第三章水動(dòng)力學(xué)

第三章水動(dòng)力學(xué)第1頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及應(yīng)用運(yùn)動(dòng)要素：液體的運(yùn)動(dòng)流速和動(dòng)水壓強(qiáng)等研究方法：理論分析法和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)房第二章水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第2頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念一、跡線與流線1、跡線：某一液體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不同時(shí)刻所流經(jīng)的空間點(diǎn)連成的線2、流線：液體中假想的線，用來(lái)反映流速場(chǎng)內(nèi)瞬時(shí)流速方向的曲線。第3頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念一、跡線與流線3、流線的基本特征（1）流線是一條光滑曲線。（2）同一時(shí)刻，流場(chǎng)中兩條流線不會(huì)相交。（3）通過(guò)流場(chǎng)中同一點(diǎn)在不同時(shí)刻所繪出的流線不同。（4）當(dāng)流動(dòng)為恒定流時(shí)，流線與跡線重合。第4頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念二、元流與總流1、流管：流場(chǎng)中任取一封閉曲線L，通過(guò)該封閉曲線上的各點(diǎn)作某一瞬時(shí)流線，由這些流線所構(gòu)成的封閉管狀曲面。2、元流：當(dāng)封閉曲線L無(wú)限小時(shí)，充滿微小流管內(nèi)的液流。3、總流：實(shí)際水流有一定的邊界，具有一定大小尺寸的實(shí)際水流。第5頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念三、過(guò)水?dāng)嗝?、流量、斷面平均流?、過(guò)水?dāng)嗝妫号c元流或總流相垂直的橫斷面。2、流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一過(guò)水?dāng)嗝娴囊后w的數(shù)量。單位m2元流總流單位m2單位m3/s元流總流第6頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念三、過(guò)水?dāng)嗝妗⒘髁?、斷面平均流?、斷面平均流速：假想過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的流速都相等并等于v第7頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念四、恒定流與非恒定流1、恒定流：流場(chǎng)中任何空間點(diǎn)上的所有運(yùn)動(dòng)要素都不隨時(shí)間而變化。1、非恒定流：流場(chǎng)中任何空間點(diǎn)上的所有運(yùn)動(dòng)要素都隨時(shí)間而變化。第8頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念五、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流1、均勻流和非均勻流：均勻流：流場(chǎng)中所有流線是相互平行的直線。非均勻流：流場(chǎng)中所有流線不是相互平行的直線。液體流動(dòng)組合方式：恒定均勻流、恒定非均勻流、非恒定均勻流、非恒定非均勻流第9頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念五、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流2、漸變流和急變流：急變流：流場(chǎng)中所有流線是幾乎近似相互平行的直線。漸變流：流場(chǎng)中所有流線的夾角很大，或流線彎曲較大。第10頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)液體運(yùn)動(dòng)的基本概念六、有壓流和無(wú)壓流有壓流：過(guò)水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)一般不等于大氣壓時(shí)

過(guò)水?dāng)嗝娲笮　⑿螤畈蛔?，流量變化只?huì)引起壓強(qiáng)和流速變化。無(wú)壓流：有與大氣接觸的自由面，表面壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)。過(guò)水?dāng)嗝嫘螤睢⒋笮【筛淖?，流速和壓?qiáng)的變化表現(xiàn)為水深的變化。

第11頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)恒定流的連續(xù)性方程一、元流的連續(xù)性方程在恒定流條件下：（1）元流的形狀和位置不隨時(shí)間變化。（2）液體不可壓縮，密度為常數(shù)。（3）液體不可能穿越元流管壁流入或流出。由質(zhì)量守恒定律：不可壓縮液體恒定一元流的連續(xù)性方程：

流速與過(guò)水面積成反比任一過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟鹊?2頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)恒定流的連續(xù)性方程二、總流的連續(xù)性方程流速與過(guò)水面積成反比任一過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟?、總流的連續(xù)性方程第13頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)恒定流的連續(xù)性方程二、總流的連續(xù)性方程任一過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟攘魉倥c過(guò)水面積成反比

2、連續(xù)性方程應(yīng)用（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)方程（2）應(yīng)用于理想液體和實(shí)際液體（3）有壓管的非恒定流（4）適用于分流和匯流第14頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程一、液流的能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象能量轉(zhuǎn)化和能量守恒機(jī)械能中動(dòng)能和勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化，機(jī)械能和其他形式的能量之間的轉(zhuǎn)化第15頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程二、重力理想液體元流的能量方程1.方程動(dòng)能的改變壓力做的功：重力做的功第16頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程二、重力理想液體元流的能量方程1.方程動(dòng)能的改變等于外力所做的功恒定元流的能量方程第17頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程二、重力理想液體元流的能量方程1.方程的各項(xiàng)意義（1）物理意義比位能比壓能比動(dòng)能總機(jī)械能

不可壓縮理想液體恒定流情況下，元流不同的過(guò)水?dāng)嗝嫔?，“單位重力”體具有的機(jī)械能保持守恒，各項(xiàng)能量的形式是可以相互轉(zhuǎn)化。

第18頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程二、重力理想液體元流的能量方程1.方程的各項(xiàng)意義

（2）幾何意義

位置水頭壓強(qiáng)水頭

流速水頭理想液體的三種形式水頭在流動(dòng)過(guò)程中可以相互轉(zhuǎn)化，但總水頭沿流程守恒流速水頭第19頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程三、實(shí)際液體元流的能量方程1.方程第20頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程三、實(shí)際液體元流的能量方程2.水力坡度和測(cè)壓管水力坡度(1)測(cè)壓管水頭線(2)總水頭線第21頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程三、實(shí)際液體元流的能量方程2.水力坡度和測(cè)壓管水力坡度(3)水力坡度（總水頭線坡度）：

實(shí)際液體流動(dòng)的總水頭沿流程的降低值與流程長(zhǎng)度之比。微分表示：均勻分布：測(cè)壓管水頭坡度：第22頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程三、實(shí)際液體元流的能量方程3.畢托管修正后：流速公式：第23頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程四、元流能量方程應(yīng)用的計(jì)算算例第24頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程1.恒定總流過(guò)水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)分布（1）均勻流壓強(qiáng)分布規(guī)律在同一過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的測(cè)壓管水頭為一常數(shù)與靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律相同。即：

但不同斷面的測(cè)壓管水頭值不同。第25頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程1.恒定總流過(guò)水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)分布（1）漸變流壓強(qiáng)分布規(guī)律漸變流壓強(qiáng)分布規(guī)律可近似均勻流的情況。即：

但不同斷面的測(cè)壓管水頭值不同。第26頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程1.恒定總流過(guò)水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)分布（3）急變流壓強(qiáng)分布規(guī)律急變流壓強(qiáng)分布規(guī)律不服從靜水壓強(qiáng)的分布規(guī)律，不同的過(guò)水?dāng)嗝嬗胁煌膲簭?qiáng)分布函數(shù)第27頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程2.實(shí)際液體總流的能量方程恒定元流的能量方程恒定總流兩過(guò)水?dāng)嗝娴哪芰筷P(guān)系式第28頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程2.實(shí)際液體總流的能量方程(1)第一類積分（液體勢(shì)能總和）(2)第一類積分（液體動(dòng)能總和）第29頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程2.實(shí)際液體總流的能量方程(1)第三類積分（總水頭損失）(4)將三種積分代人能量關(guān)系式考慮連續(xù)性方程（Q1：=Q2=Q）：第30頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程3.總能量方程的應(yīng)用條件（1）總能量方程的應(yīng)用條件（2）總能量方程的注意事項(xiàng)第31頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程五、實(shí)際液體總流的能量方程4.文丘里流量計(jì)測(cè)壓管水位差水銀壓差計(jì)第32頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程六、實(shí)際液體總流的能量方程算例例3-3第33頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程六、實(shí)際液體總流的能量方程算例例3-4第34頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程六、實(shí)際液體總流的能量方程算例例3-5第35頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)恒定流的能量方程六、實(shí)際液體總流的能量方程算例例3-6第36頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動(dòng)量方程一、恒定流的動(dòng)量方程動(dòng)量公式質(zhì)點(diǎn)系定理矢量，方向與速度相同恒定總流動(dòng)量增量恒定總流動(dòng)量方程a為動(dòng)能修正系數(shù)，與流速的分布情況有關(guān)第37頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動(dòng)量方程一、恒定流的動(dòng)量方程恒定總流動(dòng)量方程代數(shù)運(yùn)算時(shí)的三種形式：恒定總流動(dòng)量方程外力有：（1）兩過(guò)水?dāng)嗝娴膭?dòng)水壓力（2）隔離體的液體重力（3）固體邊界的反作用力第38頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動(dòng)量方程二、恒定流的動(dòng)量方程的應(yīng)用恒定流的動(dòng)量方程的應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：（1）選定投影軸（2）控制體的選?。?）分析出控制體受到的所有外力（4）動(dòng)量改變值（5）必要時(shí)聯(lián)合連續(xù)性方程第39頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動(dòng)量方程二、恒定流的動(dòng)量方程的應(yīng)用液流有分流或匯流時(shí)動(dòng)量方程可以推廣到任意選取的封閉控制體：分流：匯流：第40頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動(dòng)量方程三、恒定流動(dòng)量方程計(jì)算算例3-7：3-8：通過(guò)例題看出，在求解實(shí)際液體的恒定流的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，三大方程可以聯(lián)立求解，但必須考慮其使用條件。第41頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)恒定流的動(dòng)量方程三、恒定流動(dòng)量方程計(jì)算算例3-8：通過(guò)例題看出，在求解實(shí)際液體的恒定流的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，三大方程可以聯(lián)立求解，但必須考慮其使用條件。第42頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失一、水流阻力與水頭損失的概念1.沿程阻力和沿程水頭損失：均勻流沿程水頭損失：說(shuō)明均勻流時(shí)沿程阻力消耗的能量由勢(shì)能提供第43頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失一、水流阻力與水頭損失的概念2.局部阻力和局部水頭損失：急變流沿程水頭損失稱為局部水頭損失（hj）：第44頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失一、水流阻力與水頭損失的概念3總水頭損失：第45頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失二、液體流動(dòng)的兩種形態(tài)及判別1.雷諾試驗(yàn)：層流與紊流上臨界流速vc’下臨界流速vc第46頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失二、液體流動(dòng)的兩種形態(tài)及判別1.流態(tài)判別：ab段ef段be段即：第47頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失二、液體流動(dòng)的兩種形態(tài)及判別1.流態(tài)判別：（1）流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)為比例常數(shù)通過(guò)試驗(yàn)，雷諾數(shù)穩(wěn)定在2000左右。流態(tài)判別：第48頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失二、液體流動(dòng)的兩種形態(tài)及判別1.流態(tài)判別：（2）水力要素濕周：水力半徑：雷諾數(shù)可表示為：渠道下臨界雷諾數(shù)為：500第49頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失三、流態(tài)的判別計(jì)算算例3-93-10第50頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失四、均勻流基本方程和沿程水頭損失1.均勻流基本方程：斷面水力要素為：ω、χ、R。同樣大小的ω、χ，R最大的斷面形狀是圓形第51頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失四、均勻流基本方程和沿程水頭損失2.沿程水頭損失通用計(jì)算公式：λ——沿程阻力系數(shù)或達(dá)西系數(shù)，綜合反映各個(gè)與τ0有關(guān)的因素對(duì)hf的影響?？梢杂媚峁爬澰囼?yàn)求得。液流的平均切應(yīng)力：第52頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)水流阻力與水頭損失四、均勻流基本方程和沿程水頭損失2.明渠流動(dòng)的沿程水頭損失：C——謝才系數(shù)，有因次的系數(shù)，綜合反映各種因素對(duì)斷面平均流速與水力坡度關(guān)系影響。由試驗(yàn)觀測(cè)而得。公路工程中常用曼寧公式：n為粗糙系數(shù)。

還有巴甫洛夫公式。

謝才公式：第53頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第