭損失計算常用：,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 淹沒出流 流量系數(shù)，=0.600.62 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CC處存在負壓，所以同樣條件下， 管嘴的流量系數(shù)大，表明其過流能力大。,2.簡單管道水力計算 短管和長管,管流的計算任務： a）求過流能力Q b) 確定作用水頭H c) 測壓管水頭線和總水頭線的繪制。 短管水力計算自由出流流量公式：,流量系數(shù)：,淹沒出流公式：,基本公式：,

12、流量模數(shù),長管水力計算 : 特點： 忽略不計,（5）水頭線繪制,注意事項： （1）局部水頭損失集中在一個斷面； （2）管中流速不變，總水頭線平行于測壓管水頭線； （3）總水頭線總是下降，而測壓管水頭線可升可降； （4）當測壓管水頭線在管軸線（位置水頭線）以下，表示該處存在負壓； （5）注意出口的流速水頭（自由出流）或局部損失（淹沒出流）。,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 （過水斷面形狀尺寸不變） （2）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，長直棱柱體渠道，正坡

13、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、臨界流是對有自由表面的明渠水流的分類；層流、 紊流的分類是對所有水流（包括管流和明渠水流）都適用；,2.明渠水流流態(tài)的判別：,3.佛汝德數(shù)Fr： 佛汝德數(shù)Fr是水力學中重要的無量綱數(shù)，它表示慣性力與重力的對 比關系，與雷諾數(shù)一樣也是模型實驗中的重要的相似準數(shù)，雷諾數(shù) 表示慣性力與粘滯力的對比關系。,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：由急流向緩流過渡產生的水力突變現(xiàn)象。 水平矩形斷面明渠水躍： （1）水躍方程： J（h1）=J（h2）,（2）共軛水深公式： 和 （3）水躍長度 lj = 6.9 ( h2 - h1),第8章 堰流及閘孔出流 （一）堰流和閘孔出流 堰流和閘孔出口，堰和