水力計算基礎(chǔ)

第一篇水力計算基礎(chǔ)

第一章水流運動形態(tài)及液體的物理性質(zhì)根據(jù)以下觀點對水流運動形態(tài)進行分類：1?根據(jù)水流運動要素（如流速、壓力等）在時間和空間的變化狀態(tài)，將水流分成不同的類型。2?根據(jù)水流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及影響水流形態(tài)的內(nèi)在因素進行分類。3?根據(jù)水流局部發(fā)生的特殊水流現(xiàn)象進行分類。第一節(jié)水流運動類型水流流速：一般可分為瞬時流速u、時均流速口、脈動流速『及斷面平均流速V。壓力：分為瞬時壓力、時均壓力、脈動壓力。本書中沒有特別說明就是指時均值。一?根據(jù)壓力在空間的特征進行分類無壓流：凡過水斷面的周界不全部被固體邊界所限制，具有自由表面的水流。動力主要是重力（促使流動）。1個工程大氣壓為10t/m2。有壓流：水流充滿封閉的固體邊界，沒有自由表面的水流。動力主要是壓力（促使流動）。根據(jù)水流運動要素隨時間變化進行分類恒定流（又稱穩(wěn)定流）：流場中每一固定點的水流質(zhì)點的運動要素（如時均速度、時均壓力、密度等）不隨時間而改變的水流。非恒定流（又稱非穩(wěn)定流）：流場中每一固定點的水流質(zhì)點的諸多要素中，至少有一個是隨時間而改變的水流運動。（注：由于非恒定流中運動要素隨時間變化，計算時比恒定流要復(fù)雜的多，因此當觀察到水流運動要素雖然隨時間變化，但變化不大，而忽略這種變化又對工程實踐的精確度影響不大時，往往按恒定流處理。）根據(jù)水流運動要素在空間上的變化進行分類均勻流：各個過水斷面中相應(yīng)點（即位于同一流線上的點）的流速（包括大小和方向）相同的水流。在恒定流情況下，離進口一段距離的過水斷面大小及形狀不變的直線管道中的水流?；螂x進口一段距離的過水斷面大小和水深及表面糙率沿程不變的直線正坡長渠中的水流。非均勻流：同一流線上的點流速沿程發(fā)生變化的水流。非均勻流有兩種，即漸變流和急變流。漸變流就是一種流線之間近乎平行的水流，它的極限情況便是均勻流。滿足兩個條件：1.流線之間的夾角很小2.流線的曲率半徑r很大或曲率很小。漸變流中的過水斷面可近似看作平面，動水壓強在過水斷面上按靜水壓強分布規(guī)律分布。急變流：不滿足上述2個條件之一的水流。一（二、三）度（元、維）流就是假設(shè)水流要素只依賴于一（二、三）坐標描述，則稱該水流為一（二、三）度（元、維）流。流管：由無數(shù)流線組成的管狀封閉面。流束：充滿于流管內(nèi)的液體?？偭鳎簩⒘魇倪^水斷面擴大到全部流動的邊界（如管道的管壁或河渠的岸壁渠底及水面）。（常用一元分析法去研究以流束或總流為對象的液流）

第二節(jié)水流內(nèi)部流動一.根據(jù)水流的內(nèi)在結(jié)構(gòu)分類：層流：水流質(zhì)點作有條不紊的線狀運動，各層間互不混雜。層流不存在流速和壓力等水流運動要素的脈動量。對于層流運動，水流各層間的切應(yīng)力T（即單位面積上的切力），可用牛頓液體內(nèi)摩擦力定律來表示。即dudu式中：u——距管軸r處（即距離管壁y處）的縱向流速（對于明渠流，即是距槽底y處的縱向流速）。是一個無量綱數(shù)。（Reynoldsnumber）是一個無量綱數(shù)。（Reynoldsnumber）反應(yīng)水流的慣性力與粘滯力之比,溫度2051015202530405060708090100粘滯性系數(shù)卩（公1.821.541.331.161.020.910.810.660.560.470.410.360.320.28斤?秒/cm2)x10-899679366095439是由大小不同尺度的渦體（或漩渦）組成的，而且對時間和空間都是隨機運紊流（湍流）:動。雷諾數(shù)（Re）：對管流：Re=u對管流：Re=ud對明渠：Re=V式中：u----過水斷面平均流速d-----管道直徑R 水力半徑（R=；?為過水斷面，X為濕周=管道和渠槽橫斷面上固壁與水X流接觸部分的長度。過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界線，稱為濕周（WettedPerimeter）常用x（希臘字母）表示，濕周是過水斷面的重要水力要素之一，濕周越大水流阻力及水頭損失也越大。）V------水的運動粘滯性系數(shù)雷諾數(shù)是反應(yīng)水流流態(tài)特性的一個量，當紊流過度到層流開始出現(xiàn)層流時的雷諾數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)（Rek）。k對于圓管管流：Rek=2000k當Re=>2000時紊流。Vud當Re=V<2000時層流。對明渠水流：Rek=500uR當Re=>500時紊流V

UR當Re=<500時層流。v二?明渠水流中，可從水流所具有的動能和勢能的對比，或從水流的流速與干擾波波速的對比來區(qū)分水流的流態(tài)。（一）弗汝德數(shù)（Froudenumber）：用Fr表示，是判別急流和緩流的參數(shù)，它反應(yīng)過水斷面u上水流具有的動能和勢能的對比關(guān)系，一般表示為：Fr=. .ig①?-aBu對于矩形斷面的明渠流：Fr=「世?ha式中：B為水面寬h為水深a為動能修正系數(shù)g為重力加速度。當Fr=1時，水流為臨界流，水流流速與干擾波的波速相等。當Fr>1時，水流為急流，水流流速大于干擾波的波速，干擾波不能向上游傳播。當Rr<1時，水流為緩流，水流的流速小于干擾波的波速，干擾波可向上游傳播。（二）臨界水深水流為臨界流時的水深，用hk表示。在小底坡情況下hk在小底坡情況下hk可由下式求得：aQ2 ①3:aq2對于矩形斷面：h= ~T~k式中：Q為流量q為單寬流量?為臨界流時的過水斷面kBk為臨界流時的水面寬度。急流：當水深小于臨界水深，F(xiàn)r大于1的水流。表現(xiàn)形態(tài)為：當水流遇到障礙物時，只引起局部的水面變化，而這種變化不向上游傳播。緩流：當水深大于臨界水深，F(xiàn)r小于1的水流。表現(xiàn)形態(tài)為：當水流遇到障礙物時，障礙物對水流的干擾可向上游傳播，表現(xiàn)為上游水位壅高。

第三節(jié)幾種局部水流現(xiàn)象離解與漩渦：在水流運動過程中，由于邊界發(fā)生急劇變化，主流脫離邊界而運動，在主流與邊界之間形成漩渦，這種局部的水流現(xiàn)象稱為??水躍：水流由急流過度到緩流，水深由小于臨界水深突然躍起到大于臨界水深的局部水流現(xiàn)象。宛能陵廠永躍段―「聶流段水跌：水流由緩流過渡到急流，水深由大于臨界水深過渡到小于臨界水深，這種水面突然下跌的局部水流現(xiàn)象。

第四節(jié)液體的物理性質(zhì)1?密度和重率亠 M密度（P）：勻質(zhì)液體的質(zhì)量M與體積W的比值。即P=-—W重率（Y）：液體的密度與重力加速度的乘積，或液體重量G與液體體積的比值。GV=Pg=-即 W2?壓縮性壓縮性：液體的體積隨壓力的增大而減?。ㄒ布词侵芈屎兔芏入S壓力的增大而增大）。體積彈性系數(shù)：氣=dP體積彈性系數(shù)：氣=dP/詈pdp或E=dp/(-dW)u"W=-Wdp

dW式中：E——體積彈性系數(shù)up 壓力P——密度W——體積體積壓縮系數(shù)（壓縮率）：體積彈性系數(shù)的倒數(shù)。它反應(yīng)了液體的壓縮性。3?粘滯性液體具有抵抗剪切變形的能力。液體切應(yīng)力I的普遍表達式：T=T+k（dU）m0dn式中：T0、m 分別為兩個常數(shù)，它們隨液體的性質(zhì)不同而不同。當T=0，m=l.當T=0，m=l.即液體中的切應(yīng)力與剪k=卩時，為牛頓式液體，則上式變?yōu)門=卩-，dn切變形的速度成正比。式中：卩——液體的粘滯性系數(shù)du 液體質(zhì)點剪切變形速度，即沿與流速u垂直的方向n上的流速梯度。dn若t=0，m豐1，則屬于非牛頓式液體。若th0,并達到不可忽略的數(shù)值時，則液體進入或接近塑體的范圍。

?1-1-V11 水的物理性質(zhì)溫度'(°C)單位容重V（公斤/米巧粘滯性系數(shù)JU（:公斤?秒/厘米2）x1Q-B運動粘滯性系數(shù)V（厘米2/秒）X10'2飽和蒸汽壓（絕對壓強〉V（公斤/!［米2）x10'1表面張力系 數(shù)a（公斤/厘米）X1Q-5壓縮率1（厘米z/公斤）x10'5怎積彈性系 數(shù)（公斤/厘米0x1040999.91.8291.7940.0627,714.9262.03051000.0(4?1.5491.5190.0907.644.7962.08510999.71.3361.3100.137.574.6822.13615999.1K1671,1460*177.504*5752.18620998.2U0291.0100.247.424.4822*23125997*10.9130.8980.327.354.4032.271-30995.70*8160.8040.437.26.4.3482.30040992.20.6660.6590.757.09仁2812.33650988.10.5600.5561.266.924,2742.340€0983.20.4790.4782.036.744,3032*32470977.fi0.4150.4163.186.57們3592*29480971.80,3640*3674*836.384.4402,25290965.3O.S230.3287.156.204,5562.195100958.40.2890.29610.336.004,952.130注單位容重、粘滯性系數(shù)、運動粘滯性系數(shù)、表面張力、壓縮率、體積彈性系數(shù)均為一個標準犬氣壓下的數(shù)值。裹各種壓力下水的單位容童（公斤/米3）壓 力（公斤/厘漲2）溫度(°C)Q”2050100.200300-1X1021004.81002.7992.3962.9870.771.5.32X1021009.61007.1996.5967.3877.5734.6*X1021014.31011.51000.5971.7884.0750.35x1021023.11018.81007.910xio21043.91038.31026.2

>1-1-311' 水的物理性質(zhì)體積膨脹系數(shù) 0.207x10-3〈0~339〉臨界溫度(°C)374.15折射率 1*334.f水~空氣融解熱（千卡/公斤） 79-4臨界壓力（大氣）218.39臨界角48.5°丿汽化熱（千卡/翌斤〉539臨界密度（公斤/米3）323音速（米/秒） 1483（20°。）1-1-4'11 水以外的液體的物理性質(zhì)液體井子式單位重融粘滯性系數(shù)體積膨脹比 熱壓縮率表面張力'音 速（公斤/米巧（公斤?秒/米2）系 數(shù)（千卡/公斤。?詠/公斤）〔公斤/米》（米,/砂〉丙CH3*co.cir；!7910*32x10-41.487x1曠30.5168.99X10-9一1190乙醇c2hs.oh7891.19X10■*1.120X10-J0.5778.44x10-92.29x10~31168乙(C2iIs)2O7140.243x1曠41.656X1曠30.55612.57X10-91.68XIL1006四氯化碳CC1415940.97XIO"1.236x10-39.202—2.72xIQ'3935苯C6H68790.659xICT*.1.237x1Q-30.4157.90x10-92.95x10~51295甘油12611.49xIO-40.505x10-30,5802?21X1曠96.47X10-31923水銀Hg135501.58X10'40.1819X10-30.3330.402X1曠94.97X1Q-31451空氣1.293（0°C,760毫米水銀柱〉0.1844X10'53671x1曠6（O°C,760毫米水銀柱）0.240（0°。，760毫米水銀柱》331.7(0°C)4.表面張力是表現(xiàn)在液體周界面中任意曲線或直線上的拉應(yīng)力。表面張力系數(shù)：單位長度上的表面張力。水的表面張力見1-1-1.由于表面張力的作用，彎曲液面會引起液體內(nèi)部的附加壓力。又因液面彎曲的方向不同，附加壓力有正有負。第二章靜水壓力的計算

第一節(jié)靜水壓強特性及分布規(guī)律1?壓強：單位面積上所受的壓力。壓強的單位可以用三種方式表示：單位面積上的力；用工程大氣壓表示；用水柱高度表示。絕對壓強：由于工程計算的需要，通常將包括大氣壓強的