巖土工程師注冊：流體力學(xué)

注冊巖土工程師基礎(chǔ)考試——第六章流體力學(xué)第一節(jié)流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)流體靜力學(xué)第三節(jié)流體動力學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)流動阻力和水頭損失第五節(jié)孔口、管嘴出流，有壓管道恒定流第六節(jié)明渠恒定均勻流第七節(jié)滲流定律，井和集水廊道第八節(jié)相似原理和量綱分析第九節(jié)流體運動參數(shù)（流速、流量、壓強）的測量第一節(jié)流體的主要物理性質(zhì)流體力學(xué)概念：流體、流體力學(xué)性質(zhì)：流動性研究內(nèi)容：機械運動規(guī)律

質(zhì)量守恒牛頓運動定律自然界三態(tài)：氣體液體特征固體能量守恒0.連續(xù)介質(zhì)（假定）

（1）連續(xù)介質(zhì)模型：

（2）為什么要建立連續(xù)介質(zhì)的概念？

從微觀上是由大量分子組成的；從宏觀上可以認(rèn)為流體是由質(zhì)點組成的，質(zhì)點一個挨著一個，質(zhì)點間既不留空隙，也不存在真空的連續(xù)體。便于利用數(shù)學(xué)工具必要性（簡化）一易流動性流體在靜止的時候不能承受切應(yīng)力。（在微小切應(yīng)力作用下就會發(fā)生流動變形）。

不能承受拉力，只能承受壓力。

二質(zhì)量、密度物體中所含物質(zhì)的數(shù)量，稱為質(zhì)量，單位體積流體中所包含流體的質(zhì)量稱為密度。質(zhì)量：密度：

三重力、重度地球?qū)α黧w的引力，稱為重力。單位體積流體內(nèi)所具有的重力稱為容重或重度。重力重度（容重）：水（常溫常壓情況下）四粘滯性（粘性）：牛頓內(nèi)摩擦定律流體在運動時抵抗剪切變形速度的特性。動力粘滯系數(shù)符號、單位運動粘滯系數(shù)符號、單位動力粘滯系數(shù)表達(dá)式切應(yīng)力N/m2，Pa，方向、大小牛頓內(nèi)摩擦定律流速梯度牛頓流體：水、空氣、煤油、甲醇、乙醇理想流體理想賓漢流體：瀝青、泥漿、血漿偽朔性流體：油漆、顏料、橡膠溶液膨脹性流體：生面團五壓縮性與熱脹性

壓縮系數(shù)：

膨脹系數(shù)（彈性模量）：

熱脹系數(shù)：對于水，每增加1個大氣壓，體積相對壓縮值為1/20000。溫度增加1度，密度減小1/萬。

所以，通常把水視為不可壓縮流體。

六表面張力力與毛細(xì)現(xiàn)象象在流體自由液液面的分子作作用半徑范圍圍內(nèi)，由于分分子引力大于于斥力，在表表層沿表面產(chǎn)產(chǎn)生張力，稱稱為表面張力力。七汽化壓強強與空蝕現(xiàn)象象汽化液體蒸蒸汽凝結(jié)汽化的條件，，液體某處的的壓強低于汽汽化壓強（出出現(xiàn)真空）。。汽化的危害，，固壁引起空空蝕現(xiàn)象，沖沖擊力破壞固固壁，且有振振動、噪聲和和斷流現(xiàn)象的的發(fā)生，影響響極大。利用空化的例例子：清除船船體表面的銹銹或者生物，，潛水艇工程中有可能能出現(xiàn)真空的的情況：水泵泵的吸水管（（畫圖）、虹虹吸流道的駝駝峰斷面、高高速水流流過過某些建筑物物（薄壁堰））實際流流體模模型流體是是由質(zhì)質(zhì)點組組成的的連續(xù)續(xù)體,具有有：無粘性性流體體模型型：：易流動動性、、粘滯滯性、、不計計表面面張力力的性性質(zhì)。。不考慮慮粘滯滯性不可壓壓縮流流體模模型：：可壓縮縮流體體模型型：：氣體在在大多多數(shù)情情況下下采用用不可可壓縮縮模型型。氣體的的長距距離運運輸以以及氣氣體的的高速速流動動。液體的的壓縮縮性和和熱脹脹性均均很小小，通通?？煽刹捎糜貌豢煽蓧嚎s縮流體體模型型；主要物物理特特性：：易流流動性性、重重力特特性、、粘滯滯性理想流流體與與實際際流體體可壓縮縮流體體與不不可壓壓縮流流體第二節(jié)節(jié)流流體體靜力力學(xué)一、作作用在在流體體上的的力1.表面力力作于于于流體體表面面，與與作用用面積積成正正比垂直于于作用用面的的力作用于于單位位面積積上的的垂向向力——壓強符號：：單單位位：沿作用用面的的切向向力符號：：單單位位：2.質(zhì)質(zhì)量力力作用于于流體體質(zhì)點點且和和流體體質(zhì)量量成正正比質(zhì)量力力又叫叫體積積力符號：：單單位位：單位質(zhì)質(zhì)量力力單位質(zhì)質(zhì)量力力在坐坐標(biāo)上上的分分力二、靜靜水壓壓強及及其特特性（一））、靜靜水壓壓強1.平均靜靜水壓壓強單位是是或或２．點點壓強強圖2-1（二））、靜靜水壓壓強的的特性性１．靜靜水壓壓強的的方垂垂直指指向受受壓面面或沿沿受壓壓面的的內(nèi)法法線方方向.——正壓性性２．靜靜止液液體中中作用用于同同一點點各個個方向向的靜靜水壓壓強都都相等等。——無方向向性在靜止止或相相對靜靜止的的流體體中，，任一一點的的靜水水壓強強的大大小與作用用面的的方向向無關(guān)關(guān)，只與與該點點的位置有有關(guān)。即靜靜水壓壓強只只是空間位位置的的函數(shù)數(shù)。靜水壓壓強垂垂直于于作用用面，，且同同一點點上的的靜水水壓強強在各各個方方向上上相等等，與與作用用面的的方位位無關(guān)關(guān)。三、液體體平衡的的微分方方程及其其積分（一）、、液體平平衡微分分方程式式及其積積分1.得到分量量形式的的液體平平衡微分分方程其矢量形形式為:2.流體平衡衡微分方方程微分形式式：或或1、幾何意意義2、能量意意義五、靜水水壓強基基本方程程的物理理意義（一）、、壓強的的表示方方法絕對壓強強：以完完全真空空時的絕絕對零壓壓強(p＝0)為基準(zhǔn)來來計量的的壓強稱稱為絕對對壓強；；相對壓強強：以當(dāng)當(dāng)?shù)卮髿鈿鈮簭姙闉榛鶞?zhǔn)來來計量的的壓強稱稱為相對對壓強；；真空度：：當(dāng)相對對壓強出出現(xiàn)負(fù)值值時，則則負(fù)壓的的絕對值值又稱為為真空度度（即真真空表讀讀數(shù)）。。六、壓強強的計算算基準(zhǔn)和和量度單單位當(dāng)?shù)卮髿鈿鈮簭娖?、靜水水壓強分分布圖的的繪制繪制原則則:①找已知點點壓強.②依據(jù)靜壓壓強的兩兩個特性性繪圖.③根據(jù)靜壓壓強基本本公式計計算點點壓強（（相對壓壓強）。。繪制要求求:①表示出壓壓強的方方向。②表示出出壓強的的大小。。靜水壓強強分布圖圖實例(1)測壓管（（2）水銀測測壓計（3）水銀差差壓計八、液液柱測壓壓計等壓面的的應(yīng)用（4）復(fù)式壓壓力計（（5）空氣比比壓計（6)斜式測壓壓計（7）金屬壓壓力計(真空表、、壓力表表）九、幾種種質(zhì)量力力作用下下的液體體平衡例：如圖圖所示為為一旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)圓筒，，內(nèi)部盛盛有液體體。如圓圓筒繞其其中心軸軸以等角角速旋旋轉(zhuǎn)，液液體也隨隨圓筒一一起旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，并達(dá)達(dá)到相對對平衡的的狀態(tài)，，問：水水表面方方程是什什么？壓壓強分布布規(guī)律是是怎樣的的？（1）作圖法法P=bss為壓強分分布圖面面積十、作用在平平面上的的靜水總總壓力*壓強分布圖的畫法壓強分布圖面積：總壓力大?。篜=bΩ作用點位位置：（2）解析法法C—平面的形形心D—壓心例題：一一鉛鉛直矩形形閘門，，頂邊水水平，所所在水深深h1=1m，閘門高高h(yuǎn)=2m，寬b=1.5m，試求其其所受水水靜壓力力P的大小及及作用點點。十一、作用于曲曲面上的的靜水總總壓力工程上遇遇到的受受壓面為為曲面的的情況,如拱壩壩壩面、弧弧形閘門門、圓形形儲油設(shè)設(shè)備、輸輸水管等等。(二向柱面面）1、作用于于曲面上上的靜水水總壓力力計算2、總結(jié)結(jié)：（1）水平方方向分力力：（2）鉛垂方方向分力力：（3）總壓力力：（4）總壓力力作用線線的方向向：3、壓力力體的畫畫法以曲面為為底面，，向自由由液面或或自由液液面的延延長面投投影，曲面、鉛鉛垂面、、自由液液面所包包圍的水水體叫壓壓力體。。壓力體與與水在同同一側(cè)為為實壓力力體，方方向向下下。壓力體與與水不在在同一側(cè)側(cè)為虛壓壓力體，，方向向向上。例溢流壩上上的弧形形閘門，，已知閘門寬，，。。求作用在在該閘門門上的靜靜水總壓壓力的大大小和方方向。靜水壓強強及其特特性、重重力作用用下靜水水壓強分分布規(guī)律律、會求求點壓強強、及平平面及曲曲面上總總壓力的的計算第三節(jié)流流體動力力學(xué)一、流體體運動學(xué)學(xué)基本概概念流場：運運動流體體所占的的空間。。運動要素素：流體體質(zhì)點的的速度、、加速度度；流體體密度、、壓強、、切應(yīng)力力等物理理量的總總稱。(1)拉格朗日日(lagrange)法（a、b、c拉格朗日日變數(shù)，，為為自變變量））(2)歐拉(Euler)法速度:為歐拉變變量，為為參參變量。。加速度:∵∴同理:質(zhì)點加速速度的表表達(dá)式（（歐拉法法）質(zhì)

點

加

速

度時間加速度（當(dāng)?shù)丶铀俣龋┯闪魉俨徊缓愣ǘ?/p>

性引引起位移加速速度（遷移加加速度））由流速不不均勻性性引起舉例水水箱水面面不變對于點點，二、流線線、跡線線、元流流、總流流等基本本概念（1）跡線:流體質(zhì)點點在運動動過程中中所經(jīng)過過的軌軌跡。。（2）流線:某一瞬間間，流場場中的某某一光滑滑曲線,在此曲線線上各點點處的流流體質(zhì)點點的運動動方向都都與該該曲線相相切。（3）流管、元元流（微小流流束）、總流（4）過流流斷面、、流量、、斷面平平均流速速過流斷面面:與流線垂垂直的面面稱為過過流斷面面。流量：單位時間間內(nèi)通過過過流斷斷面的流流體體積積。符號：單單位：：斷面平均均流速：：符號：單單位：：恒定流與非恒定流流數(shù)學(xué)表達(dá)達(dá)式：恒定流：：非恒定流流：定義:流場中,任一空間間點上的的運動要要素都不不隨時間變變化，這這種流動動稱為恒恒定流；；反之，稱稱為非恒恒定流。。（5）流體運運動的分分類均勻流與非均勻流流數(shù)學(xué)表達(dá)達(dá)式：定義:若流線是是相互平平行的直直線,稱為均勻勻流;反之,則叫做非非均勻流流。漸變流非均勻流流急變流漸變流：流線為為近似平平行的直直線，或或曲率半徑很大大的流體體流動。。急變流：流線為為不相互互平行的的直線，，且夾角角很大，或或曲率半半徑很小小的流體體流動。。均勻流與與非均勻勻流（（舉例））三、恒定定流連續(xù)續(xù)方程質(zhì)量守恒恒定律和和連續(xù)介介質(zhì)假定定1.元流的連連續(xù)性方方程對于不可可壓縮流流體：2.總流的連連續(xù)性方方程對于分叉叉流：四、歐拉拉運動微微分方程程牛頓第二二定律：：或或歐拉運動動微分方方程：五、恒定定元流能能量方程程恒定流：：不可壓縮縮：僅受重力力作用：：沿流線：：1、理想流流體元流流的能量量方程（（伯努利利方程））2、實際流流體元流流的能量量方程（（伯努利利方程））3、能量方方程的物物理意義義總水頭線線和測壓壓管水頭頭線的變變化規(guī)律律1.恒定流2.流體為不不可壓縮縮流體(低流速氣體)3.所取的過流斷斷面,必須是均勻流流或漸變流斷斷面。4.嚴(yán)格地講，兩兩過流斷面間間無流量流入入與流出。如果有流量流流入與流出，，近似地也可以列能量量方程。5.有能量輸入，要要把輸入的能能量加在等號左邊邊。即恒定總流能量方程程的應(yīng)用條件件：1.選擇基準(zhǔn)面。。(以方便為原則則)2.選擇過流斷面面。(均勻流或漸變變流斷面,中間可以是急急變流)3.選擇計算點。。(以方便為原則則)能量方程應(yīng)用的注注意事項：（（三選）例1.圖示為文丘里里流量計，已已知管徑d1，d2，兩測壓管水水銀面高差為為，，試建立計算算流量的表達(dá)式式。(不計水頭損失失）注意能量轉(zhuǎn)化化六、恒定總流流的動量方程程1.恒定總流動量量方程的建立立動量定理:單位時間內(nèi)物物體動量的改改變(變化律)等于作用于該該物體上的外外力之總和。。即或或現(xiàn)在取一流段段，如下圖（1）分析動量的的變化及外力力（2）建立動量方方程（3）在直角坐標(biāo)標(biāo)系中,常寫為分量形形式2.應(yīng)用注意事項項（1）動量方程是是矢量方程，流速、作用用力都有方向向，與坐標(biāo)一一致為正，反反之為負(fù)。（2）方程式的左左邊為動量的的改變量，一一定是輸出的動量減減去輸入的動動量。（3）選擇好控制制面，過流斷斷面一定是均勻流或漸變變流斷面。（4）待求的力的方方向可先假定定，計算結(jié)果為為正則假定正正確。（5）動量方程只有有一個方程，只只能求解一個個未知數(shù)，若方程中未未知數(shù)多于一一個時（外力力），必須借借助于能量方方程或（和））連續(xù)性方程程聯(lián)合求解。。（6）動量方程的的推導(dǎo)是在無無流量匯入與與流出條件下進(jìn)行的，但但它可以應(yīng)用用于有流量匯匯入與流出的的情況。如：分叉管流流，3.應(yīng)用舉例例1.水流對彎管的的作用力已知條件：流流量、兩斷面面壓強、管徑徑、管道水平平面布置、軸軸線夾角。例2.水流對支墩的的作用力已知條件：流流量、1-1斷面壓強、管管徑、管道水水平布置。流動分類連續(xù)性方程：：應(yīng)用能量方程：意意義、應(yīng)用動量方程：意意義、應(yīng)用概述：○實際流體具有有粘滯性○能量損失——（液柱高度m）對于液體——水頭水損失○能量損失與流流態(tài)、邊界條條件有關(guān)。第四節(jié)流流動阻力和能能量損失水頭損失的準(zhǔn)準(zhǔn)確計算在工工程上的意義義1、流動阻力和和能量損失的的分類沿程損失局部損失總的能量損失失2、能量損失的的計算公式沿程水頭損失失：局部水頭損失失壓強損失（氣氣體）一、層流與紊紊流、雷諾數(shù)數(shù)1、兩種流態(tài)（（雷諾試試驗1883年）2、雷諾試試驗成成果（1）發(fā)現(xiàn)現(xiàn):流體運運動的的兩種種流態(tài)態(tài):層流：：流體體質(zhì)點點作規(guī)規(guī)則運運動，，呈層層流動動，質(zhì)質(zhì)點間間不互互相摻摻混。。紊流：：各層層的流流體形形成渦渦體，，各層層流體體質(zhì)點點間相相互碰碰撞，，互相相摻混混。（2）下臨臨界流流速穩(wěn)穩(wěn)定性性層流→→紊流流，存存在上上臨界界流速速，（（不穩(wěn)穩(wěn)定））紊流→→層流流，存存在下下臨界界流速速，（（穩(wěn)定定）（3）層流流、紊紊流的的沿程程損失失規(guī)律律不同同層流流（A-F)∝紊流流（（C-D)∝∝3、流態(tài)態(tài)的的判判別別標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)———臨界界雷雷諾諾數(shù)數(shù)雷諾諾發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)下下臨臨界界流流速速穩(wěn)穩(wěn)定定,通過過量量綱綱分分析析建建立立了了-----雷諾諾數(shù)數(shù)把下下臨臨界界流流速速值值代代入入上上式式,得臨臨界界雷雷諾諾數(shù)數(shù)工程程上上（（管管流流））:層流流紊紊流流二、、均勻勻流流基基本本方方程程使用用范范圍圍:層流流、、紊紊流流、、有有壓壓流流、、無無壓壓流流討論論：：流體體內(nèi)內(nèi)部部切切應(yīng)應(yīng)力力：：邊界界上上：：流體體內(nèi)內(nèi)部部：：三、、圓圓管管中中的的層層流流運運動動及及沿沿程程損損失失（1）層層流流內(nèi)內(nèi)部部切切應(yīng)應(yīng)力力：：（2）層層流流運運動動的的流流速速：：（3）管管中中最最大大點點流流速速:（4）管管中中斷斷面面平平均均流流速速(5）層層流流沿沿程程損損失失計計算算四、、紊紊流流運運動動和和紊紊流流阻阻力力1、紊流流運運動動的的特特征征(紊流流運運動動要要素素的的脈脈動動與與時時均均化化)--瞬時時流流速速,--時均均流流速速,---脈動動流流速速瞬時時流流速速、、時時均均流流速速、、脈動動流流速速的的關(guān)關(guān)系系三維維空空間間表表示示脈動動流流速速的的時時均均值值引入入時時均均概概念念后后，，紊紊流流的的運運動動要要素素都都具具有有了了時時均均的的含含義義，，以以前前建建立立的的概概念念，，如如流流線線、、恒恒定定流流與與非非恒恒定定流流、、均均勻勻流流與與非非均均勻勻流流等等適適用用。。2、紊紊流流阻阻力力（1）紊紊流流切切應(yīng)應(yīng)力力對于于層層流流:對于于紊紊流流，，在在時時均均意意義義上上,也有有粘粘性性引引起起的的切切應(yīng)應(yīng)力力,同時時,流體體質(zhì)質(zhì)點點上上下下脈脈動動,引起起慣慣性性切切應(yīng)應(yīng)力力.所以以普蘭蘭特特混混摻摻長長度度理理論論：：式中中，，混混摻摻長長度度———質(zhì)點點到到邊邊壁壁的的距距離離紊流流斷斷面面流流速速分分布布3、粘粘性性底底層層與與紊紊流流流流核核（1）粘性底層粘性底層厚度度:(2)紊流的分區(qū)(絕對粗糙度））a)水力光滑區(qū):b)過渡粗糙區(qū):c)水力粗糙區(qū):4、尼古拉茲實驗驗（紊流沿程阻阻力系數(shù)的變變化規(guī)律）（1）尼古古拉茲實驗實驗裝置:(同雷諾實驗)實驗方法:篩分砂粒，粘粘貼管道內(nèi)壁壁，砂粒直徑徑d作為管壁的絕絕對粗糙度。。實測：、、、、、、、水溫T計算：、、、、、、相對粗糙度相相對光滑度度尼古拉茲實驗驗成果（（沿程阻阻力分區(qū)）全面揭示了不不同流態(tài)下,沿程阻力系數(shù)數(shù)和雷諾數(shù)及相對粗糙糙度的關(guān)系。。(1)Ⅰ區(qū)：層流(2)Ⅱ區(qū)：過渡區(qū)(3)Ⅲ區(qū)：水力光滑滑區(qū)(4)Ⅳ區(qū)：過渡粗糙糙區(qū)(5)Ⅴ區(qū)：粗糙區(qū)（（阻力平方方區(qū)）不僅如此,尼古拉茲實驗驗資料為推導(dǎo)導(dǎo)紊流沿程阻阻力系半徑驗驗半理論公式式提供了可靠靠的依據(jù)。人工粗糙管沿沿程阻力系數(shù)數(shù)公式（尼）（謝）（工業(yè)管道曲曲線））莫迪圖五、變管徑的的局部損失（1）突然擴大用某一流速水水頭表示:（2）漸擴管水頭損失取決決于擴大面積積比及擴散角水頭損失由沿沿程與局部兩兩部分組成即，沿程當(dāng)局局部部,總損失50~80（3）突然縮?。ǎň植孔枇ο迪禂?shù)查相關(guān)手手冊）（4）漸縮管(5)管道進(jìn)口六、邊界層基基本概念和繞繞流阻力1、邊界層的定定義和分類附面層內(nèi)為有有旋流附面層外為勢勢流（無旋流流）2、邊界層的分分離現(xiàn)象A－B，斷面收縮，，流速加快，，壓強減小B點以后，斷面面擴大，流速速減小，壓強強增大，動能能轉(zhuǎn)化為壓能能，c點，流速為零零，出現(xiàn)流動動分離壓差阻力3、繞流阻阻力繞流阻力包括括摩擦阻力（（附面層理論論）和形狀阻阻力（實驗確確定）。繞流阻力的一一般分析斯托克斯公式式（（Re<1）Oseen公式（（Re<5）圓球繞流和圓圓盤繞流七、減少阻力力的措施一是調(diào)整流體體外部邊界，，改善邊壁對對流動的影響響。二是在流體內(nèi)內(nèi)部加入一定定的添加劑，，使其影響流流體運動的內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實實現(xiàn)減阻的目目的。改善邊壁的減減阻措施有：：：一、減小管壁壁的粗糙度，，或用柔性邊邊壁代替剛性性邊壁減少沿沿程阻力。二、通過改進(jìn)進(jìn)邊界條件，，防止或推遲遲流體于邊壁壁的分離，避避免旋渦區(qū)的的形成或減小小旋渦區(qū)的大大小和強度。。如：（1）管道進(jìn)口局局部阻力系數(shù)數(shù)：內(nèi)插管進(jìn)口:（圖a）；平順進(jìn)口:（圖b）；收縮進(jìn)口:，（（圖c）。（2）漸擴管與突突擴管擴散較大的漸漸擴管阻力系系數(shù)大，如制制成圖（a）的形式，阻阻力系數(shù)約減減小1/2，。突擴管制成圖圖（b）的形式,阻力系數(shù)也會會減小。（3）彎管（4）三通阻力系數(shù)有1.0減小到0.3左右層流與紊流均勻流基本方方程圓管層流的流流速分布紊流的流速分分布紊流沿程阻力力系數(shù)的變化化規(guī)律局部水頭損失失產(chǎn)生原因及及計算第六節(jié)孔口口、管嘴及有有壓管流一、孔口出流流（一）孔口出出流的分類：：(1)小孔口口與大孔口小孔口，，大孔口（2）孔口恒恒定出流與非非恒定出流（3）孔口自自由出流與淹淹沒出流（4）薄壁孔孔口與厚壁孔孔口（二二））薄薄壁壁小小孔孔口口恒恒定定自自由由出出流流流速速公公式式流速速系系數(shù)數(shù)流量量公公式式流量量系系數(shù)數(shù)側(cè)收收縮縮系系數(shù)數(shù)局部部損損失失系系數(shù)數(shù)（三三））薄薄壁壁小小孔孔口口恒恒定定淹淹沒沒出出流流流量量公公式式流量量系系數(shù)數(shù)二、、管管嘴嘴恒恒定定出出流流1.圓柱柱形形外外延延管管嘴嘴恒恒定定出出流流流量量公公式式為什什么么接接管管嘴嘴后后局局部部阻阻力力增增加加了了，，而而流流量量卻卻增增大大呢呢？？這這是是因因為為在在收收縮縮斷斷面面處處存存在在真真空空，，對對該該斷斷面面言言，，與與孔孔口口出出流流比比較較，，實實際際是是提提高高了了作作用用水水頭頭的的緣緣故故。。2.圓柱形外延管管嘴的真空壓壓強3.外延管嘴的工工作條件（1）作用水水頭：（（水柱）（2）管嘴長度：4.其他形式的管管嘴三、有壓管流流流速總阻力系數(shù)：：流量流速系數(shù)流量系數(shù)1、短管自由出出流三、有壓管流流流速總阻力系數(shù)：：流量流速系數(shù)流量系數(shù)1、短管淹沒出出流（二）有壓長長管中的恒定定流1.簡單長管略去行進(jìn)流速速令比比阻2.串聯(lián)管路計算原則(節(jié)點流量、、總的損失)若流量不變，，總的阻抗3并聯(lián)管路計算原則:上面的式子可可以寫成或?qū)懗?.枝狀管網(wǎng)5、環(huán)狀管網(wǎng)計算原則（1）節(jié)點流量的的代數(shù)和為零零（2）沿任一閉合合環(huán)路水頭損損失的代數(shù)和和為零（六）有壓管管中的水擊1.水擊現(xiàn)象在有壓管中,因某種原因因(水電站甩甩負(fù)荷、水泵泵運行時突然關(guān)關(guān)閉）時水流流流速突然變變化產(chǎn)生壓強強急劇變化（交交替升降），，壓強交替變變化如同用錘錘子擊打管壁，成成為水擊（水水錘）。2.水擊傳播過程程水擊分類及水水擊壓強計算算直接水擊：間接水擊孔口、管嘴出出流流量公式式簡單管路計算算串聯(lián)、并聯(lián)管管路計算原則則第六節(jié)明明渠均勻流流明渠均勻流是是水深、斷面面平均流速、、斷面流速分分布沿程不變變的具有自由由壓面的明渠渠流。一、特性及發(fā)發(fā)生條件水力坡度J（＝hf/l）＝水面坡度度Jz＝河底坡度i，是明渠均勻流的的特性發(fā)生條件：渠中流量保持持不變；渠道道為長直棱柱柱體；順坡渠渠道(即河底高程沿沿水流方向降降低)；渠壁粗糙系系數(shù)沿程不變變，沒有局部部損失等。所所以均勻流多多在人工明渠渠道產(chǎn)生，天天然河流的順順直渠段，都都作為均勻流流來處理。二、明渠均勻勻流基本公式式及斷面水力力要素1、明渠的水力力基本計算公公式為：明渠均勻流中中，水力坡度度J與底坡i相等，所以或?qū)憺椋褐x才公式曼寧公式:2、斷面水力要要素：斷面面積A，濕周χ，水力半徑R渠道斷斷面過流斷斷面面面積:A=(b+mh)h濕周:m為梯形形渠道道兩側(cè)側(cè)邊坡坡的斜斜傾程程度，，稱為為邊坡坡系數(shù)數(shù)水力半半徑：：矩形斷斷面：：三、明明渠水水力最最優(yōu)斷斷面和和允許許流速速1、水力力最優(yōu)優(yōu)斷面面定義：：在底底坡i、糙率率n、過流流斷面面A一定前前提下下，渠道輸輸水能能力最最大的那種種斷面面（形形狀、、尺寸寸）。。在A，n，i一定時，可可看出χ最小，Q最大，圓形形斷面流量量最大。對于梯形斷斷面，根據(jù)據(jù)水力最優(yōu)優(yōu)斷面的定定義，對上上式求導(dǎo)即即得水力最最優(yōu)斷面的的條件:將A=（b+mh）h代入上式，，整理可得得矩形斷面，m＝0，其水力最優(yōu)寬深比為說明矩形渠道水力最優(yōu)斷面的底寬應(yīng)是水深的2倍。式中，

b/h稱為寬深比，加腳注h

表示水力最優(yōu)時的寬深比。梯形渠道：m>1，βh<1，即b<h，水力最優(yōu)斷面為窄深型。梯形渠道水力最優(yōu)斷面：2、允許流速速不沖流速:渠道免免遭沖刷的的最大流速速v'，取決于渠道道材料特性性不淤流速:渠道免免遭淤積的的最小流速速v''，取決于懸浮浮泥沙顆粒粒大小渠道設(shè)計時時應(yīng)使其斷斷面平均流流速在運行行范圍內(nèi)：：四、明渠均均勻流水力力計算類型型上式有6個變量,邊坡系數(shù)m、糙率n可根據(jù)土質(zhì)確定。其余4個變量，再根據(jù)工程條件確定3個量，求解一個未知量1校核渠道輸輸水能力Q

一般是對已成工程進(jìn)行校核性計算，已知條件:m、b、h、i、n，可用下式直接求解。2確定渠道的的粗糙系數(shù)數(shù)n已知條件:Q、b、h、m、n，求解n。3確定渠道的的底坡此類問題為設(shè)計渠道的底坡,已知條件:Q、b、h、m、n，求解底坡。4確定渠道斷斷面尺寸此類問題為設(shè)計渠道的斷面，已知條件:Q、n、m、i。∵該方程有6個變量，4個已知量，2個未知量，方程有多組解∴應(yīng)根據(jù)工程條件，先確定底寬b或水深h,求水深h或底寬b。此類問題無解析法，只能用試算圖解法或圖解法。（1）確定定渠道的正常水深(a)試算圖解法法:依工程條件確定底寬b，試算水深h。畫圖（h~Q曲線）求水深h-------------------------cc-------------------------bb-------------------------aa(b)圖解法(2)確定渠道的底寬依工程條件確定水深h，試算底寬b。(方法與確定渠道的水深相同)五、圓形斷斷面無壓排排水管水力力計算《室外排水水設(shè)計規(guī)范范》（1）污水水管應(yīng)按不不滿流計算算，設(shè)計最最大充滿度度按下表。。（2）雨水水管和合流流管按滿管管流計算。。（3）排水水管最小設(shè)設(shè)計流速：：在設(shè)計充滿滿度時，污污水管道：：管徑d≤500mm，v=0.7m/s。管徑d>500mm，v=0.8m/s。管徑(mm)150～300350～450500～900≥1000最大設(shè)計充滿度α＝h/d0.600.700.750.80計算步驟（1）確定充滿滿度α，（2）由h/d＝sin2（θ/4）求出充滿滿角θ，（3）求出水力力要素，（（4）代入謝才才公式求解解例：某圓形污污水管道管管徑d=600mm，管壁粗糙糙系數(shù)n=0.014，管道底坡坡i=0.0024，求最大設(shè)設(shè)計充滿度度時的流速速及流量。。解：由表查查出管徑600mm的污水管的的最大設(shè)計計充滿度為為α＝0.75，代入，，求得得充滿角θ＝4π/3。則：過水?dāng)鄶嗝婷娣e濕周水力半徑謝才系數(shù)所以：流速速流量六、明渠非非均勻流的的水流狀態(tài)態(tài)1、明渠中擾擾動波傳播播速度式中:hm—平均水深2、急流、緩緩流、臨界界流臨界流Fr=1緩流Fr<1急流Fr>1第七節(jié)滲滲流定律、、井和集水水廊道流體在多孔孔介質(zhì)中的的流動稱為為滲流。根據(jù)滲流模模型定義，，某一微小小過水?dāng)嗝婷嫔系臐B流流流速為：：一、滲流與與滲流模型型滲流模型：：認(rèn)為滲流是是充滿整個個孔隙介質(zhì)質(zhì)區(qū)域的連連續(xù)水流。。滲流模型型的實質(zhì)是是把滲流運運動看作是是整個空間內(nèi)內(nèi)的連續(xù)介介質(zhì)運動。其真實流速速為：滲流的分類類：二、滲流的的基本定律律－達(dá)西定定律l—滲流長度A—過流斷面積積

M點的水力坡度為：滲流點流速為：對于漸變滲滲流：試驗表明：滲流達(dá)西定律的適用范圍是：三、集水廊廊道集水廊道作作用：既可可以作為采采集地下水水作水源的的給水建筑筑物，也可可以作為排排泄地下水水降低地下下水位作為為排水建筑筑物。如圖為設(shè)置置在水平不不透水層上上的水平廊廊道。地下下水從兩側(cè)側(cè)流入廊道道，故兩側(cè)側(cè)將形成如如圖所示的的浸潤線。。設(shè)廊道中中水深為h，當(dāng)x＝L時，水深為為H。問題（1）求沿廊道道單位長長度上每每一側(cè)滲滲入廊道道中的單單寬流量量q，總流量量Q；（2）地下水水降落曲曲線的坐坐標(biāo)x和z的關(guān)系式式，確定定取水后后各處的的z值，即確確定浸潤潤線的位位置。四、井的的滲流量量計算井的分類類：1、潛水井井按井底是否否直達(dá)不不透水層層而分為為完全井井和不完完全井完全潛水水井的產(chǎn)產(chǎn)水量為為影響半徑徑：自流井的滲流

產(chǎn)水量公公式:影響半徑徑：2、自流流井的滲滲流3、大口井井的滲流流r0＝2-10m，一般為為不完全全井4、井群的的滲流井群滲流示意圖第八節(jié)量量綱分分析和相相似原理理一、量綱綱分析1、量綱和和單位量綱：每一個物物理量都都包括量量的數(shù)值值及量的的種類（（類別））（如長長度、時時間、質(zhì)質(zhì)量……），而物物理量的的種類習(xí)習(xí)慣上就就稱為量量綱（或或因次））。單位：為了比較較同一類類物理量量的大小小，選擇擇與其同同類的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)量加加以比較較，此標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)量稱稱為單位位。量綱一的的量即無無量綱量量，也稱稱純數(shù)。。如Re等2量綱和諧諧原理凡是正確確反映客客觀規(guī)律律的物理理方程式式，必然然是一個個齊次量量綱式（（即式中中各項的的量綱應(yīng)應(yīng)是相同同的），，此即量量綱和諧諧原理。。利用量綱綱和諧原原理可以以檢驗?zāi)衬骋晃锢砝矸匠淌绞降恼_確性。通過量綱綱和諧原原理建立立其物理理量之間間的關(guān)系系，此乃乃π定理。任意物理理過程，，包括k+1個物理量量，如果果選擇其其中m個作為基基本物理理量，那那么該物物理過程程可以由由[(k+1)-m]個量綱一一的量所所組成的的關(guān)系式式來描述述。此即π定理3量綱分析析方法－－π定理設(shè)某一物物理過程程含有k+1個物理量量（其中中一個因因變量N，k個自變量量N1，N2，N3，…，Nk），其數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)達(dá)式可寫寫為：選用幾何學(xué)、運動動學(xué)和動力學(xué)學(xué)的三個物理量量N1、N2、N3作為基本物理理量，則其余余物理量N，N4，…，Nk的量綱均可用用該三個物理理量的量綱來來表示，其相相應(yīng)的量綱一一的量為π，π4，…，πk即：解：（1）依題意寫出選擇，d—幾何量，v—運動量,ρ—動力量為基本本量。（2）寫出π式例：有壓管道兩測測點壓強降△p與管長l、管經(jīng)d、絕對粗糙度度K、管斷面平均均流速v、流體密度ρ、流體動力粘粘性系數(shù)μ有關(guān)，應(yīng)用π定理建立壓強強降△p的表達(dá)式。所以這一物理理過程寫為或∵△p與l成正比，與d成反比。又所以上式寫為為二、流動相似似的概念1幾何相似幾何相似是指原型和模模型的線性變變量間存在著著固定的比例例關(guān)系，即對對應(yīng)的線性長長度的比值相相等。長度比尺：面積比尺：體積比尺：2運動相似運動相似是指指原型和模型型兩個流動中中的相應(yīng)質(zhì)點點，沿著幾何何相似的軌跡跡運動，而且且運動相應(yīng)線線段的相應(yīng)時時間比值相等等。時間比尺：速度比尺：加速度比尺：：動力相似是指指原型和模型型中相應(yīng)點處處流體質(zhì)點所所受的同名力力的方向相同同且具有同一一比值。3動力相似或幾何相似、運運動相似和動動力相似是模模型和原型兩兩流動保持完完全相似的重重要特征。幾幾何相似是運運動相似和動動力相似的前前提，動力相相似是決定模模型和原型流流動相似的主主導(dǎo)因素，運運動相似是幾幾何相似和動動力相似的具具體表現(xiàn)。當(dāng)動力相似時時，模型與原原型相應(yīng)點處處質(zhì)點的同名名力F（如重力G，粘滯力T，壓力P，表面張力S，彈性力E，慣性力I）的比尺相等等，則力比尺尺可表示為4初始條件與邊邊界條件相似似初始條件：任何流動過程程的發(fā)展都受受到初始狀態(tài)態(tài)的影響。要要使模型與原原型中的流動動相似，應(yīng)使使其初始狀態(tài)態(tài)的運動要素素相似。只在在非恒定流中中有意義。邊界條件：邊界條件同樣樣是影響流動動過程的重要要因素。邊界界條件是指模模型和原型中中對應(yīng)的邊界界的性質(zhì)相同同，幾何尺度度成比例。根據(jù)牛頓第二二定律,力的比尺可表表示為:1一般相似準(zhǔn)則則三相似準(zhǔn)則則或?qū)憺橐部筛膶憺槭街?為量綱一的量，稱為牛頓數(shù)（或牛頓相似準(zhǔn)數(shù)），以Ne表示兩流動的動力相似，歸結(jié)為牛頓數(shù)相等，即上式稱為牛頓相似準(zhǔn)則，它是流動相似的一般準(zhǔn)則。2重力相似準(zhǔn)則則（弗勞德準(zhǔn)準(zhǔn)則）考慮重力相似似有即或開方后有式中，為為量綱綱一的量，即即為弗勞德數(shù)數(shù)，以Fr表示示，，即即式（6-18）用弗勞德數(shù)表示，即上式表明，在重力作用下的相似系統(tǒng)，其弗勞德數(shù)應(yīng)該是相等的，這就叫重力相似準(zhǔn)則，或稱弗勞德準(zhǔn)則。

流速比尺流量比尺時間比尺3粘滯滯力力相相似似準(zhǔn)準(zhǔn)則則（（雷雷諾諾準(zhǔn)準(zhǔn)則則））因為黏滯力，又，則又因為則即式中，為量綱一的量，稱為雷諾數(shù)，以Re表示，即表明，在單一粘滯力作用下的相似系統(tǒng)，其雷諾數(shù)應(yīng)該相等，稱為粘滯力相似準(zhǔn)則，或稱雷諾準(zhǔn)則?；?qū)懗勺詣觿幽ＤＰ托蛥^(qū)區(qū)：在在紊紊流流粗粗糙糙區(qū)區(qū)或或阻阻力力平平方方區(qū)區(qū)，，阻阻力力主主要要取取決決于于相相對對粗粗糙糙度度?