水力學(xué)知識(shí)點(diǎn)講解

第第1頁水力學(xué)第一章 緒論(一)液體的主要物理性質(zhì)慣性及重力特性：把握水的密度ρ和容重γ；粘滯性：液體的粘滯性是液體在流淌中產(chǎn)生能量損失的根本緣由。描述液體內(nèi)部的粘滯力規(guī)律的是牛頓內(nèi)摩擦定律:留意牛內(nèi)擦律d用范圍：1)牛頓流體， 2)層流運(yùn)3．可壓縮性：在爭(zhēng)論水擊時(shí)y要考慮。4．外表張力特性：進(jìn)展模型試驗(yàn)時(shí)需要考慮。(二)連續(xù)介質(zhì)和抱負(fù)液體假設(shè)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)描述液體運(yùn)動(dòng)的物理量。抱負(fù)液體：無視粘滯性的液體?！踩匙饔迷谝后w上的兩類作用力其次章 水靜力學(xué)的靜水荷載?！惨弧踌o水壓強(qiáng)：1．靜水壓強(qiáng)的兩個(gè)特性：靜水壓強(qiáng)的方向垂直且指向受壓面靜水壓強(qiáng)的大小僅及該點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)，及受壓面方向無關(guān)，。(它是靜水壓強(qiáng)計(jì)算和測(cè)量的依據(jù)〕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+γh 或 z—位置水頭，p/γ—壓強(qiáng)水頭〔z+p/γ〕—測(cè)壓管水頭

pc壓強(qiáng)的三種表示方法：確定壓強(qiáng)p′，相對(duì)壓強(qiáng)p，真空度p, ↑v它們之間的關(guān)系為：p=p′-pa

pp│〔當(dāng)p＜0pv

存在〕↑相對(duì)壓強(qiáng):p=γh,可以是正值，也可以是負(fù)值。要求把握確定壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)和真空度三者的概念和它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。1pa(工程大氣壓)=98000N/m2=98KN/m2兩類。依據(jù)平面的外形：對(duì)規(guī)章的矩形平面可承受圖解法，任意外形的平面都可以用解析法進(jìn)展計(jì)算?！惨弧踌o水總壓力的計(jì)算1)平面壁靜水總壓力方向：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。靜水壓強(qiáng)分布圖是依據(jù)靜水壓強(qiáng)及水深成正比關(guān)系繪制的，只要用比例線段分別畫出平面上倆點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)，把它們端點(diǎn)聯(lián)系起來，就是靜水壓強(qiáng)分布圖。解析法：大小：P=pA, p—形心處壓強(qiáng)c c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。PPPP。x z曲面壁靜水總壓力1〕水平分力：P=pAγhAx cx cx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(diǎn)的壓強(qiáng)乘以投影面面積。要求能Px

的壓強(qiáng)分布圖，即曲面在鉛垂面上投影平面的靜水壓強(qiáng)分布圖。,V---壓力體體積。zPz

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,受壓曲面以和過曲面邊緣的鉛垂平面這三局部圍成的體積。當(dāng)壓力體及受壓面在曲面的同側(cè)，那么鉛垂分力的方向向下；當(dāng)壓力體及受壓面在曲面的兩側(cè)，則鉛垂分力的方向向上。z3〕合力方向：α=arctg PPzx

第三章液體運(yùn)動(dòng)根本概念和根本方程有關(guān)液體運(yùn)動(dòng)的根本概念：〔一〕液體運(yùn)動(dòng)的根本概念1.流線的特點(diǎn):反映液體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的圖線。流線的性質(zhì):流線不能相交；流線不能轉(zhuǎn)折。2.流淌的分類非恒定流 流:過水?dāng)嗝嫔蠞u變流液流漸變流恒定流 非均勻流急變流另外斷面平均流速和流量的概念要搞清?！捕骋后w運(yùn)動(dòng)根本方程

zpc恒定總流連續(xù)方程 v AvA=vA

2 111 22 , v AQ=vA 1 2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。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。hw第四章特地爭(zhēng)論它的變化規(guī)律和計(jì)算方法，能量方程應(yīng)用條件：

是單位重量液體從1斷面流到2能量方程應(yīng)用留意事項(xiàng):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: zp選計(jì)算斷面使未知量盡可能少〔壓強(qiáng)計(jì)算承受統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)〕能量方程的應(yīng)用：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)我們需要求解水流及固體邊界之間的作用力時(shí)，必需要用到動(dòng)量方程。恒定總流淌量方程

QF22F

1〕2 2x 1 1x投影形式 2 2y

-βv〕1 1y2 2z

-βv〕1 1zβ—?jiǎng)恿啃拚禂?shù)，一般取β=1.0式中：∑F、∑F、∑F是作用在掌握體上全部外力沿各坐標(biāo)軸重量的合力，V,Vx y z 1i

是進(jìn)口和出口斷面上平均流速要留意下面幾個(gè)問題：動(dòng)量方程應(yīng)用留意事項(xiàng)：〔0〕b〔當(dāng)投影重量及坐標(biāo)方向全都為正，反之為負(fù)〕流出動(dòng)量減去流入動(dòng)量。正確分析作用在水體上的力，〔計(jì)算結(jié)果為正表示假設(shè)正確，否則假設(shè)方向及實(shí)際相反〕通常動(dòng)量方程需要及能量方程和連續(xù)方程聯(lián)合求解。下面我們舉例說明液體動(dòng)量方程的應(yīng)用：〔3〕用動(dòng)量方程求水流對(duì)弧形閘門的作用力〔取包括閘門段水體進(jìn)展示力分析，建立圖示坐標(biāo)，因水體僅在XRx〕xxP-P-R=ρQ(v-v)1 2 x 2 1∴R= P-P-ρQ(v-v)x 1 2 2 12B1 2 c水流對(duì)弧形閘門的作用力F及Rx

大小相等，方向相反，作用在水體上)下面我們簡(jiǎn)潔介紹液體運(yùn)動(dòng)三元流分析的根底?！踩橙鞣治龅母?〔不做考試要求〕液體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)的根本形式：平移、線變形、角變形、旋轉(zhuǎn)有旋流淌及無旋流淌的區(qū)分。當(dāng)ωωω=0，為無旋流淌或稱有勢(shì)流淌。x y z平面勢(shì)流的特點(diǎn)滿足無旋條件：

uy1 (1

ux=0—)存在勢(shì)函數(shù)φxz 2 x y滿足連續(xù)方程： 0第四章流態(tài)及水頭損失hw水頭損失有關(guān)的液體的流態(tài)?！惨弧乘^損失的計(jì)算方法

總水頭損失： w f j沿程水頭損失：達(dá)西公式l 2圓管 hf l2h 4R2gf d2gAλ—沿程水頭損失系數(shù)AR—水力半徑 R圓管局部水頭損失ζ—局部水頭損失系數(shù)

Rd4λ。而λ值確實(shí)定及水流的流態(tài)和邊界的粗糙程度親熱相關(guān)。下面我們就首先爭(zhēng)論液體的流態(tài)?！捕骋后w的兩種流態(tài)和判別(1)液體的兩種流態(tài)：雷諾試驗(yàn)層流—液體質(zhì)點(diǎn)相互不混摻的層狀流淌。h∝1.0f紊流—存在渦體質(zhì)點(diǎn)相互混摻的流淌。h∝1.75-2f當(dāng)流速比較小的時(shí)候，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)相互不混摻，定義為層流。(2).流態(tài)的判別：雷諾數(shù)Re，明槽：

RRev

Re=500kd 4R圓管：

Re

,Re=2023Re＜Rek

v v k層流；Re＞Re 紊流k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及粘滯力的比值。圓管層流流淌斷面流速分布特點(diǎn)：拋物型分布，不均勻： umax2v64沿程阻力系數(shù)：64層流流淌的沿程水頭損失系數(shù)e是雷諾數(shù)的函數(shù)，而且及雷諾數(shù)成反比。那么紊流中λ是怎么計(jì)算的呢？首先要了解一下紊流的特性。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)：紊流中：當(dāng)Re較小 ＜0.3 水力光滑當(dāng)Re較大 ＞6 水力粗糙；0當(dāng)Re

0.3

過渡區(qū)

0〔紊流流速分布比層流流速分布更加均勻〕u ulnyc

x u yn

x rum 0r當(dāng) Re＜105 n=1/7力摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。λ的變化規(guī)律 尼古拉茲試驗(yàn)〔人工粗糙管〕A1層流區(qū)：λ=f(Re)= Re1光滑區(qū)：λ=f2：λ=

(Re) f(Re, )3 r 0粗糙區(qū)：λ=

f( )4 r試驗(yàn)結(jié)果全都。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，需要把握。舍齊公式及曼寧公式舍齊公式：VC RJ曼寧公式：C

1R1/6適用：紊流阻力平方區(qū)n 8g通常水頭損失計(jì)算常用： C2

第五章有壓管流〔一〕有壓管道恒定流小孔口恒定出流：自由出流 QA 2gH

QA 2gzμ—流量系數(shù)，μ=0.60～0.62z—上下游水位差。管嘴恒定出流流量公式： QA 2gH第5頁=0.82 工作條件：l=〔3～4〕d管嘴及孔口相比，收縮斷面C—C〔二〕簡(jiǎn)潔管道水力計(jì)算短管和長(zhǎng)管a〕求過流力量Q確定作用水頭H測(cè)壓管水頭線和總水頭線的繪制。(3)短管水力計(jì)算自由出流流量公式：

Qc

A2gH0

1c1lcd

b)漂浮出流公式：

QcA 2gZ1根本公式：

2g

c

d

K2R流量模數(shù)

H lK2〔1〕局部水頭損失集中在一個(gè)斷面管中流速不變，總水頭線平行于測(cè)壓管水頭線

降

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

留意出口的流速水頭〔自由出流〕或例1Q=0.5m/s，管徑上下游的流速水頭無視

局部損失〔漂浮出流。下面我們舉例說明簡(jiǎn)潔管道的水力計(jì)算方法。不計(jì)，ζ=0.4，ζ=0.2，ζ=1.0。求：上下游水位差z。進(jìn)口 彎 出口c 解：Q A 2gZ c 〔三〕管道非恒定流—水擊c水擊現(xiàn)象： 〔畫圖〕

進(jìn)口

l出口 d〔水擊壓強(qiáng)以壓力波的形式向上游或下游傳播〕水擊的波速和相長(zhǎng)

a 1435 (m/s) 2L相長(zhǎng) 相長(zhǎng)是水擊播D個(gè)來回的時(shí)間，LTa4E

是管長(zhǎng)〕周期

2Ta第6頁水擊分類：直接水擊 T≤Ts(從邊界反射減壓波尚未回到閥門處，閥門已關(guān)閉，水擊壓強(qiáng)到達(dá)最大值)T＞T 〔及上反之〕spa(V V)直接水擊壓強(qiáng)計(jì)算： 0的關(guān)閉時(shí)間和縮短壓力管道的長(zhǎng)度，使管道內(nèi)產(chǎn)生間接水擊是降低水擊壓強(qiáng)的有效措施。第六章明槽水流運(yùn)動(dòng)明渠水流主要爭(zhēng)論四局部?jī)?nèi)容：1.2.3.水躍和水躍共軛水深計(jì)算；4.明渠非均勻流水面曲線分析和計(jì)算?！惨弧趁鞑劬鶆蛄骶鶆蛄魈卣鳎骸?〕水深，底坡沿程不變〔過水?dāng)嗝嫱庑纬叽绮蛔儭硵嗝嫫骄魉傺爻滩蛔內(nèi)€平行J=J=i 頭線、水面線、渠底)z均勻流形成條件： 恒定流，長(zhǎng)直棱柱體渠道，正坡渠道，糙率沿程不變明槽均勻流公式： Q=VA—流量模數(shù)明槽均勻流水力計(jì)算類型：Qn求渠道底坡：hb0(二)明槽水流的流態(tài)和判別明槽水流三種流態(tài)：緩流 急流 臨界流在這里我們要留意把明槽水流的三種流態(tài)及前面爭(zhēng)論過的層流、紊流區(qū)分開來?！舶ü芰骱兔鞑鬯鳌扯歼m用；明槽水流流態(tài)的判別：判別指標(biāo) Vw緩流 V<Vw

FrFr＜1

h，kh>hk

i〔均勻流〕ki＜ik急流臨界流佛汝德數(shù)Fr：

V>VwV=VwV

Fr＞1Fr=1慣性力

h<hkh=hk

i>iki=ikFr 的相像準(zhǔn)數(shù)，雷諾數(shù)表示慣性力及粘滯力的比照關(guān)系。Es＞0緩流dEs1Fr2dh第7頁＜0急流=0 臨界流Es

是以過明渠斷面最低點(diǎn)的水平面為基準(zhǔn)的單位重量水體具有的總機(jī)械能。各斷面的斷面比能就是常數(shù)。臨界流方程：

Q2

(一般斷面〕 kg Bk臨界水深h〔矩形斷面〕k臨界底坡ik

：均勻臨界流時(shí)的底坡。i=i，k必要強(qiáng)調(diào)，緩坡上假設(shè)消滅非均勻流，那么緩流、急流都可以發(fā)生。對(duì)于陡坡也同樣如此。下面舉例說明流態(tài)的判別：〔三〕水躍和跌水跌水：由緩流向急流過渡。水深從大于臨界水深hk水平矩形斷面明渠水躍：水躍方程：

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。1 21818Fr22

h 1[18Fr21]2 2 1

h 2[1 2

1]水躍長(zhǎng)度lj

=6.9(h2

-h)1〔四〕明槽恒定非均勻流特征〔1〕h〔2〕v〔3〕水面線不平行于渠底，Ji〔〕z〔五〕棱柱體明槽恒定非均勻流水面曲線分析根本方程：〕2.水面曲線分類：dh0ds 壅水曲線〔水深沿流程增加〕dh0降水曲線〔水深沿流程減小〕ds底坡分類： i＜iki＞0正坡 i=iki=0 平坡i＜0逆坡兩條水深掌握線

緩坡陡坡k〔1〕i＞0，存在N-N〔正常水深h。掌握線〕〔2〕k-k〔臨界水深hk〔3〕N-NK-K12

掌握線，沿程不變〕第8頁水面線變化規(guī)律1212線，他們的變化規(guī)律總結(jié)如下：每個(gè)流區(qū)只消滅一種水面線bK-K〔發(fā)生跌水或水躍〕N-N〔除a3c3〕掌握斷面：急流在下游，緩流在上游正坡長(zhǎng)渠道無干擾的遠(yuǎn)端趨于均勻流4．水面線連接的規(guī)律緩流向急流過渡——產(chǎn)生跌水急流向緩流過渡——產(chǎn)生水躍緩流 緩流，只影響上游急流 急流，只影響下游1:緩坡連接緩坡,后接跌坎(i＞i)(a線和N1 2 1 2

線后消滅并且加粗)iiN線要及N1 2 1

a1

N1到Nb2 1

區(qū)發(fā)生壅水曲線，2：陡坡連接緩坡：分析：水深從陡坡h＜h1 k

hb2

和緩坡b區(qū)均不發(fā)生壅水，這1下面我們介紹恒定非均勻流水面曲線的計(jì)算。(六)恒定非均勻流水面曲線計(jì)算 求和法：Q2

E EiiJsds

i iJ程用平k水力坡度代替某點(diǎn)的水力坡度。

iJ2(1)定性分析棱柱體渠道水面線〔確定壅水或降水，非棱柱體不用分析〕(2)確定掌握斷面水深 〔急流向下游，緩流向上游計(jì)算〕(3)設(shè)相鄰斷面水深，取△h=0.1～0.3m(把渠道分成假設(shè)干斷面)第七章泄水建筑物水流問題〔一〕堰流和閘孔出流這就是閘孔出流。堰閘出流的區(qū)分：第9頁第第10頁堰流和閘流的判別：e平頂堰：≤0.65H＞0.65eeH＞0.75eH:1)堰流根本公式:依據(jù)能量方程可以導(dǎo)出32Qmb 2gH32m1〔s堰型、進(jìn)P，和水頭H〕·〔H，孔寬、孔數(shù)有關(guān)〕1σ〔H〕s2〕三種堰型：薄壁堰：測(cè)流有用堰：WES堰特點(diǎn)：H=Hd

,m=0.502(Hmdh寬頂堰:mmax=0.385，漂浮堰流的水流特性，漂浮條件： 〔圖〕3)計(jì)算任務(wù)：確定過流力量Q：

Qmb

H s02gH322g確定流量系數(shù)m:

1 s 0Q確定眼堰頂水頭H： H [0 0 1

b 2gmS

]2/3水流特征：收縮斷面水深 h ec 22gh0根本公式Q2gh0s e —流量系數(shù)=F〔閘門形式，閘底坎形式〕=1。s s下面舉例說明閘孔出流計(jì)算.例:(矩形渠道中修建)單孔平板閘門,b=3m,H=6m,e=1.5m,下游水深h=3.6m,求:通過的流量。t〔1〕不考慮漂浮影響H=0.25＜0.65 (圖縮小放此屏后側(cè))∴閘孔出流 (∵寬頂堰上平板閘門)ht

=3.6m，是否漂浮還需要推斷推斷漂浮狀況:當(dāng) e 0.25查ε=0.622 (收縮端面水深為)H 2hc=εe=0.933m2V Q9.693m/sc bc(求對(duì)應(yīng)于hc

∵h(yuǎn)>hc2 t漂浮系數(shù)σ=1s我們比較一下堰流和閘孔出流的過流力量.堰流： QH321H 閘孔出流： Q 01H 0H排放汛期的洪水。〔二〕水流連接水利工程中，從溢流壩、泄洪陡槽、閘孔、跌坎等水工建筑物下泄的水流具有流速高、動(dòng)能大而且集中。因此我造成下游河床嚴(yán)峻的沖刷，影響水工建筑物的正常運(yùn)行。水流連接形式： —漂浮系數(shù)，它代表下游水深ht1〕當(dāng)h＜ ：遠(yuǎn)驅(qū)水躍，σ<1。

及收縮斷面水深的共軛水深的比值。t j從圖中可知：遠(yuǎn)驅(qū)水躍在渠道中消滅急流段，對(duì)河床沖刷力量強(qiáng)，不利于河床和建筑物的安全。2〕當(dāng)ht

h

，σ1j臨界水躍c分不穩(wěn)定，水流條件微小的轉(zhuǎn)變，會(huì)使臨界水躍變?yōu)槠渌问降乃S。3〕當(dāng)ht〔三〕水流消能

漂浮水躍, hjhc依據(jù)上面的分析，我們可以知道，遠(yuǎn)驅(qū)水躍存在急流段對(duì)下游最為不利；臨界水躍不穩(wěn)定，簡(jiǎn)潔變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)水躍。對(duì)于漂浮水躍，當(dāng)漂浮系數(shù)大于1.21.05~1.10常用消能方式〔〔利用從急流到緩流產(chǎn)生水躍的猛烈翻騰的旋滾，消耗水流多余的能量，適用于中低水頭和地質(zhì)條件差的狀況，在渠道中閘和跌坎的下游廣泛應(yīng)用〕挑流消能〔在泄水建筑物末端修建跳坎，把下泄水流挑射到遠(yuǎn)離建筑物的地方，水流在空中跌落擴(kuò)散，落入河道及水流碰撞，產(chǎn)生猛烈紊動(dòng)混摻，消耗大量能量，多用于高水頭和地質(zhì)條件好的狀況〕底流消能 能一般承受消力池形式。(1)消力池的類型:降低護(hù)坦形成消力池護(hù)坦末端修建消力坎綜合式消力池〔2〕.降低護(hù)坦消力池設(shè)計(jì)消力池深d

(依據(jù)圖示的幾何關(guān)系,消力池深d等于)d=σj

-h△z-hc t其中： h q2ch ( 18c

d c2hd c

d： jh Cd=σ -h ””j t消力池長(zhǎng)度的計(jì)算 (由于消力池末端池壁的作用,消力池中水躍長(zhǎng)度比自由水躍L短)jL=(0.7~0.8)Lk j設(shè)計(jì)流量 池深設(shè)計(jì)流( ht池長(zhǎng)設(shè)計(jì)流量 Qmax

max

QQ〔保證水躍不發(fā)生在池外〕第八~九章滲流和相像理論〔一〕滲流〔由于自然界土壤組成的簡(jiǎn)單性