水力學(xué)復(fù)習(xí)資料匯總

第章

緒論

0.1水力學(xué)的任務(wù)與研究對象(了解)

水力學(xué)的任務(wù)是研究液體(只要是水)的平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用.水力學(xué)研究的基本規(guī)律有兩大主要組成部分:一是關(guān)于液體平衡的規(guī)律.它研究液體處于靜止或相對平衡狀態(tài)時(shí),作用于液體上各種力之間的關(guān)系,這一部分稱為水靜力學(xué);二是關(guān)于液體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,它研究液體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),作用于液體上的力與運(yùn)動(dòng)要素之間的關(guān)系,以及液體的運(yùn)動(dòng)特性與能量轉(zhuǎn)換等,這部分稱為水動(dòng)力學(xué).0.2液體的粘滯性(理想液體與實(shí)際液體最大的差別)

粘滯性

當(dāng)液體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),若液體質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng),則質(zhì)點(diǎn)間會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力來阻礙其相對運(yùn)動(dòng),液體的這種性質(zhì)就稱為粘滯性,產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力叫做粘滯力.0.3牛頓內(nèi)摩擦定律

當(dāng)液體做層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰液層之間在單位面積上作用的內(nèi)摩擦力(或粘滯力)的大小與速度梯度成正比,同時(shí)和液體的性質(zhì)有關(guān).即

.0.4牛頓內(nèi)摩擦定律的另一種表述(了解)P7

0.5運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)

它是動(dòng)力黏度系數(shù)與液體密度的比值,是表征液體粘滯性大小的物理量.其值是隨溫度的變化而變化的,即溫度越高,其值越小(液體的流動(dòng)性是隨溫度的升高而增強(qiáng)的)

0.6牛頓內(nèi)摩擦定律只適用于牛頓流體(符合牛頓內(nèi)摩擦定律的液體,其特點(diǎn)是溫度不變,動(dòng)力黏度系數(shù)就不變P8圖0.3)

0.7體積壓縮率

液體體積的相對縮小值與壓強(qiáng)的增大值之比.(水的壓縮性很小,一般不考慮)

0.8表面張力

表面張力是指液體自由表面上液體分子由于兩側(cè)引力不平衡,使其受到及其微小的拉力(表面張力僅存在于液體表面,液體內(nèi)部不存在,其值表示為自由面單位長度受到拉力的大小,并且隨液體種類和溫度的變化而變化,怎樣變化)

0.9毛細(xì)現(xiàn)象

在水力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常使用盛有水或水銀細(xì)玻璃管做測壓計(jì)，由于表面張力的影響使玻璃管中液面和與之向連通容器中的液面不在同一水平面上.這就是物理學(xué)中所講的毛細(xì)現(xiàn)象.0.10由實(shí)驗(yàn)得知,管的內(nèi)經(jīng)越小,毛細(xì)管升高值越大,所以實(shí)驗(yàn)用的測壓管內(nèi)徑不宜太小.P10圖0.4,0,5

0.11連續(xù)介質(zhì)

在水力學(xué)中,把液體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)看待,即假設(shè)液體是一種連續(xù)充滿其所占據(jù)空間毫無空隙的連續(xù)體.(水力學(xué)所研究的液體運(yùn)動(dòng)是連續(xù)介質(zhì)的連續(xù)流動(dòng),但實(shí)際上,從微觀角度來看,液體分子與分子之間是存在空隙的,但水力學(xué)研究的是液體的宏觀運(yùn)動(dòng),故將液體看作連續(xù)接介質(zhì))

0.12把液體看作連續(xù)介質(zhì)的意義

如果我們把液體看作連續(xù)介質(zhì),則液流中的一切物理量都可以視為空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù),這樣,在研究液體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),就可以運(yùn)用連續(xù)函數(shù)的分析方法.0.13理想液體

所謂理想液體,就是把液體看作絕對不可壓縮,不能膨脹,沒有粘滯性,沒有表面張力的連續(xù)介質(zhì).0.14表面力和質(zhì)量力

表面力

表面力是作用于液體的表面,并于受作用的的表面面積成比例的力.質(zhì)量力

質(zhì)量力是指通過所研究液體的每一部分質(zhì)量而作用與液體的,其大小和液體的質(zhì)量成比例的力(質(zhì)量力又稱體積力)

課后習(xí)題0.2

第一章

水靜力學(xué)

1.1液體在平衡狀態(tài)下.沒有內(nèi)摩擦力的存在,因此理想液體和實(shí)際液體都是一樣的,故在靜水中沒有區(qū)分的必要.1.2靜水壓力

靜止(或處于平衡狀態(tài))的液體作用在與之接觸的表面上的水壓力稱為靜水壓力,常以表示.1.3靜水壓強(qiáng)

取微小面積，令作用在上的靜水壓力為,則面上單位面積上所受的平均靜水壓力為稱為面上的平均靜水壓強(qiáng)，當(dāng)無限趨近與一點(diǎn)時(shí)，比值的極限值定義為該點(diǎn)的靜水壓強(qiáng).1.4靜水壓強(qiáng)的兩個(gè)重要特性

⑴靜水壓強(qiáng)的方向與受壓面垂直并指向受壓面(若不垂直,則必存在一個(gè)與液面平行的分力,這樣必會(huì)破壞液體的平衡狀態(tài);靜水壓強(qiáng)若不指向受壓面而是背向受壓面,則必會(huì)受到拉力,同樣不能保持平衡狀態(tài))

⑵作用在同一點(diǎn)上的靜水壓強(qiáng)相等(推導(dǎo)過程:在平衡液體內(nèi)分割出一塊無限小的四面體,傾斜面的方向任意選取,為簡單起見,建立如圖所示的坐標(biāo)系,讓四面體的三個(gè)棱邊與坐標(biāo)軸平行,并讓軸與重力方向平行,各棱邊長為,四面體四個(gè)表面上受有周圍液體的靜水壓力,因四個(gè)作用面的方向各不相同,如果能夠證明微小四面體無限縮小至一點(diǎn)時(shí),四個(gè)作用面上的靜水壓強(qiáng)都相等即可.令為作用在面上的靜水壓力,令為作用在面上的靜水壓力,令為作用在面上的靜水壓力,令為作用在面上的靜水壓力.又假定作用在四面體上單位質(zhì)量力在三個(gè)坐標(biāo)方向的投影為,則總質(zhì)量力在三個(gè)坐標(biāo)方向的投影分別為

…因?yàn)橐后w處于平衡狀態(tài),由力的平衡條件得:+若…以分別表示四面體四個(gè)面的面積,則…將上式都除以,并且有化簡可得,上式中分別表示面上的平均靜水壓強(qiáng)，如果微小四面體無限縮小至一點(diǎn)時(shí),均趨近于0,對上式取極限有,同理可證,故作用在同一點(diǎn)上的靜水壓強(qiáng)相等)

1.5等壓面

在平衡液體中可以找到這樣一些點(diǎn),他們具有相同的靜水壓力,這些點(diǎn)連成的面稱為等壓面(對于靜止的液體其等壓面是水平面,對于處于相對平衡的液體,其等壓面與自由液面平行,例如稱有液體的圓柱形容器繞桶軸做等角速度旋轉(zhuǎn),其等壓面就是拋物面)

1.6等壓面的兩個(gè)性質(zhì)

⑴在平衡液體中等壓面即為等勢面.⑵等壓面與質(zhì)量力正交.1.7絕對壓強(qiáng)和相對壓強(qiáng)

絕對壓強(qiáng)

以設(shè)想沒有大氣存在的絕對真空狀態(tài)作為零點(diǎn)計(jì)量的壓強(qiáng),稱為絕對壓強(qiáng).相對壓強(qiáng)

把當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤鳛榱泓c(diǎn)劑量的壓強(qiáng),稱為相對壓強(qiáng).1.8P29圖1.11中各字母表示的含義

1.9真空及真空度

真空

當(dāng)液體中某點(diǎn)的絕對壓強(qiáng)小于當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)，即相對壓強(qiáng)為負(fù)值時(shí)，就稱該點(diǎn)存在真空.真空度

真空度是指該點(diǎn)絕對壓強(qiáng)小于當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的數(shù)值.(例題1.4

1.5

.16)

1.10壓強(qiáng)的液柱表示法

1.11水頭與單位勢能

1.12液體的平衡微分方程式(歐拉平衡微分方程式)的推導(dǎo)過程P20,以及重力作用下靜水壓強(qiáng)的基本公式的推導(dǎo)過程P24.1.13壓強(qiáng)的測量(各種壓差計(jì)的計(jì)算)

計(jì)算中找等壓面須注意:①若為連續(xù)液體，高度相等的面即為等壓面.②若為不連續(xù)液體(如液體被閥門隔開或者一個(gè)水平面穿過了不同介質(zhì)，則高度相等的面不是等壓面③兩種液體的接觸面是等壓面.1.14作用于矩形平面上的靜水總壓力,為壓強(qiáng)分布圖面積.(壓力中心的位置:當(dāng)壓強(qiáng)為三角形分布時(shí),壓力中心離底部距離為

當(dāng)壓強(qiáng)分布為梯形分布時(shí)，壓力中心離底部距離為)

1.15作用于曲面上的靜水總壓力

分為水平方向和豎直方向計(jì)算,水平方向方法同作用于矩形平面上的靜水總壓力(將曲面投影在方向的圖形即為矩形，則=

為形心點(diǎn)處的壓強(qiáng)),豎直方向需畫出壓力體(壓力體包括六個(gè)面:曲面本身,自由液面或者其延長面,曲面四個(gè)邊延長至自由液面的四個(gè)面.這里注意自由液面必須是只受到大氣壓強(qiáng)作用的液面),則,其中為壓力體的體積.1.16幾種質(zhì)量力同時(shí)作用下的液體平衡

1.17作用于物體上的靜水總壓力,潛體與浮力的平衡及其穩(wěn)定性

第二章

液體運(yùn)動(dòng)的流束理論

2.1描述液體運(yùn)動(dòng)的兩種方法(拉格朗日法和歐拉法)P63

2.2流線和跡線

跡線

某一液體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中,不同時(shí)刻所流經(jīng)的空間點(diǎn)所連成的線稱為跡線,即跡線就是液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所走過的軌跡線

流線

它是某一瞬時(shí)在流場中繪出的一條曲線,在該曲線上所有點(diǎn)的速度向量都與該曲線相切,所以流線表示除了瞬間的流動(dòng)方向.流線的基本特性P67

2.3恒定流與非恒定流

恒定流

如果在流場中所有的運(yùn)動(dòng)要素都不隨時(shí)間而改變,這種水流稱為恒定流(也就是說,在恒定流的情況下,任一空間點(diǎn)上,無論哪個(gè)液體質(zhì)點(diǎn)通過,其運(yùn)動(dòng)要素都是不變的.運(yùn)動(dòng)要素僅僅是空間坐標(biāo)的函數(shù),而與時(shí)間無關(guān))

非恒定流

如果在流場中所有的運(yùn)動(dòng)要素都是隨時(shí)間而改變的這種水流稱為非恒定流.注：本章只研究恒定流.2.4流管

在水流中任意取一微分面積,通過該面積周界上的每一給點(diǎn),均可以作一根直線,這樣就構(gòu)成了一個(gè)封閉的管狀曲面,稱為流管.2.5微小流束

充滿以流管為邊界的一束液流稱為微小流束(按照流線不能相交的特性,微小流束內(nèi)的液體不會(huì)穿過流管的管壁向外流動(dòng),流管外的液體也不會(huì)穿過流管的管壁向流束內(nèi)流動(dòng),當(dāng)水流為恒定流時(shí),微小流束的形狀和位置不會(huì)隨時(shí)間而改變,在非恒定流中,微小流束的形狀和位置將隨時(shí)間而改變.微小流束的很橫斷面積是很小的,一般在其橫斷面上各點(diǎn)的流速或動(dòng)水壓強(qiáng)可看作是相等的)

2.6總流

任何一個(gè)實(shí)際水流都具有一定規(guī)模的邊界,這種有一定大小尺寸的實(shí)際水流稱為總流(總流可以看作由無限多個(gè)微小流束所組成)

2.7過水?dāng)嗝?/p>

與微小流束或總流的流線成正交的橫斷面稱為過水?dāng)嗝?2.8流量

2.9均勻流與非均勻流

均勻流

當(dāng)水流的流線為相互平行的直線時(shí),該水流稱為均勻流(直徑不變的管道中的水流就是均勻流的典型例子)

非均勻流

若水流的流線不是相互平行的直線時(shí),該水流稱為非均勻流.如果流線雖然相互平行但不是直線(如管徑不變的彎管中的水流)或者流線雖直線但不相互平行(如管徑沿程緩慢均勻擴(kuò)散或收縮的漸變管中的水流)都屬于非均勻流.2.10均勻流的特性

⑴均勻流的過水?dāng)嗝鏋槠矫?且過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽缪爻滩蛔儮凭鶆蛄髦?同一流線上不同點(diǎn)的流速相等⑶均勻流過水?dāng)嗝嫔系膭?dòng)水壓強(qiáng)分布規(guī)律與靜水壓分布規(guī)律相同

2.11均勻流過水?dāng)嗝嫔系膭?dòng)水壓強(qiáng)分布規(guī)律與靜水壓分布規(guī)律相同的推導(dǎo)過程

2.12漸變流和急變流

漸變流

當(dāng)水流的流線雖然不是相互平行的直線,但幾乎近于平行直線稱為漸變流

急變流

若水流的流線之間夾角很大或者流線的曲率半徑很小,這話水流稱為急變流.2.13恒定總流連續(xù)性方程的推導(dǎo)P71

2.14理想液體恒定流微小流束能量方程的推導(dǎo)P72

2.15實(shí)際液體恒定總流的能量方程的推導(dǎo)P78

2.15恒定總流動(dòng)量方程的推導(dǎo)P94

第三章

液流形態(tài)及水頭損失

3.1沿程水頭損失和局部水頭損失

沿程水頭損失

在固體邊界平直且無障礙物的水道中,單位重量的液體自一斷面流至另一斷面所損失的機(jī)械能叫做沿程水頭損失,常用表示.局部水頭損失

當(dāng)固體邊界發(fā)生改變或液體遇到障礙物時(shí),由于邊界或障礙物的作用使液體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),內(nèi)摩擦增加,產(chǎn)生較大的能量損失,這種發(fā)生在局部范圍之內(nèi)的能量損失叫做局部水頭損失,常用表示.(就液體內(nèi)部的物理作用來說,水頭損失不論其產(chǎn)生的外因如何,都是因?yàn)橐后w內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間有相對運(yùn)動(dòng),因粘滯性的作用產(chǎn)生切應(yīng)力的結(jié)果)

當(dāng)固體邊界發(fā)生改變或液體遇到障礙物時(shí),為什么會(huì)產(chǎn)生局部水頭損失(了解)P120

3.2影響水頭損失的液流邊界條件

3.2.1橫向條件(過水段面積,濕周和水力半徑)

濕周液流過水?dāng)嗝媾c固體邊界接觸的周界線叫做濕周,常用表示.(當(dāng)過水段面積相等時(shí),周長不一定相等,水與固體邊界的接觸要長些,故濕周對水損會(huì)產(chǎn)生影響,同樣,當(dāng)濕周相等時(shí),過水段面積不一定相等,通過同樣大小的流量水損也不一定相等,故用水力半徑來表征過水?dāng)嗝娴乃μ卣?

水力半徑

過水段面積與濕周的比值稱為水力半徑,即

.3.2.2縱向條件P123

3.3均勻流時(shí)無局部水頭損失，非均勻漸變流時(shí)局部水頭損失可以忽略不計(jì),非均勻急變流時(shí)兩種水頭損失均有(知道).3.4均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系,以及半徑為r處的（圓管中）切應(yīng)力計(jì)算公式的推導(dǎo)P132

3.5計(jì)算均勻流沿程水頭損失的基本公式——達(dá)西公式

對圓管來說，水力半徑,故達(dá)西公式也可以寫做

達(dá)西公式的推導(dǎo)過程應(yīng)該不會(huì)考

3.6層流和紊流

層流

當(dāng)留速較小時(shí),各流層的液體質(zhì)點(diǎn)是有條不紊的運(yùn)動(dòng),互不混雜,這種形態(tài)的流動(dòng)叫層流.紊流

當(dāng)流速較大時(shí),各流層的液體質(zhì)點(diǎn)形成渦體,在流動(dòng)過程中,相互混雜,這種形態(tài)的流動(dòng)叫紊流.3.7雷諾試驗(yàn)

雷諾試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖形(兩點(diǎn)三段.兩點(diǎn)即上臨界流速—水流從層流剛剛進(jìn)入到紊流狀態(tài)的速度和下臨界流速—水流從紊流剛剛進(jìn)入到層流狀態(tài)的速度.三段即層流,過渡區(qū),紊流所對應(yīng)的曲線段.)P129

3.8根據(jù)雷諾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,層流時(shí)雷諾試驗(yàn)圖形為一條直線,即沿程水損v呈線性的一次方關(guān)系,但是由達(dá)西公式知與v是平方關(guān)系，試解釋其原因.P132

3.9雷諾數(shù)的物理意義(為什么雷諾數(shù)可以判別液流形態(tài))P131

3.10為什么采用下臨界雷諾數(shù)而不采用上臨界雷諾數(shù)來判斷水流的型態(tài)

這是因?yàn)榻?jīng)大量試驗(yàn)證明,圓管中下臨界雷諾數(shù)是一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值,其值一般維持在2000左右,但上臨界雷諾數(shù)是一個(gè)不穩(wěn)定數(shù)值(一般在12000-2000),在個(gè)別情況下也有高達(dá)40000-50000.這要看液體的平靜程度和來流有擾動(dòng)而定,凡雷諾數(shù)大于下臨界雷諾數(shù)的,即使液流原為層流,只要有任何微小的擾動(dòng)就可以是層流變?yōu)槲闪?在實(shí)際工程中擾動(dòng)總是存在的,所以上下臨界雷諾數(shù)之間的液流是極不穩(wěn)定的,都可以看作紊流,因此判別液流型態(tài)以下臨界雷諾數(shù)為標(biāo)準(zhǔn):實(shí)際雷諾數(shù)大于下臨界雷諾數(shù)的是紊流,小于下臨界雷諾數(shù)的是層流.3.11雷諾實(shí)驗(yàn)雖然都是以圓管液流為研究對象,但其結(jié)論對其他邊界條件下的液流也是適用的.只是邊界條件不同,下臨界雷諾數(shù)的數(shù)值不同而已.例如明渠的雷諾數(shù),其中R為水力半徑(知道).3.12紊流的特征P133(4點(diǎn)，后兩個(gè)特點(diǎn)很重要)

3.13粘性底層

在紊流中并不是整個(gè)液流都是紊流,在緊靠固體邊界表面有一層極薄的層流存在該層流層叫粘性底層.3.14沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律

⑴

即液體處于層流狀態(tài),只與雷諾數(shù)有關(guān),而與相對光滑度無關(guān),且

⑵

即液體處于從層流進(jìn)入紊流的過渡區(qū),只與雷諾數(shù)有關(guān),而與相對光滑度無關(guān).因其范圍很窄,實(shí)際意義不大.⑶

即液流進(jìn)入紊流狀態(tài),這時(shí)決定于粘性底層厚度和絕對粗糙度的關(guān)系:

①當(dāng)

較小時(shí)粘性底層較厚,可以淹沒,抵消管壁粗糙度對水流的影響,從而只與雷諾數(shù)有關(guān),而與相對光滑度無關(guān).②

繼續(xù)增大,粘性底層厚度相應(yīng)減薄,一直不能完全淹沒,管壁粗糙度對水流產(chǎn)生影響,從而既與雷諾數(shù)有關(guān),又與相對光滑度有關(guān).③當(dāng)

增大到一定程度時(shí),粘性底層厚度已經(jīng)變得很薄,已經(jīng)不能再抵消管壁粗糙度對水流的影響,這時(shí)管壁粗糙度對起主要作用,從而只與相對光滑度有關(guān),而與雷諾數(shù)無關(guān).(因這時(shí)與v是平方關(guān)系,故該區(qū)又叫做阻力平方區(qū))

3.15謝齊公式和曼寧公式

謝齊公式,其中J為水力坡度,/l,R水力半徑.曼寧公式,其中n為粗糙系數(shù)，簡稱糙率.第四章

有壓管中的恒定流

4.1簡單管道

簡單管道

管道直徑不變且無分支的管道.4.2自由出流和淹沒出流

自由出流

管道出口水流流入大氣,水股四周都受大氣壓強(qiáng)的作用,稱為自由出流

淹沒出流

管道出口如果淹沒在水下,則稱為淹沒出流

4.3短管和長管

短管

管道中若存在較大的局部水頭損失,它在總水損中占的比重較大,不能忽略不計(jì)的管道稱為短管.長管

若管道較長,局部水損和流速水頭可以忽略不計(jì),這樣的管道叫做長管.4.4簡單管道的水力計(jì)算(以下均屬于連續(xù)性方程和能量方程的具體應(yīng)用)

總原則

首先確定按長管還是短管計(jì)算.若按短管計(jì)算,則沿程損失,局損和流速水頭都要計(jì)算;若按長管計(jì)算,只需計(jì)算沿程損失,局部水損和流速水頭可以忽略不計(jì);在沒有把握估計(jì)局損的影響程度時(shí),均按短管計(jì)算.(先按短管計(jì)算,求出具體的沿程損失和局損數(shù)值,比較后可確定到底如何計(jì)算,若無法確定具體數(shù)值一般的,給水管道按長管計(jì)算,虹吸管按短管計(jì)算,水泵吸水管按短管計(jì)算,壓水管根據(jù)情況而定.4.4.1自由出流和淹沒出流的水力計(jì)算

自由出流

上游存在行近流速,即有一個(gè)行近水頭,列能量方程需計(jì)算在內(nèi)(但其值一般很小,在計(jì)算結(jié)果以忽

略不計(jì),即公式中的).淹沒出流

上游存在行近流速,即有一個(gè)行近水頭,列能量方程需計(jì)算在內(nèi)(但其值一般很小,在計(jì)算結(jié)果時(shí)可

以忽略不計(jì),即公式中的).下游也存在一個(gè)流速水頭,但由于管道的過水?dāng)嗝娣e很小,而下游過水?dāng)嗝娣e很大,水流速度在下游已經(jīng)變得很小,可以忽略,不需計(jì)入能量方程.4.4.2幾種基本類型

4.4.3虹吸管和水泵裝置的水力計(jì)算

4.4.4串聯(lián)管道

整個(gè)管道的水頭損失等于各支管水損之和.4.4.5并聯(lián)管道

并聯(lián)管道一般按長管計(jì)算,各支管的水損相等(各支管的水損相等,只表明通過每一并聯(lián)支管的單位重量液體的機(jī)械能損失相等;但各支管的長度,直徑及粗糙系數(shù)可能不同,因此其流量也不同,股通過各并聯(lián)支管的總機(jī)

械能損失是不相等的)

4.4.6分叉管道

在分叉處分為若干個(gè)串聯(lián)管道進(jìn)行計(jì)算.4.5沿程均勻泄流的水力計(jì)算

本章的水力計(jì)算題均是圍繞這能量方程來設(shè)計(jì)的，所以熟練掌握能量方程的應(yīng)用，加上對各個(gè)類型的管道

特點(diǎn)的了解，不用背繁瑣的公式也可以解決本章的計(jì)算題，當(dāng)然背下來更好

第五章

明渠恒定均勻流

5.1明渠恒定均勻流(知道)

明渠恒定均勻流

當(dāng)明渠水流的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變化時(shí),稱為明渠恒定流.否則稱為明渠非恒定流.明渠

恒定流中,如果流線是一簇相互平行的直線,則水深,斷面平均流速和流速分布沿程不變,稱為明渠恒定均流,否則稱為明渠恒定非均勻流.(明渠均勻流中,摩阻力與重力沿水流方向的分力相平衡)

5.2矩形,梯形橫斷面水力要素的計(jì)算

梯形中,為梯形與水平面的夾角.5.3底坡

明渠渠底的縱向傾斜程度稱為明渠的底坡,以符號表示.且,其中為渠底線與水平面的夾角.5.4順坡,水平和逆坡明渠

當(dāng)明渠渠底沿程降低時(shí),稱為順坡明渠;沿程不變時(shí)稱為水平明渠;沿程升高時(shí)稱為逆坡明渠.(在水平明渠中,由于

故在其流動(dòng)過程中，只存在摩阻力；在逆坡明渠中，摩阻力與重力沿水流方向的分力

方向一致,因此這兩種情況都不可能產(chǎn)生明渠均勻流;只有在順坡渠道中才可能產(chǎn)生明渠均勻

流)

5.5明渠恒定均勻流的特性及其產(chǎn)生條件

5.6明渠均勻流的計(jì)算公式(連續(xù)性方程和謝齊公式,謝齊系數(shù)采用曼寧公式)

5.7矩形和梯形水力最佳斷面的推導(dǎo)過程

5.8允許流速

不沖允許流速

能夠避免渠道遭受沖刷的流速.不於流速

能夠保證水中懸浮的泥沙不淤積在渠槽的流速.5.9明渠均勻流的水力計(jì)算

第六章

明渠恒定非均勻流

6.1明渠非均勻漸變流和明渠非均勻急變流(知道)

在明渠非均勻流中,若流線是接近于相互平行的直線,或流線間的夾角很小,流線的曲率半徑很大,這種水流稱為明渠非均勻漸變流.反之為明渠非均勻急變流.(本章著重研究明渠非均勻漸變流的基本特性及其水力要素沿程變化的規(guī)律)

6.2正常水深(知道)

因明渠非均勻流的水深沿流程是變化的,為了不致引起混亂,把明渠均勻流的水深稱為正常水深.并以表示.6.3明渠水流的三種形態(tài)

一般明渠水流有三種形態(tài),即緩流,臨界流和急流.6.4明渠水流三種形態(tài)的判別方法(5種:微波波速法,比能曲線法,Fr法,臨界水深法,臨界底坡法)

6.4.1微波波速法

微波波速的描述（了解）P216

當(dāng)

v<,水流為緩流,干擾波能向上游傳播;

v=,水流為臨界流,干擾波恰不能向上游傳播;

v>,水流為急流,干擾波不能向上游傳播.要判別流態(tài),必須首先確定微波傳播的相對速度,相對速度的推導(dǎo)過程(了解)P217(如圖6.3,對平靜斷面1-1和波峰所在斷面2-2列連續(xù)性方程和能量方程.1-1斷面流速為,2-2斷面流速為,最后令即可得出=,這就是矩形明渠靜水中微波傳播的相對速度公式.如果明渠為任意形狀時(shí),則有=.式中為斷面平均水深,A為斷面面積,B為水面寬度.在實(shí)際工程中水流都是流動(dòng)的,設(shè)水流斷面平均流速為v，則微波傳播的絕對速度應(yīng)是靜水中的相對波速與水流速度的代數(shù)和,即,正號為順?biāo)较?負(fù)號為逆水方向)

6.4.2

Fr法

當(dāng)

Fr<1,水流為緩流;

Fr=1,水流為臨界流;

Fr>1,水流為急流.對臨界流來說,斷面平均流速恰好等于微波相對波速,即,該式可改寫為,其中稱為弗勞德數(shù),用符號Fr表示.弗勞德數(shù)的兩個(gè)物理意義P218

6.4.3比能曲線法

斷面比能

把基準(zhǔn)面選在渠底,所計(jì)算的單位液體所具有的能量稱為斷面比能,并以表示.則,在實(shí)際應(yīng)用上,因一般坡底較小，故常采用

.比能曲線

當(dāng)流量Q和過水?dāng)嗝娴男螤罴俺叽缫欢〞r(shí),斷面比能僅僅是水深的函數(shù),按照此函數(shù)可以繪出斷面比能隨水深變化的關(guān)系曲線,該曲線稱為比能曲線.比能曲線上存在可以使斷面比能取最小值的K點(diǎn).K點(diǎn)把曲線分成上下兩支,上支即為緩流所對應(yīng)的曲線,下支即為急流所對應(yīng)的曲線.(比能曲線見P220圖6.5)

比能曲線與弗勞德數(shù)的聯(lián)系()及其推導(dǎo)過程(了解)P221

6.4.4臨界水深法

臨界水深

相應(yīng)于斷面比能最小值的水深稱為臨界水深,以表示.當(dāng)

h>,Fr<1,水流為緩流;

h=,Fr=1,水流為臨界流;

h<,Fr>1,水流為急流.臨界水深的計(jì)算

在矩形斷面明渠中,臨界流的流速水頭是臨界水深的1/2,而臨界水深則是最小斷面比能的2/3.（原題）P221（將.對水深h求導(dǎo)，并令其等于0.得,規(guī)定對應(yīng)于臨界水深的水利要素以腳標(biāo)K,則.對于矩形斷面明渠，代入得,即臨界流的流速水頭是臨界水深的1/2.再代入,得,即臨界水深是最小斷面比能的2/3.斷面為任意形狀時(shí)，臨界水深的計(jì)算(了解)見P222(試算法和圖解法)

重要例題:例題6.1

6.4.5臨界底坡法(只適用于均勻流)

第七章

水躍

7.1水躍

當(dāng)明渠中的水流又急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種水面突然躍起的特殊局部水力現(xiàn)象,即在較短的渠道內(nèi)水深從小于臨界水深急劇的躍到大于臨界水深.這種特殊的局部水力現(xiàn)象稱為水躍.躍高

躍后水深與躍前水深之差

躍長

躍前斷面至躍后斷面的水平距離

完全水躍

有表面旋滾的水躍

發(fā)生完全水躍的條件Fr≥1.7

7.2棱柱體水平明渠的水躍方程及其推導(dǎo)過程(由于水躍過程中能量損失無法計(jì)算，故無法使用能量方程.對

躍前斷面1-1和躍后斷面2-2應(yīng)用動(dòng)量方程得

.然后作三點(diǎn)假設(shè):

⑴設(shè)水躍前后斷面處的水流為漸變流,其動(dòng)水壓強(qiáng)分布規(guī)律和靜水壓強(qiáng)同,⑵設(shè)⑶設(shè)

又有連續(xù)性方程代入動(dòng)量方程即可得出水躍方程

7.3水躍函數(shù)

當(dāng)明渠中斷面形狀，尺寸以及流量一定時(shí)，水躍方程的左右兩邊都僅是水深的函數(shù)，此函數(shù)

稱為水躍方程.即

7.4共軛水深

水躍方程左右兩邊所對應(yīng)的兩個(gè)水深就叫做共軛水深。

7.5水躍函數(shù)曲線及其特性P274

例題7.1，7.2很重要

7.6矩形明渠共軛水深的計(jì)算(已知量代入水躍方程,即可算出共軛水深.其中有可能涉及到弗勞德數(shù),應(yīng)記清

楚)

7.7矩形明渠共軛水深的計(jì)算公式及水躍效能效率計(jì)算公式盡量記住，有可能會(huì)考計(jì)算，公式推導(dǎo)過程要

了解

第八章

堰流及閘孔出流

8.1堰流及閘孔出流(P291)

8.2堰流的類型

壁堰流，如果堰坎寬度繼續(xù)增加,若

水流特性將不再屬于堰流而是明渠了.這時(shí)的沿程水損不能忽略.8.3堰流的基本公式即流量公式

對堰前斷面1-1和堰后斷面2-2列能量方程.特點(diǎn):1-1斷面屬于漸變流,2-2斷面屬于急變流,過水?dāng)嗝鏈y壓管水頭不為常數(shù),用

上游存在行近流速,考慮局部水損(在堰流中只考慮局部水損);令,稱為堰頂全水頭.令,為修正系數(shù).這樣就可以求出速度.然后設(shè)2-2斷面的水舌厚度為,為反映堰頂垂直收縮的系數(shù).則過水?dāng)嗝娣e為,故通過的流量,式中

稱為流速系數(shù).令

稱為堰的流量系數(shù)，則,這就是堰流的基本公式.8.4堰流的基本公式中各字母的含義

主要是反映局部水損的影響,是反映堰頂水流垂直收縮的程度,是代表堰頂斷面的平均測壓管水頭與堰頂全部水頭之間的比例系數(shù).8.5各種類型堰的水力計(jì)算

8.6閘孔出流的水力計(jì)算