水力学知识点讲解[2].docx

水力学学习指南 中心播送电视高校水利水电工程专业(专科) 同学们，你们好！这学期我们学习的水力学是水利水电工程专业重要的技术根底课程。通过本课程的学习，要求大家驾驭水流运动的根本概念, 根本理论和分析方法，；能够分析水利工程中一般的水流现象；学会常见的工程水力计算。今日直播课堂的任务是给大家进展一个回忆性总结，使同学们在复习水力学时，了解重点和难点，同时全面系统的复习总结课程内容，到达考核要求。第一章绪 论(一)液体的主要物理性质 1惯性与重力特性：驾驭水的密度和容重；2粘滞性：液体的粘滞性是液体在流淌中产生能量损失的根本缘由。描述液体内部的粘滞力规律的是牛顿内摩擦定律 : 留意牛顿内摩擦定律适用范围：1)牛顿流体， 2)层流运动3可压缩性：在探讨水击时须要考虑。4外表张力特性：进展模型试验时须要考虑。下面我们介绍水力学的两个根本假设：(二)连续介质和志向液体假设1 连续介质：液体是由液体质点组成的连续体,可以用连续函数描述液体运动的物理量。2 志向液体：忽视粘滞性的液体。三作用在液体上的两类作用力第二章水静力学 水静力学包括静水压强和静水总压力两局部内容。通过静水压强和静水总压力的计算，我们可以求作用在建筑物上的静水荷载。一静水压强：主要驾驭静水压强特性,等压面,水头的概念，以及静水压强的计算和不同表示方法。1静水压强的两个特性： 1静水压强的方向垂直且指向受压面 2静水压强的大小仅与该点坐标有关，与受压面方向无关，2.等压面与连通器原理：在只受重力作用,连通的同种液体内, 等压面是水平面。(它是静水压强计算和测量的依据3重力作用下静水压强根本公式水静力学根本公式 0+h 或 其中 ： z位置水头，压强水头 测压管水头请留意，“水头表示单位重量液体含有的能量。4压强的三种表示方法：肯定压强p，相对压强p， 真空度, 它们之间的关系为： p p当p0时存在 相对压强h,可以是正值，也可以是负值。要求驾驭肯定压强, 相对压强和真空度三者的概念和它们之间的转换关系。 1(工程大气压)=980002=982下面我们探讨静水总压力的计算。计算静水总压力包括求力的大小, 方向和作用点，受压面可以分为平面和曲面两类。依据平面的形态：对规那么的矩形平面可采纳图解法，随意形态的平面都可以用解析法进展计算。一静水总压力的计算1)平面壁静水总压力1图解法：大小：b, 静水压强分布图面积方向：垂直并指向受压平面作用线：过压强分布图的形心，作用点位于对称轴上。 静水压强分布图是依据静水压强与水深成正比关系绘制的，只要用比例线段分别画出平面上俩点的静水压强，把它们端点联系起来，就是静水压强分布图。2解析法：大小：, 形心处压强 方向：垂直并指向受压平面 作用点D：通常作用点位于对称轴上，在平面的几何中心之下。求作用在曲面上的静水总压力P，是分别求它们的水平分力和铅垂分力，然后再合成总压力P。3曲面壁静水总压力1水平分力：水平分力就是曲面在铅垂面上投影平面的静水总压力，它等于该投影平面形心点的压强乘以投影面面积。要求能够绘制水平分力的压强分布图，即曲面在铅垂面上投影平面的静水压强分布图。2铅垂分力：V 压力体体积。在求铅垂分力时,要绘制压力体剖面图。压力体是由自由液面或其延长面,受压曲面以及过曲面边缘的铅垂平面这三局部围成的体积。当压力体与受压面在曲面的同侧，那么铅垂分力的方向向下；当压力体与受压面在曲面的两侧，那么铅垂分力的方向向上。3合力方向： 下面我们举例来说明作用在曲面上的压力体和静水总压力。 例5图示容器左侧由宽度为b的直立平面和半径为R的1/4圆弧曲面组成。容器内装满水，试绘出 的压强分布图和曲面上的压力体剖面图及水平分力的压强分布图，并判别铅垂作用力的方向, 铅垂作用力大小如何计算？ 解：(1)对 平面，压强分布如下图。总压力1/2H2b； (2)对曲面，水平分力的压强分布如下图，水平分力1/2：压力体是由受压曲面, 过受压曲面周界作的铅垂面, 向上或向下与自由外表或它的延长面相交围成的体积。因此，以1/4圆弧面为底闪动 曲面，以曲面两端点向上作铅垂线，与水面线相交，围成压力体。由于与水接触的受压面与压力体在曲面的同一侧，因此铅垂作用力的方向是向下的。铅垂方向作用力的大小： ()1/4R2 b 第三章 液体运动根本概念和根本方程这一章主要驾驭液体运动的根本概念和根本方程，并且应用这些根本方程解决实际工程问题。下面我们首先介绍有关液体运动的根本概念：一液体运动的根本概念1.流线的特点:反映液体运动趋势的图线 。 流线的性质:流线不能相交；流线不能转折。2 .流淌的分类 液流 非恒定流 匀称流:过水断面上 恒定流 非匀称流 渐变流 急变流 在匀称流和渐变流过水断面上，压强分布满意：另外断面平均流速和流量的概念要搞清。二液体运动根本方程1. 恒定总流连续方程 v 1A1= v 2A2 , 利用连续方程，流量可以求断面平均流速，或者通过两断面间的几何关系求断面平均流速。 2. 恒定总流能量方程 水力坡度 ，表示单位长度流程上的水头损失。 能量方程是应用最广泛的方程，能量方程中的最终一项为哪一项单位重量液体从1断面流到2断面的平均水头损失，在第四章特地探讨它的变更规律和计算方法， 1能量方程应用条件： 恒定流，只有重力作用，不行压缩 渐变流断面，无流量和能量的出入2能量方程应用考前须知: 三选：选择统一基准面便于计算 选典型点计算测压管水头 : 选计算断面使未知量尽可能少 压强计算采纳统一标准 3能量方程的应用：它常常与连续方程联解求 ：断面平均流速，管道压强，作用水头等。文丘里流量计是利用能量方程确定管道流量的仪器。毕托管那么是利用能量方程确定明渠水槽流速的仪器。当我们须要求解水流与固体边界之间的作用力时，必须要用到动量方程。3.恒定总流淌量方程 Q2 v 21 v 1x 投影形式 Q2 v 2y -1 v 1y Q2 v 2z -1 v 1z式中：, , 是作用在限制体上全部外力沿各坐标轴重量的合力，V12i是进口和出口断面上平均流速在各坐标轴上投影的重量。动量方程的应用条件与能量方程相像，恒定流和计算断面应位于渐变流段。应用动量方程特殊要留意下面几个问题： (2)动量方程应用考前须知：a) 动量方程是矢量方程，要建立坐标系。所建坐标系应使投影重量越多等于0为好，这样可以简化计算过程。b)流速和力矢量的投影带正负号。当投影重量与坐标方向一样为正，反之为负c)流出动量减去流入动量。 d)正确分析作用在水体上的力， 一般有重力, 压力和边界作用力(作用在水体上的力通常有重力, 压力和边界作用力) e)未知力的方向可以随意假设。计算结果为正表示假设正确，否那么假设方向与实际相反 通常动量方程须要与能量方程和连续方程联合求解。 下面我们举例说明液体动量方程的应用： 例3 水平床面河道上设一弧形闸门，闸前渐变流断面1的水深为H，闸下收缩断面2的水深，闸门段水头损失为1断面流速水头的1.2倍，求水流对弧形闸门的作用力F？解：依据题意，求水流对边界的作用力，明显要应用动量方程求解，由于流速流量未知，首先要利用连续方程和能量方程把动量方程中的所需的流速v, 流量Q计算出来。 解：1连续方程 2能量方程求p2 建立11，22断面的能量方程 取1=2=1.0 1A11×B×H 3用动量方程求水流对弧形闸门的作用力取包括闸门段水体进展示力分析，建立图示坐标，因水体仅在X 方向有当动量变更，故设闸门对水体的反作用力为水平力，方向如下图，作用在水体上的重力沿x方向为零 x方向的动量方程： P1- P2- =Q (v21) P1 - P2 -Q (v21)对于所取的两渐变流断面：P1=1/2H2B； P2=1/22B 水流对弧形闸门的作用力F与大小相等，方向相反，作用在水体上) 下面我们简洁介绍液体运动三元流分析的根底。三三元流分析的根底*不做考试要求液体微团运动的根本形式： 平移, 线变形, 角变形, 旋转2. 有旋流淌与无旋流淌的区分。当0，为无旋流淌或称有势流淌。满意无旋条件： =0存在势函数满意连续方程： 0 第四章 流态与水头损失 在探讨恒定总流能量方程时我们曾经介绍过，水头损失是特别困难的一项内容，我们将就探讨水头损失以及与水头损失有关的液体的流态。 一水头损失的计算方法1. 总水头损失： + （1） 沿程水头损失：达西公式 圆管 沿程水头损失系数 R水力半径 圆管 （2） 局部水头损失 局部水头损失系数从沿程水头损失的达西公式可以知道，要计算沿程水头损失，关键在于确定沿程水头损失系数。而值的确定与水流的流态和边界的粗糙程度亲密相关。 下面我们就首先探讨液体的流态。二液体的两种流态和判别 (1)液体的两种流态：雷诺试验 层流 液体质点相互不混掺的层状流淌。 V1.0 紊流 存在涡体质点相互混掺的流淌。 V1.75-2 当流速比拟小的时候，各流层的液体质点相互不混掺，定义为层流。当流速比拟大的时候，各流层内存在涡体，并且流层间的质点相互混掺，定义为紊流。那么液体的流态怎样进展判别呢？(2).流态的判别：雷诺数， 明槽： 500 圆管： 2000 流态的判别的概化条件： 层流 ； 紊流判别水流流态的雷诺数是重要的无量纲数，它的物理意义表示惯性力与粘滞力的比值。 3. 圆管层流流淌(1)断面流速分布特点 ：抛物型分布，不匀称：(2) 沿程阻力系数： 层流流淌的沿程水头损失系数只是雷诺数的函数，而且与雷诺数成反比。那么紊流中是怎么计算的呢？首先要了解一下紊流的特性。4. 紊流运动特性1紊流的特征液层间质点混掺，运动要素的脉动2紊流内部存在附加切应力：3紊流边界有三种状态： 紊流中：当较小 0.3 水力光滑 当较大 6 水力粗糙； 当介于两者之间 过渡区 4紊流流速分布 紊流流速分布比层流流速分布更加匀称对数流速分布 指数流速分数 当 105 1/7 通过尼古拉兹试验探讨发觉紊流三个流区内的沿程水力摩擦系数的变更规律。5. 的变更规律 尼古拉兹试验 人工粗糙管 层流区： 1()= 光滑区：= f2 () 紊流区： 过渡区：= 粗糙区：= 紊流粗糙区也称为紊流阻力平方区，沿程水力摩擦系数与雷诺数无关，所以沿程水头损失与流速成正比。与雷诺试验结果一样。在实际水利工程中常用舍齐公式和曼宁公式计算流速或沿程水头损失，须要驾驭。 6. 舍齐公式与曼宁公式 舍齐公式： 曼宁公式： 适用：紊流阻力平方区 通常水头损失计算常用： 第五章 有压管流一有压管道恒定流1 小孔口恒定出流：自由出流 沉没出流 z 上下游水位差。1. 管嘴恒定出流流量公式： 管嘴流量系数 =0.82 工作条件：34d 管嘴与孔口相比，收缩断面CC处存在负压，所以同样条件下，管嘴的流量系数大，说明其过流实力大。二简洁管道水力计算（1） 短管和长管（2） 管流的计算任务： a求过流实力Q b) 确定作用水头H c) 测压管水头线和总水头线的绘制。 (3) 短管水力计算自由出流流量公式： 流量系数： b)沉没出流公式： 4长管水力计算:特点： 忽视不计根本公式： 流量模数 5水头线绘制考前须知：1局部水头损失集中在一个断面2管中流速不变，总水头线平行于测压管水头线（3） 总水头线总是下降，而测压管水头线可升可降（4） 当测压管水头线在管轴线位置水头线以下，表示该处存在负压（5） 留意出口的流速水头自由出流或局部损失沉没出流。下面我们举例说明简洁管道的水力计算方法。 例1：倒虹吸管，Q =0.5m3，管径0.530.014，70m，上下游的流速水头忽视不计，进口=0.4，弯=0.2，出口=1.0。求：上下游水位差z。 解： 三管道非恒定流水击 1 水击现象： 画图 水击定义：当阀门突然启闭，流速急剧变更引起水流压强大幅度升降，向上游或下游传播，并在边界上反射的现象。水击压强以压力波的形式向上游或下游传播2水击的波速和相长水击波速相长相长是水击波传播一个来回的时间，L是管长周期3水击分类：1干脆水击 T (从边界反射减压波尚未回到阀门处，阀门已关闭，水击压强到达最大值)2间接水击T 与上反之4干脆水击压强计算：因此在水利工程中的水轮机, 泵站的压力管道设计中，必需特别重视水击的影响，防止发生水击破坏。延长闸门的关闭时间和缩短压力管道的长度，使管道内产生间接水击是降低水击压强的有效措施。第六章 明槽水流运动明渠水流主要探讨四局部内容：1. 明渠匀称流水力计算；2. 明渠水流流态的判别；3.水跃及水跃共轭水深计算；4. 明渠非匀称流水面曲线分析和计算。一明槽匀称流1. 匀称流特征： 1水深，底坡沿程不变 过水断面形态尺寸不变 2断面平均流速沿程不变 3三线平行J = i (总水头线, 水面线, 渠底)2. 匀称流形成条件： 恒定流，长直棱柱体渠道，正坡渠道，糙率沿程不变3.明槽匀称流公式： Q = V A 流量模数4. 明槽匀称流水力计算类型：（1） 求流量Q （2） 求渠道糙率n （3） 求渠道底坡： （4） 设计渠道断面尺寸求正常水深h0, 底宽b 对于以上问题都可以干脆依据明渠匀称流公式进展计算。 (二)明槽水流的流态和判别1. 明槽水流三种流态： 缓流 急流 临界流 在这里我们要留意把明槽水流的三种流态与前面探讨过的层流, 紊流区分开来。缓流, 急流, 临界流是对有自由外表的明槽水流的分类；层流, 紊流的分类是对全部水流包括管流和明槽水流都适用； 2. 明槽水流流态的判别：判别指标， 匀称流缓流V < 1h>i 急流V > 1h<i > 临界流V = = 1i = 3. 佛汝德数： 佛汝德数是水力学中重要的无量纲数，它表示惯性力与重力的比照关系，与雷诺数一样也是模型试验中的重要的相像准数，雷诺数表示惯性力与粘滞力的比照关系。3断面比能： 0 缓流 0 急流 =0 临界流 断面比能是以过明渠断面最低点的水平面为基准的单位重量水体具有的总机械能。须要留意，。不同断面的断面比能，它的基准面是不同的，所以断面比能沿流程可以削减，也可以增加或不变，匀称流各断面的断面比能就是常数。4临界流方程： (一般断面 临界水深： 矩形断面 留意： 临界水深是流量给定时，相应于断面比能最小值时的水深。 5临界底坡 ：匀称临界流时的底坡。 i = ， 须要强调，缓坡上假如出现非匀称流，那么缓流, 急流都可以发生。对于陡坡也同样如此。 下面举例说明流态的判别：三水跃和跌水 1. 跌水：由缓流向急流过渡。水深从大于临界水深变为小于临界水深，常发生在跌坎和缓坡向陡坡过渡的地方。 2水跃：由急流向缓流过渡产生的水力突变现象。 水平矩形断面明渠水跃：1水跃方程： Jh1h22共轭水深公式： 和3水跃长度 = 6.9 ( h2 - h1) 例3 矩形渠道 0.0007， 2m， 0.0248，当h0=1.5m时，求渠内流量Q和流态？ 解这是求渠道过流实力的问题首先计算明渠断面几何参数。 面积 3m2 湿周 ：25 m 水力半径0.6m代入明渠匀称流公式： 2.28m3 ( 即该渠道能通过流量 ) 0.76 ，0.198<1.0,故为缓流q20.467m<1.5m, 故为缓流例4：平板闸门局部开启，Q = 20.4m3，出闸水深h1 = 0.62m，b = 5m。下游水深2.0m，是否发生水跃？假设在h1处发生水跃，求跃后水深h2和水跃形式。解 首先推断出闸水流的流态 单宽流量 取= 1.0 h1 是急流 h1 = 0.62 mh2>h t,所以为远驱式水跃。四明槽恒定非匀称流特征（1） h沿流程变更（2） v沿流程变更 ；（3） 水面线不平行于渠底， i水面线不再是平行于渠底的一条直线。五棱柱体明槽恒定非匀称流水面曲线分析1 根本方程： 表示沿流程水深的变更规律2.水面曲线分类： 壅水曲线 水深沿流程增加 降水曲线水深沿流程减小2 底坡分类： i 缓坡i 0 正坡 临界坡 i陡坡 i =0 平坡 i0逆坡3 两条水深限制线 1i0，存在线正常水深h。限制线2各种底坡都存在线临界水深限制线，沿程不变3线与线划分12个流区。2条水深线把5种底坡上的流淌空间划分为12个流区，每个流区有一条水面曲线，共有12条不同类型的水面曲线，他们的变更规律总结如下： （1） 每个流区只出现一种水面线（2） a, c为壅水曲线，b为降水曲线（3） 接近线趋于正交；发生跌水或水跃接近线趋于渐近除a3, c3线（4） 限制断面：急流在下游 ，缓流在上游 5正坡长渠道无干扰的远端趋于匀称流4 水面线连接的规律（1） 缓流向急流过渡产生跌水（2） 急流向缓流过渡产生水跃（3） 缓流 缓流，只影响上游（4） 急流 急流，只影响下游6.水面曲线分析实例:例1:缓坡连接缓坡,后接跌坎(i1i2)(a1线和N2线后出现并且加粗) 图示缓坡接缓坡,( i1i2)上游来流为匀称流,下游也趋向于匀称流,从N1线要与N2线连接。依据水面线连接的原那么，缓坡连接缓坡影响上游段，即上游形成a1型壅水曲线。从另一角度分析假设在下游坡从N1到N2，那么在b1区发生壅水曲线，这是不行能的。此例也说明底坡变更将产生非匀称流。例2：陡坡连接缓坡：分析：水深从陡坡h1转入缓坡h2，水面线必为壅水曲线。然而，无论在陡坡b2和缓坡b1区均不发生壅水，这就是从急流到缓流必定发生水跃，水跃的位置有三种状况，需依据共轭水深条件经计算确定。下面我们介绍恒定非匀称流水面曲线的计算。(六)恒定非匀称流水面曲线计算 1 根本方程分段求和法： 差分方程差分方程用平均水力坡度代替某点的水力坡度。2计算步骤(1)定性分析棱柱体渠道水面线确定壅水或降水，非棱柱体不用分析(2)确定限制断面水深 急流向下游，缓流向上游计算(3)设相邻断面水深，取0.10.3m(把渠道分成假设干断面)第七章 泄水建筑物水流问题一堰流和闸孔出流图示堰流和闸孔出口，堰和闸通常是一体的。当闸门对水流不限制时，这就是堰流。当闸门从上面对水流限制，这就是闸孔出流。1 堰闸出流的区分：堰流和闸流的判别： 0.65堰流 0.75堰流 2.堰流: 1) 堰流根本公式: 依据能量方程可以导出 m流量系数与堰型, 进口尺寸, 堰高P，及水头H有关1侧收缩系数与堰型, 边壁条件, 沉没程度, 水头H，孔宽, 孔数有关s沉没系数与水头H和下游水深有关2三种堰型：薄壁堰：测流好用堰：堰特点： 0.502 (H变更，相应m也变更)宽顶堰: =0.385，沉没堰流的水流特性，沉没条件： 0.8,s1 图3)计算任务：(1)确定过流实力Q：(2)确定流量系数m:(3)确定眼堰顶水头H0： 3.闸孔出流：(闸门形式可以分成平板闸门和弧形闸门，出图)(1) 水流特征：收缩断面水深 (2) 根本公式 流量系数闸门形式，闸底坎形式沉没系数，出现远离或临界水跃时，=1。下面举例说明闸孔出流计算.例:(矩形渠道中修建)单孔平板闸门361.5m,下游水深3.6m,求:通过的流量。解：1不考虑沉没影响 =0.250.65 (图缩小放此屏后侧)闸孔出流 (宽顶堰上平板闸门)由于下游水深 =3.6m，是否沉没还须要推断 (2)推断沉没状况:当 查2=0.622 (收缩端面水深为) (求对应于的共轭水深,以判别是否沉没)2>自由出流。沉没系数1我们比拟一下堰流和闸孔出流的过流实力.堰流： 闸孔出流： 在同样的条件下，水头H的增加，堰流量要比闸孔通过的流量增加的快得多。所以在水利工程中常常利用堰刚好排放汛期的洪水。二水流连接水利工程中，从溢流坝, 泄洪陡槽, 闸孔, 跌坎等水工建筑物下泄的水流具有流速高, 动能大而且集中。因此我们必须要实行工程措施，消耗水流多余的能量，使下泄水流与下游河道能平顺地连接。否那么假如不实行工程措施，就会造成下游河床严峻的冲刷，影响水工建筑物的正常运行。水流连接形式 ： 沉没系数，它代表下游水深与收缩断面水深的共轭水深的比值。 1当 ：远驱水跃，j<1。从图中可知：远驱水跃在渠道中出现急流段，对河床冲刷实力强，不利于河床和建筑物的平安。 2当 ：临界水跃, ，1，。临界水跃特别不稳定，水流条件微小的变更，会使临界水跃变为其它形式的水跃。3当 沉没水跃 , j1 三水流消能依据上面的分析，我们可以知道，远驱水跃存在急流段对下游最为不利；临界水跃不稳定，简洁变为远驱水跃。对于沉没水跃，当沉没系数大于1.2时，也不利于消能。因此通常须要实行修建消力池等工程措施，形成沉没系数为1.051.10的沉没水跃与下游水流连接。1. 常用消能方式（1） 底流消能水跃消能 利用从急流到缓流产生水跃的猛烈翻腾的旋滚，消耗水流多余的能量，适用于中低水头和地质条件差的状况，在渠道中闸和跌坎的下游广泛应用（2） 挑流消能 在泄水建筑物末端修建跳坎，把下泄水流挑射到远离建筑物的地方，水流在空中跌落扩散，落入河道与水流碰撞，产生猛烈紊动混掺，消耗大量能量，多用于高水头和地质条件好的状况2. 底流消能 ：底流消能一般采纳消力池形式。 (1)消力池的类型:a) 降低护坦形成消力池b) 护坦末端修建消力坎c) 综合式消力池2.降低护坦消力池设计 1)消力池深d (依据图示的几何关系,消力池深d等于) a) j - 其中： 消能池通常也可以用下式估算池深d： j (2)消力池长度的计算 (由于消力池末端池壁的作用,消力池中水跃长度比自由水跃短) (0.70.8)(3)设计流量 池深设计流量( ) Q 池长设计流量 保证水跃不发生在池外 例1如图示水闸：闸前水深5m，开度1.25m,(下游水深)2.3m,求：1收缩断面水深 (2)判别是否要建消力池。3粗估消力池深