水力學主要知識點

第一頁，共23頁。緒論〔一〕液體的主要物理性質1．慣性與重力特性2．粘滯性：液體的粘滯性是液體在流動中產生能量損失的根本原因.描繪液體內部的粘滯力規(guī)律的是牛頓內摩擦定律:3．可壓縮性。在研究水擊時需要考慮4．外表張力特性。進展模型試驗時需要考慮水力學的兩個根本假設：(二)連續(xù)介質和理想液體假設1.連續(xù)介質：液體是由液體質點組成的連續(xù)體,可以用連續(xù)函數(shù)描繪液體運動的物理量.2．理想液體：忽略粘滯性、可壓縮性的液體〔三〕作用在液體上的兩類作用力第二頁，共23頁。第1章水靜力學水靜力學包括靜水壓強和靜水總壓力兩部分內容。通過靜水壓強和靜水總壓力的計算，可以求作用在建筑物上的靜水荷載。靜水壓強：主要掌握靜水壓強特性,等壓面,水頭的概念，以及靜水壓強的計算和不同表示方法.1．靜水壓強的兩個特性：〔1〕靜水壓強的方向垂直且指向受壓面〔2〕靜水壓強的大小僅與該點坐標有關，與受壓面方向無關，2.等壓面與連通器原理：在只受重力作用,連通的同種液體內,等壓面是程度面(它是靜水壓強計算和測量的根據(jù)〕3．重力作用下靜水壓強根本公式〔水靜力學根本公式〕p=p0+ρgh或

其中z—位置水頭，p/ρg—壓強水頭，z+p/ρg—測壓管水頭請注意，“水頭〞表示單位重量液體含有的能量。第三頁，共23頁。可以是正值，也可以是負值。。計算靜水總壓力包括求力的大小、方向和作用點，受壓面可以分為平面和曲面兩類。根據(jù)平面的形狀：對規(guī)則的矩形平面可采用圖解法，任意形狀的平面都可以用解析法進展計算。4．壓強的三種表示方法：絕對壓強p′，相對壓強p，真空度pv,它們之間的關系為：p=p′-papv=│p│〔當p＜0時pv存在〕相對壓強:p=ρgh靜水總壓力的計算1)平面壁靜水總壓力圖解法：大小：P=Ωb,Ω--靜水壓強分布圖面積方向：垂直并指向受壓平面作用線：過壓強分布圖的形心，作用點位于對稱軸上。第四頁，共23頁。靜水壓強分布圖是根據(jù)靜水壓強與水深成正比關系繪制的，只要用比例線段分別畫出平面上兩點的靜水壓強，把它們端點聯(lián)絡起來，就是靜水壓強分布圖解析法：大小：P=pcA,pc—形心處壓強方向：垂直并指向受壓平面作用點D：通常作用點位于對稱軸上，在平面的幾何中心之下。(2)曲面壁靜水總壓力程度分力：Px=pcAx=ρghcAx程度分力就是曲面在鉛垂面上投影平面的靜水總壓力，它等于該投影平面形心點的壓強乘以投影面面積。第五頁，共23頁。鉛垂分力：Pz=ρgV,V---壓力體體積.在求鉛垂分力Pz時,要繪制壓力體剖面圖。壓力體是由自由液面或其延長面,受壓曲面以及過曲面邊緣的鉛垂平面這三部分圍成的體積。當壓力體與受壓面在曲面的同側，則鉛垂分力的方向向下；當壓力體與受壓面在曲面的兩側，則鉛垂分力的方向向上.合力方向：α=arctg第六頁，共23頁。液流第2章液體運動的流束理論1.流線的特點:反映液體運動趨勢的圖線流線的特征:流線不能相交；恒定流流線形狀位置不變；恒定流跡線和流線重合。2.流動的分類:

非恒定流均勻流恒定流非均勻流漸變流在均勻流和漸變流過水斷面上，壓強分布滿足：〔二〕液體運動根本方程急變流1.恒定總流連續(xù)方程v1A1=v2A2,Q=vA利用連續(xù)方程，流量可以求斷面平均流速，或者通過兩斷面間的幾何關系求斷面平均流速。第七頁，共23頁。2.恒定總流能量方程

J=—水力坡度，表示單位長度流程上的水頭損失。能量方程是應用最廣泛的方程，能量方程中的最后一項hw是單位重量液體從1斷面流到2斷面的平均水頭損失〔1〕能量方程應用條件：恒定流，只有重力作用，不可壓縮漸變流斷面，無流量和能量的出入〔2〕能量方程應用本卷須知:三選：選擇統(tǒng)一基準面便于計算選典型點計算測壓管水頭:選計算斷面使未知量盡可能少〔壓強計算采用統(tǒng)一標準〕〔3〕能量方程的應用：它經(jīng)常與連續(xù)方程聯(lián)解求：斷面平均流速，管道壓強，作用水頭等。文丘里流量計是利用能量方程確定管道流量的儀器。畢托管則是利用能量方程確定明渠〔水槽〕流速的儀器。當需要求解水流與固體邊界之間的作用力時，必需要用到動量方程，第八頁，共23頁。3.恒定總流動量方程∑Fx=ρQ〔β2v2x-β1v1x〕投影形式∑Fy=ρQ〔β2v2y-β1v1y〕∑Fz=ρQ〔β2v2z-β1v1z〕β—動量修正系數(shù)，一般取式中：∑Fx、∑Fy、∑Fz是作用在控制體上所有外力沿各坐標軸分量的合力，V1i,V2i是進口和出口斷面上平均流速在各坐標軸上投影的分量。動量方程的應用條件與能量方程相似，恒定流和計算斷面應位于漸變流段。動量方程應用本卷須知：動量方程是矢量方程，要建立坐標系。〔所建坐標系應使投影分量越多等于0為好，這樣可以簡化計算過程。〕b)流速和力矢量的投影帶正負號。〔當投影分量與坐標方向一致為正，反之為負〕c)流出動量減去流入動量。第九頁，共23頁。d)正確分析作用在水體上的力，一般有重力、壓力和邊界作用力(作用在水體上的力通常有重力、壓力和邊界作用力)e)未知力的方向可以任意假設。〔計算結果為正表示假設正確，否則假設方向與實際相反〕通常動量方程需要與能量方程和連續(xù)方程結合求解。4.量綱分析第十頁，共23頁。第3章流態(tài)與水頭損失水頭損失以及與水頭損失有關的液體的流態(tài)。〔一〕水頭損失的計算方法總水頭損失：hw=∑hf+∑hj沿程水頭損失：

達西公式

圓管

λ—沿程水頭損失系數(shù)R—水力半徑圓管部分水頭損失ζ—部分水頭損失系數(shù)從沿程水頭損失的達西公式可以知道，要計算沿程水頭損失，關鍵在于確定沿程水頭損失系數(shù)λ。而λ值確實定與水流的流態(tài)和邊界的粗糙程度親密相關。第十一頁，共23頁。〔二〕液體的兩種流態(tài)和判別(1).液體的兩種流態(tài)：雷諾實驗層流—液體質點互相不混摻的層狀流動hf∝V紊流—存在渦體質點互相混摻的流動hf∝V1.75-2當流速比較小的時候，各流層的液體質點互相不混摻，定義為層流。當流速比較大的時候，各流層內存在渦體，并且流層間的質點互相混摻，定義為紊流。雷諾數(shù)物理意義，上、下臨界雷諾數(shù)的關系。(2).流態(tài)的判別：雷諾數(shù)Re，明渠：Rek=500

圓管：,Rek=2000第十二頁，共23頁。流態(tài)的判別的條件：Re＜Rek層流；Re＞Rek紊流判別水流流態(tài)的雷諾數(shù)是重要的無量綱數(shù)，它的物理意義表示慣性力與粘滯力的比值。3.圓管層流流動(1)斷面流速分布特點：拋物型分布，不均勻(2)沿程阻力系數(shù)： 層流流動的沿程水頭損失系數(shù)λ只是雷諾數(shù)的函數(shù)，而且與雷諾數(shù)成反比。4.紊流運動特性紊流的特征—液層間質點混摻，運動要素的脈動紊流內部存在附加切應力：紊流邊界有三種狀態(tài)：第十三頁，共23頁。紊流中：當Re較小＜0.3水力光滑當Re較大＞6水力粗糙；當Re介于兩者之間過渡區(qū)〔4〕紊流流速分布〔紊流流速分布比層流流速分布更加均勻〕對數(shù)流速分布指數(shù)流速分數(shù)當Re＜105n=1/7通過尼古拉茲實驗研究發(fā)現(xiàn)紊流三個流區(qū)內的沿程水力摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。第十四頁，共23頁。5.λ的變化規(guī)律尼古拉茲實驗〔人工粗糙管〕層流區(qū)：λ=f1(Re)=光滑區(qū)：λ=f2(Re)紊流區(qū)：過渡區(qū)：λ=粗糙區(qū)：λ=

紊流粗糙區(qū)也稱為紊流阻力平方區(qū)，沿程水力摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)無關，所以沿程水頭損失與流速成正比。與雷諾實驗結果一致。在實際水利工程中常用舍齊公式和曼寧公式計算流速或沿程水頭損失，需要掌握。6.謝齊公式與曼寧公式謝齊公式：曼寧公式：適用：紊流阻力平方區(qū)通常水頭損失計算常用：

第十五頁，共23頁。第4章有壓管中的恒定流1.有壓管道恒定流小孔口恒定出流：自由出流吞沒出流μ—流量系數(shù)，～z—上下游水位差。管嘴恒定出流流量公式：管嘴與孔口相比，收縮斷面C—C處存在負壓，所以同樣條件下，管嘴的流量系數(shù)大，說明其過流才能大。2.簡單管道水力計算短管和長管第十六頁，共23頁。管流的計算任務：a〕求過流才能Qb)確定作用水頭Hc)測壓管水頭線和總水頭線的繪制。短管水力計算自由出流流量公式：流量系數(shù)：吞沒出流公式：根本公式：—流量模數(shù)長管水力計算:特點：忽略不計第十七頁，共23頁。〔5〕水頭線繪制本卷須知：〔1〕部分水頭損失集中在一個斷面；〔2〕管中流速不變，總水頭線平行于測壓管水頭線；〔3〕總水頭線總是下降，而測壓管水頭線可升可降；〔4〕當測壓管水頭線在管軸線〔位置水頭線〕以下，表示該處存在負壓；〔5〕注意出口的流速水頭〔自由出流〕或部分損失〔吞沒出流〕。第十八頁，共23頁。第5章明渠恒定均勻流〔一〕明渠恒定均勻流1.均勻流特征：〔1〕水深，底坡沿程不變〔過水斷面形狀尺寸不變〕〔2〕斷面平均流速沿程不變〔3〕三線平行J=Jz=i(總水頭線、水面線、渠底)2.均勻流形成條件：恒定流，長直棱柱體渠道，正坡渠道，糙率沿程不變第6章明渠恒定非均勻流明渠水流的流態(tài)和判別1.明渠水流三種流態(tài)：緩流急流臨界流注意把明渠水流的三種流態(tài)與前面討論過的層流、紊流區(qū)分開來。緩流、急流、臨界流是對有自由外表的明渠水流的分類；層流、紊流的分類是對所有水流〔包括管流和明渠水流〕都適用；第十九頁，共23頁。2.明渠水流流態(tài)的判別：判別指標VwFrhk，ik

（均勻流）緩流V<VwFr＜1h>hki＜ik

急流V>VwFr＞1h<hki>ik

臨界流V=VwFr=1h=hki=ik

3.佛汝德數(shù)Fr：佛汝德數(shù)Fr是水力學中重要的無量綱數(shù)，它表示慣性力與重力的對比關系，與雷諾數(shù)一樣也是模型實驗中的重要的相似準數(shù)，雷諾數(shù)表示慣性力與粘滯力的比照關系。第二十頁，共23頁。第7章水躍水躍和水跌1.水跌：由緩流向急流過渡。水深從大于臨界水深hk變?yōu)樾∮谂R界水深，常發(fā)生在跌坎和緩坡向陡坡過渡的地方。2．水躍：由急