四川大學(xué)《水力學(xué)》課程教學(xué)大綱

水力學(xué)》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱（中、英文）：水力學(xué)（Hydraulics）課程號(hào)（代碼）：30619450課程類別：（專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課）學(xué)時(shí)：水工、農(nóng)水100~116學(xué)時(shí)水文97~112學(xué)時(shí)學(xué)分：5學(xué)分二、教學(xué)目的及要求水力學(xué)是水利類各專業(yè)必修的一門(mén)主要專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有一定的理論基礎(chǔ)，能正確區(qū)分流動(dòng)類型、流動(dòng)形態(tài)和局部流動(dòng)現(xiàn)象，掌握水流運(yùn)動(dòng)的基本概念、基本理論與分析方法，理解不同水流的特點(diǎn)；學(xué)會(huì)常見(jiàn)水利工程中的水力計(jì)算，并具備初步的試驗(yàn)量測(cè)技能，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和專業(yè)技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)。教學(xué)中要注意處理好掌握知識(shí)和培養(yǎng)能力兩者之間的辨證關(guān)系。指導(dǎo)學(xué)生閱讀參考書(shū)、文獻(xiàn)和資料，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)獲取知識(shí)的能力。重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生獨(dú)立操作，并分析實(shí)驗(yàn)成果，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的能力。三、教學(xué)內(nèi)容水力學(xué)是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課，應(yīng)當(dāng)理論聯(lián)系實(shí)際，以分析水流現(xiàn)象，揭示水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，加強(qiáng)水力學(xué)的基本概念和基本原理的講解為主，不宜過(guò)分強(qiáng)調(diào)專業(yè)需要，以致削弱水力學(xué)基礎(chǔ)理論的講解。（一）基本內(nèi)容0．緒論液體的物理力學(xué)性質(zhì)理想液體和連續(xù)介質(zhì)的概念及其應(yīng)用。1．水靜力學(xué)靜水壓強(qiáng)的基本公式、等壓面概念和作用在平面、曲面上的靜水總壓力，壓力體圖的繪制。壓強(qiáng)的表示方法和壓強(qiáng)單位較多，應(yīng)講解其關(guān)系，避免引起混亂；幾種質(zhì)量力作用下的液體平衡，應(yīng)結(jié)合例題講解，以加強(qiáng)壓強(qiáng)微分方程式理解和運(yùn)用。水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程是重點(diǎn)，這部分應(yīng)講深講透，結(jié)合實(shí)例分析三大基本方程的應(yīng)用條件和注意的問(wèn)題及解題步驟，使學(xué)生正確理解其意義，通過(guò)習(xí)題熟練地掌握這些方程；液體運(yùn)動(dòng)的兩種方法，流線、跡線的概念及特點(diǎn)；流量、斷面平均流速、漸變流和急變流動(dòng)水壓強(qiáng)分布的概念。3．液流型態(tài)和水頭損失(1)達(dá)西公式、層流紊流特征、雷諾數(shù)的物理意義和流態(tài)判別、沿程阻力和局部阻力是重點(diǎn)；(2)造成水頭損失的原因及影響因素；4．有壓管道恒定流短管和長(zhǎng)管水力計(jì)算和水頭線繪制是重點(diǎn)。復(fù)雜管道的特點(diǎn)和基本公式解題的方法。5．有壓管中的非恒定流水擊過(guò)程、管道非恒定流的基本方程是重點(diǎn)；應(yīng)用水擊連鎖方程解題.6．明渠恒定流明渠均勻流的特性、佛汝德數(shù)物理概念及緩流、急流、臨界流的判別，棱柱體明渠水面曲線分析，水躍共軛水深計(jì)算是重點(diǎn)；明渠均勻流水力計(jì)算；逐段試算法進(jìn)行水面曲線計(jì)算；河道水面曲線計(jì)算對(duì)水文專業(yè)學(xué)生要求掌握；7．堰流及閘孔出流堰流、閘孔出流的判別和過(guò)流能力的計(jì)算是重點(diǎn)；堰閘的流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)和淹沒(méi)系數(shù)的選?。籛ES剖面。8．泄水建筑物下游水流的銜接和消能底流式消能的水力計(jì)算是重點(diǎn)；迭代法進(jìn)行溢流壩下游收縮斷面水深計(jì)算；挑流式消能主要分析挑流長(zhǎng)度的挑坎尺寸，簡(jiǎn)提沖刷坑深度；12．液體運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)理論重點(diǎn)是液體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程、實(shí)際液體運(yùn)動(dòng)的微分方程及其物理意義；液體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)的基本形式，要使學(xué)生有一個(gè)正確的理解。講授時(shí)以說(shuō)明物理概念和數(shù)學(xué)表達(dá)式的物理意義為主；講清理想液體和實(shí)際液體動(dòng)水壓強(qiáng)的區(qū)別及關(guān)系，可以不必詳細(xì)推導(dǎo)；歐拉方程和納維埃---斯托克斯方程是流體力學(xué)中的基本方程，應(yīng)使學(xué)生能正確地理解和分析應(yīng)用。講解中應(yīng)與前面恒定流基本方程聯(lián)系起來(lái)。13．恒定平面勢(shì)流流網(wǎng)原理和繪制是重點(diǎn)；說(shuō)明勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)的物理概念及其關(guān)系，使學(xué)生有一個(gè)正確的理解。14．滲流滲流的達(dá)西定律和電擬法是本章重點(diǎn)；通過(guò)習(xí)題要求學(xué)生初步繪制流網(wǎng)和掌握用流網(wǎng)法求解滲流場(chǎng)的方法；電擬法中著重原理，配合實(shí)驗(yàn)使學(xué)生初步掌握電擬法的操作；土壩滲流可以簡(jiǎn)提，不必詳細(xì)講解。4．量綱分析和相似原理定理應(yīng)用和相似準(zhǔn)則是重點(diǎn)；著重指出無(wú)量綱數(shù)在表達(dá)普遍的水流規(guī)律中的重要意義；使學(xué)生正確理解量綱合諧是分析流動(dòng)的一個(gè)重要手段，說(shuō)明相似的重要性。這部分內(nèi)容頭緒繁多，講授中要點(diǎn)明各部分內(nèi)容之明的關(guān)系，彼此緊密銜接，上下呼應(yīng)，做到條理分明。講完后應(yīng)總結(jié)，使學(xué)生明確問(wèn)題的提出、發(fā)展和結(jié)論，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體；5、液流型態(tài)和水頭損失水頭損失的概念和分類，沿程水頭損失和局部水頭損失；邊界條件對(duì)水頭損失的影響；均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力關(guān)系，沿程水頭損失的一般表達(dá)式：達(dá)西公式；液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)及其判別：層流和紊流及其判別，雷諾數(shù)的物理意義；圓管中層流運(yùn)動(dòng)及其沿程水頭損失；紊流特征：脈動(dòng)現(xiàn)象、瞬時(shí)值、時(shí)均值、脈動(dòng)值、紊動(dòng)強(qiáng)度，紊動(dòng)產(chǎn)生附加切應(yīng)力，混合長(zhǎng)度理論，粘性底層，紊流速度分布；⑺沿程阻力系數(shù)變化規(guī)律：沿程阻力系數(shù)九與雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的關(guān)系(尼庫(kù)拉茲圖)，莫迪圖，水力光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)和粗糙區(qū)的差別及計(jì)算各區(qū)九值的經(jīng)驗(yàn)公式；沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式：謝才公式、曼寧公式；局部水頭損失：局部水頭損失的一般表達(dá)式，圓管突然放大的局部水頭損失，局部阻力系數(shù)。6、恒定有壓管流管道類型；簡(jiǎn)單管道水力計(jì)算的基本公式；簡(jiǎn)單管道水力計(jì)算的基本類型和實(shí)例；復(fù)雜管道的水力計(jì)算：串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分岔管道、沿程均勻泄流管道(農(nóng)水)管網(wǎng)(給排水)；測(cè)壓管水頭線和總水頭線繪制；變水頭管道泄流時(shí)間的計(jì)算。7、非恒定有壓管流(1)閥門(mén)突然關(guān)閉和逐漸關(guān)閉時(shí)管道中的水擊：水擊現(xiàn)象，水擊波傳播速度，直接水擊和間接水擊；(2)管道非恒定流的基本方程：連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程；(3)水擊的基本微分方程組：水擊連續(xù)性方程、水擊運(yùn)動(dòng)方程，水擊連鎖方程及其應(yīng)用；(4)調(diào)壓井水面振蕩簡(jiǎn)介。8、明渠恒定水流明渠恒定均勻流明渠類型；②明渠均勻流的特性及產(chǎn)生的條件；③明渠均勻流計(jì)算公式；水力最佳斷面和允許流速；明渠均勻流水力計(jì)算類型；⑥粗糙度不同的明渠和復(fù)式斷面明渠的水力計(jì)算。(2)明渠恒定非均勻流明渠水流的三種流態(tài)及判別，佛汝德數(shù)的物理意義；斷面比能及比能曲線的特性；臨界水深計(jì)算及實(shí)例；緩坡、陡坡和臨界坡度；明渠非均勻漸變流的微分方程式：基本方程式、水深、斷面比能和水位沿程變化的微分方程；棱柱體渠道恒定漸變流水面曲線的分析；棱柱體及非棱柱體渠道水面曲線計(jì)算：逐段試算法；恒定非均勻流流量和糙率計(jì)算；河道水面曲線的計(jì)算：試算法和圖解法。(3)水躍棱柱體水平明渠水躍方程；水平明渠水躍共軛水深的計(jì)算；水躍方程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；棱柱體水平明渠水躍能量損失和躍長(zhǎng)的計(jì)算。*9、明渠非恒定流明渠非恒定流的特性和波的分類；明渠非恒定漸變流基本方程式：連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程；初始條件和邊界條件；明渠非恒定流的計(jì)算方法：特征線法和瞬態(tài)法；明渠非恒定急變流：波額流段的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，波額流量。10、堰流和閘孔出流堰流類型：薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰；堰流的基本公式；薄壁堰、實(shí)用堰和寬頂堰的水力計(jì)算，流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、流速系數(shù)和淹沒(méi)系數(shù)，實(shí)用堰剖面設(shè)計(jì)原則簡(jiǎn)介；閘孔出流的水力計(jì)算：底坎為寬頂堰型和曲線型實(shí)用堰的閘孔出流。11、泄水建筑物下游水流銜接和消能(1)底流式消能的水力計(jì)算，溢流壩下游收縮斷面水深的計(jì)算，降低護(hù)坦及建消能壩形成消能池的水力計(jì)算；A(2)挑流式消能的水力計(jì)算：A⑶面流消能及消能戽消能水流特性簡(jiǎn)介。12、液體運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)理論流場(chǎng)、速度、加速度；流線、跡線及其微分方程；液體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)的基本形式：平移、線變形、角變形和旋轉(zhuǎn)；

無(wú)渦流、有渦流、速度環(huán)量和渦通量；液體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程式；理想液體運(yùn)動(dòng)微分方程式及其積分，動(dòng)水壓強(qiáng)特性，歐拉方程式，葛羅米柯方程式及其積分；實(shí)際液體運(yùn)動(dòng)微分方程式：納維埃一斯托克斯方程；邊界層概念。13、恒定平面勢(shì)流恒定平面勢(shì)流的流速勢(shì)及流函數(shù)；流網(wǎng)法解平面勢(shì)流：流網(wǎng)原理，流網(wǎng)的繪制和應(yīng)用。14、滲流滲流基本概念和滲流模型；達(dá)西定律及其應(yīng)用條件，滲透系數(shù)；恒定均勻滲流和非均勻漸變滲流，杜比公式；棱柱體地下河槽恒定漸變流浸潤(rùn)線的分析和計(jì)算；普通井及井群滲流計(jì)算；滲流場(chǎng)的基本微分方程式及其解法簡(jiǎn)介；用流網(wǎng)法解平面滲流；水電比擬法繪流網(wǎng)。注：有符號(hào)A者，水工、農(nóng)水、施工講，水文、水資源、給排水不講；有符號(hào)*者，水文、水資源講，水工、農(nóng)水、施工、給排水不講。三.習(xí)題、實(shí)驗(yàn)及學(xué)習(xí)分配(一)習(xí)題作業(yè)習(xí)題作業(yè)的基本要求是： 鞏固和加深理解所學(xué)的基本概念和基本理論，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，提高計(jì)算技能，實(shí)際的一個(gè)途徑。習(xí)題包括思考題和計(jì)算題。培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和獨(dú)自獲取知識(shí)的能力。習(xí)題作業(yè)也是理論聯(lián)系培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和獨(dú)自獲取知識(shí)的能力。習(xí)題作業(yè)也是理論聯(lián)系習(xí)題作業(yè)應(yīng)與講課密切配合。講課中講解必要的例題，課后布置習(xí)題作業(yè)，利用課外時(shí)間完成。輔導(dǎo)課可用來(lái)分析總結(jié)習(xí)題中的錯(cuò)誤和問(wèn)題，在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行課堂討論，解決有關(guān)要領(lǐng)或原理中的疑難問(wèn)題。水力學(xué)課外學(xué)時(shí)為課內(nèi)學(xué)時(shí)的1.5倍，除了復(fù)習(xí)、閱讀參考書(shū)外，可用來(lái)完成習(xí)題作業(yè)。完成習(xí)題作業(yè)的數(shù)量為130~200題，針對(duì)具體情況，可以布置必作題和選作題，既要避免學(xué)生負(fù)擔(dān)過(guò)重，又要做到因材施教，使能力較強(qiáng)的學(xué)生獲得較多的訓(xùn)練。水文、水資源學(xué)生應(yīng)作明渠非恒定流大作業(yè)課外習(xí)題作業(yè)，按課程內(nèi)容的分配，見(jiàn)下表：表1各章習(xí)題分布表課程內(nèi)容習(xí)題數(shù)課程內(nèi)容習(xí)題數(shù)1.緒論4~68,明渠恒定水流20~322.水靜力學(xué)15~229,明渠非恒定流1~23,水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)18~3010.堰流和閘孔出流10~154.量綱分析和相似原理4~611,泄水建筑物下游水流銜接和消能5~85,液流型態(tài)和水頭損失14~2012.液體運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)理論14~206,恒定有壓管流10~1513.恒定平面勢(shì)流4~67,非恒定有壓管流5~814,滲流6~10習(xí)題數(shù)總計(jì)130~200注:有*號(hào)者為大作業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課考試記分，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)和課程內(nèi)容緊密銜接。實(shí)驗(yàn)的基本要求是：觀察水流現(xiàn)象，驗(yàn)證所學(xué)理論，使學(xué)生掌握進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)的方法和操作技能，訓(xùn)練學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)資料，編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)格的科學(xué)作風(fēng)。實(shí)驗(yàn)包括演示實(shí)驗(yàn)和量測(cè)實(shí)驗(yàn)兩種。在條件允許的情況下，可增加一些演示實(shí)驗(yàn)，以增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，也可組織學(xué)生參觀國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)設(shè)備，擴(kuò)大視野。每個(gè)操作實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生2~4人一組，使每個(gè)學(xué)生都有動(dòng)手進(jìn)行操作，觀測(cè)水流現(xiàn)象的機(jī)會(huì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要求用微機(jī)處理、學(xué)生能獨(dú)立整理分析實(shí)驗(yàn)成果，受到實(shí)驗(yàn)技能的基本訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)20~25學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）操作實(shí)驗(yàn)靜水壓強(qiáng)測(cè)定；能量方程的驗(yàn)證；文丘里管流量系數(shù)測(cè)定；動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；管流沿程阻力實(shí)驗(yàn)；管流局部阻力實(shí)驗(yàn)；明渠斷面流速分布測(cè)定；薄壁堰流量系數(shù)的測(cè)定；滲流的電擬法實(shí)驗(yàn)。（2）演示實(shí)驗(yàn)流線演示；超聲波（或激光）測(cè)流速表演；雷諾實(shí)驗(yàn)；水面曲線演示實(shí)驗(yàn)；水躍及建筑物下游水流銜接現(xiàn)象的觀測(cè)；邊界層現(xiàn)象觀測(cè)。學(xué)時(shí)分配水工（農(nóng)水等）講課（包括習(xí)題課） 100~116學(xué)時(shí)水文講課 97~112學(xué)時(shí)習(xí)題課可納入講課中不單獨(dú)進(jìn)行。10.堰流和閘孔出流7~87~811.泄水建筑物下游水流銜接和消能6~84~50~212.液體運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)理論8~108~1013.恒定平面勢(shì)流2214.滲流6~86~8總計(jì)94~11089~1046~8四．課程的基本要求及教材（一）課程的基本要求學(xué)生完成課程后，達(dá)到的基本要求是：具有一定的理論基礎(chǔ)（1）正確區(qū)分流動(dòng)類型、流動(dòng)形態(tài)和局部流動(dòng)現(xiàn)象、了解它們的聯(lián)系，明確產(chǎn)生這些現(xiàn)象的場(chǎng)合及相互轉(zhuǎn)化的條件，如恒定流和非恒定流，均勻流和非均勻流，漸變流和急變流，一元流、二元流和三元流，層流和紊流，急流、緩流和臨界流,水躍;（2）正確理解水力學(xué)中一些基本概念和物理意義，如液體質(zhì)點(diǎn)、連續(xù)介質(zhì)、粘滯性、牛頓內(nèi)摩擦定律、壓強(qiáng)、等壓面、水頭、歐拉法與拉格朗日法、流線和跡線、水力要素、流量和斷面平均流速、液體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)的基本形式、勢(shì)流和渦流、流速勢(shì)、流函數(shù)和流網(wǎng)、量綱和單位、佛汝德數(shù)、雷諾數(shù)、瞬時(shí)值、時(shí)均值和脈動(dòng)值、混合長(zhǎng)度、邊界層、粘性底層、水力光滑和水力粗糙、糙率、正常水深、臨界水深、比能、臨界底坡、流速系數(shù)、收縮系數(shù)、流量系數(shù)和淹沒(méi)系數(shù)；（3）了解水流能量轉(zhuǎn)化和能量損失的原因，明確水流沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)的物理意義，掌握影響阻力系數(shù)的因素及確定阻力系數(shù)和水頭損失的途徑和方法；（4）正確掌握水流運(yùn)動(dòng)的總流分析法，對(duì)水力學(xué)三大基本方程的物理意義有正確的理解并能應(yīng)用三大基本方程求解實(shí)際問(wèn)題，對(duì)微分方程求解流場(chǎng)的方法只作一般的了解，初步掌握用流網(wǎng)法求解平面勢(shì)流問(wèn)題。對(duì)工程中與專業(yè)有關(guān)的水力學(xué)問(wèn)題，具有正確進(jìn)行分析和計(jì)算的能力（1）水力荷載的確定。會(huì)計(jì)算平面、曲面上靜水壓力，會(huì)應(yīng)用動(dòng)量方程求運(yùn)動(dòng)水流對(duì)邊壁的總作用力；(2)過(guò)流能力的確定。會(huì)計(jì)算管道、明渠和堰閘的泄流量和選擇斷面尺寸；(3)各種水頭損失的分析和計(jì)算；(4)常見(jiàn)工程水力學(xué)問(wèn)題的綜合分析計(jì)算，如引水系統(tǒng)的水力計(jì)算，河渠水面曲線的分析和計(jì)算，銜接與消能計(jì)算，滲流計(jì)算等。掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能掌握量測(cè)水位、流量、流速、壓強(qiáng)的方法和技能，了解現(xiàn)代量測(cè)技術(shù)，具有觀測(cè)水力現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和編寫(xiě)報(bào)告的能力。加強(qiáng)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，注意對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，主要培養(yǎng)學(xué)生具有獨(dú)自獲取知識(shí)的能力，靈活應(yīng)用知識(shí)的能力，以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為今后進(jìn)行探索、開(kāi)