水力学知识点总结讲解.docx
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1、水力学学问点总结讲解水力学学问点总结讲解水力学学习指南央播送电视大学水利水电工程专业(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,要求大家把握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:把握水的密度 和容重;描 述 液 体 内 部 的 粘 滞 力 规 律 的 是 牛 顿 内 摩 擦 定 律 : 下面我
2、们介绍水力学的两个根本假设: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:1 / 41主要把握静水压强特性,等压面,水头的概念,以及静水压强的计算和不同表示方法。 (它是静水压强计算和测量的依据)p=p 0+h或其 : z 位置水头, p/压强水头(z+p/)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:确定压强 p,相对压强 p , 真空度 p v ,它们之间的关系为:p= p-p ap v =p(当 p 0 时p v 存在)相对压强:p=h,可以是正值 ,也可以是负值。要求把
3、握确定压强、相对压强和真空度三者的概念和它们之间的转换关系。1pa(工程大气压)=98000N/m 2=98KN/m 2下面我们争论静水总压力的计算。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。依据平面的外形: 对规章的矩形平面可承受图解法,任意外形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:P=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 。c pz =+dy du =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
4、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:P=p c A,p c 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 P x 和铅垂分力P z ,然后再合成总压力P 。(3) 曲面壁静水总压力1) 水平分力:P x =p c A x =h c A x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 P x 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:P z =V ,
5、V-压力体体积。在求铅垂分力 P z 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,则铅垂分力的方向向上。3合力方向:=arctg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 AB 和半径为 R 的 1/4 圆弧曲面BC 组成。容器内装满水,试绘出 AB 的压强分布图和 BC 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?(2)对曲面BC ,水平分力
6、的压强分布如下图, 水平分力P X =1/2H+(H+R )Rb :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 BC 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 BC 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:F z = V=(H+R)R -1/4R 2 b第三章 液体运动根本概念和根本方程这一章主要把握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
7、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 .流淌的分类非恒定流均匀流:过水断面上恒 定 流非 均 匀 流渐 变 流急变流在均匀流和渐变流过水断面上,压强分布满足: x z P P 液流 c p z =+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 1A 1= v 2A 2,Q=vA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J=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,能量方程的最终一项 h w 是单位重量液体从 1 断面流到
8、2 断面的平均水头损失,在第四章特地争论它的变化规律和计算方法,(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)能量方程应用留意事项: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( 压强计算承受统一标准)(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。 毕托管则是利用能量方程确定明渠(水槽)流速的仪器。当我们需要求解水流与固体边界之间的作用力时,必需要用到动量方程。3. 恒定总流动量方程F x =Q (2 v 2x -1 v 1x
9、)水力学学问点总结讲解投影形式F y =Q (2 v 2y -1 v 1y )F z =Q (2 v 2z -1 v 1z ) 动量修正系数,一般取=1.0式:F x 、F y 、F z 是作用在掌握体上全部外力沿各坐标轴重量的合力,V 1i ,V 2i 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。应用动量方程特别要留意下面几个问题:(2)动量方程应用留意事项: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
10、全都为正,反之为负)c) 流出动量减去流入动量。2112A A v v =w h g v p z g v p z +=+22222222111 1122-=Q F pz +d) 正确分析作用在水体上的力,7 / 41水力学学问点总结讲解一般有重力、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) 未知力的方向可以任意假设。 (计算结果为正表示假设正确,否则假设方向与实际相反) 通常动量方程需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 h c ,闸门段水头
11、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 p 2 (建立 11,22 断面的能量方程)取河床水平面为基准面,代表点选在水面,则 p 1=p 2=0,水头损失h w =1.2v 21/2g.取1=2=1.0Q=v 1A 1=V 1BH(3) 用动量方程求水流对弧形闸门的作用力10 / 41(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 方向有当动量变化,故设闸
12、门对水体的反作用力为水平力 R x ,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:P 1- P 2- R x =Q (v 2-v 1) R x = P 1 - P 2 -Q (v 2-v 1)对于所取的两渐变流断面:P 1=1/2H 2B ;P 2=1/2h c 2 B水流对弧形闸门的作用力 F 与 R x 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x =y =z =0,为无旋流淌或称有势流淌。3.平面势流的特点满足
13、无旋条件:=0存在势函数 1125)(v h H v v c=wh g v p z g v p z +=+2222 22221111)(22.2522.12250202312121c c h H g v gv g v h g v H - =+=+)(21y x u x y u z - =满足连续方程:0第四章 流态与水头损失在争论恒定总流能量方程时我们曾经介绍过,水头损失 h w 是格外简单的一项内容,我们将就争论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:h w = h f + h j (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
14、(2) 局部水头损失局部水头损失系数水力学学问点总结讲解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 值确实定与水流的流态和边界的粗糙程度亲热相关。下面我们就首先争论液体的流态。(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。h f V 1.0紊流 存在涡体质点相互混掺的流淌。h f V 1.75-2当流速比较小的时候 ,各流层的液体质点相互不混掺 ,定义为层流。当流速比较大的时候 ,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Re ,
15、明槽:Re k =500 圆管:,Re k =2023 流态的判别的概化条件:Re Re k紊流11 / 41水力学学问点总结讲解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,不均匀: (2) 沿程阻力系数:= yy u+ x x u g R l h f 242=vR e R =v d =Re v u 2max=Re 64=A R =g d l h f 22=4 d R =vR 4 =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 是怎么计算的呢?首先要了解一下紊流的特性。 4.
16、 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:当Re 较小6水力粗糙;当R e 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均匀) 对数流速分布指数流速分数当 Re T (与上反之) 4 直接水击压强计算:因此在水利工程的水轮机、泵站的压力管道设计,必需格外重视水击的影响,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争论四局部内容 :1. 明渠均匀流水力计算 ;2. 明渠水流流态的判别;3.水跃及水
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