水力学2009
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水力学 (完整版)PPT
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第一章 绪论
1.3 作用在液体上的力
1.3.1 表面力定义
表面力是作用于液体的表面上的力，是相邻液体 或其他物体作用的结果，通过相互接触面传递。
表面力按作用方向可分为： 压力： 垂直于作用面。 切力： 平行于作用面
lim p
P
A0 A
lim
T
A0 A
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第一章 绪论
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第一章 绪论
第1章 绪 论 第2章 水静力学 第3章 液体运动学 第4章 水动力学基础 第5章 流动阻力和水头损失 第6章 量纲分析与相似原理 第7章 孔口、管嘴出流和有压管流 第8章 明渠均匀流 第9章 明渠非均匀流 第10章 堰流及闸孔出流 第11章 渗流
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第一章 绪论
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第一章 绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
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第一章 绪论
19th century
Navier (1785-1836) & Stokes (1819-1905)
N-S equation
viscous flow solution
Reynolds (1842-1912) 发现紊流（Turbulence） 提出雷诺数（ReynoldsNumber）
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第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
2009级河流动力学复习重点
2009级河流动力学复习重点熟练掌握：
熟练运用张瑞谨公式计算泥沙沉速；
根据希尔兹数计算、判别泥沙起动；
量纲分析法（课堂上的例子）；
熟练掌握床面阻力与河岸阻力划分计算；
沙莫夫公式计算。
ROUSE公式推导
其他要点：
•单颗粒的泥沙粒径及相互关系；
•群体泥沙特征粒径；
•细颗粒泥沙的物理化学特性；
•浑水粘滞系数变化；
•泥沙沉速影响因素；
•泥沙运动分类,推移质和悬移质概念、特性。
•希尔兹数概念，起动流速概念；
•不同水流能态条件下的沙波形式；
•沙波运动对阻力影响；
•冲积河流阻力概念；曼宁公式
•沙粒阻力与沙波阻力对输沙的影响。
•床沙质与冲泻质概念、特性；
•悬浮指数概念及运用；
•重力理论的适用情况；
•水流挟沙能力概念。
•造床流量概念；
•横断面河相关系；
•河流动力轴线（主流线）；
•影响河床演变的主要因素；
•冲积河流的河型。
水力学实验(下)_给排水与港航
式中：
h-水流深度； q-单宽流量， q Q-总流量； b-渠道的宽度； hc-断面形心处水深。
对于闸下出流的水跃现象，应用断面单位能量和动量原理。 在闸下的收缩断面发生水跃
Q b
( h1 ) ( h 2 )
h2 h h1 h (1 8Fr12 1) 1 (1 8( c ) 3 1) 2 2 h1
9.5( Fr1 1)h1 Lj [8.4( Fr 9) 76]h 1 1
或 或
1.7 Fr 9.0
9.0 Fr 16
L j 10.8h1 ( Fr1 1) 0.93
L j 2.5(0.9h2 )
(H.H.巴甫洛夫斯基经验公式)
3.坡度测量：
水槽在中间转折处将槽身分为两段，每段上均装有水准泡。测定前段Ⅰ的坡度时，先 将Ⅰ调至水平位置，量测测坡点Ⅰ（一般选择槽壁最高点）至平台的距离 1，调至所需坡 度后再量测测坡点至平台的距离 2 则前段的坡度：
i1
1 2 L1
后段Ⅱ的坡度 i 2 的量测方法同前，不再重复。
五、注意事项
1、 由于临界水跃现象很不稳定， 特别是跃后水面波动较大， 量测时应同时确定水跃的跃前 、 跃后断面的位置，并迅速量测。 2、 同一断面上水深会有不同的深度， 实测水深时， 一般沿水槽中心线测量数次取平均值。
六、思考题
1、 在一定流量下， 调节尾门使水跃推前或移后， 分析这种变动对水跃长度和水跃高度有何 影 响。 2、当尾阀一定，改变流量时，跃长和共轭水深如何改变?为什么? 3、试分析远离水跃、临界水跃与淹没水跃，哪种消能率高且冲刷距离短?
土木工程基础实验（试用）
水力学（下） 实验指导讲义、实验报告
h-水流深度； q-单宽流量， q Q-总流量； b-渠道的宽度； hc-断面形心处水深。
对于闸下出流的水跃现象，应用断面单位能量和动量原理。 在闸下的收缩断面发生水跃
Q b
( h1 ) ( h 2 )
h2 h h1 h (1 8Fr12 1) 1 (1 8( c ) 3 1) 2 2 h1
9.5( Fr1 1)h1 Lj [8.4( Fr 9) 76]h 1 1
或 或
1.7 Fr 9.0
9.0 Fr 16
L j 10.8h1 ( Fr1 1) 0.93
L j 2.5(0.9h2 )
(H.H.巴甫洛夫斯基经验公式)
3.坡度测量：
水槽在中间转折处将槽身分为两段，每段上均装有水准泡。测定前段Ⅰ的坡度时，先 将Ⅰ调至水平位置，量测测坡点Ⅰ（一般选择槽壁最高点）至平台的距离 1，调至所需坡 度后再量测测坡点至平台的距离 2 则前段的坡度：
i1
1 2 L1
后段Ⅱ的坡度 i 2 的量测方法同前，不再重复。
五、注意事项
1、 由于临界水跃现象很不稳定， 特别是跃后水面波动较大， 量测时应同时确定水跃的跃前 、 跃后断面的位置，并迅速量测。 2、 同一断面上水深会有不同的深度， 实测水深时， 一般沿水槽中心线测量数次取平均值。
六、思考题
1、 在一定流量下， 调节尾门使水跃推前或移后， 分析这种变动对水跃长度和水跃高度有何 影 响。 2、当尾阀一定，改变流量时，跃长和共轭水深如何改变?为什么? 3、试分析远离水跃、临界水跃与淹没水跃，哪种消能率高且冲刷距离短?
土木工程基础实验（试用）
水力学（下） 实验指导讲义、实验报告
西南交通大学水力学考试题(有答案)
西南交通大学20082008－－2009学年第学年第((一)学期考试试卷（学期考试试卷（AA ）课程代码2100107课程名称水力学考试时间120分钟题号一二三四五六七八九十总成绩得分阅卷教师签字：一、选择题（每题2分，共30分）1、牛顿内摩擦定律y u d d µτ=中的y u d d 为运动流体的（D）。
A、拉伸变形B、压缩变形C、剪切变形D、剪切变形速率2、金属测压计的读数为（B ）。
A、绝对压强p ′B、相对压强pC、真空压强v pD、当地大气压ap 3、水力最优梯形断面渠道的水力半径=R （C ）。
A、4/h B、3/h C、2/h D、h 4、圆柱形外管嘴的正常工作条件是（B ）。
A、m 9,)4~3(0>=H d lB、m 9,)4~3(0<=H d lC、m 9,)4~3(0>>H d lD、m9,)4~3(0<<H d l 5、理想流体的切应力=τ（A）。
A、0B、yu d d µC、22)d d (yu l ρD、y u d d µ+22d d (yul ρ6、在工程流体力学中，常取的基本量纲为（A ）。
A、质量量纲M、长度量纲L、时间量纲TB、流量量纲Q、长度量纲L、时间量纲TC、压强量纲P、长度量纲L、时间量纲TD、压力量纲P、长度量纲L、温度量纲T 7、静止液体作用在曲面上的静水总压力的水平分力x c x c x A gh A p P ρ==，式中（D ）A、c p 为受压面形心处的绝对压强B、c p 为压力中心处的相对压强C、x A 为受压曲面的面积D、x A 为受压曲面在铅垂面上的投影面积8、工程流体力学中描述流体运动的方法一般采用（A ）。
A、欧拉法B、普兰特法C、拉格朗日法D、尼古拉兹法9、已知不可压缩流体的流速场为0),(),,(===z y x u x f u z y f u ，则该流动属于（C ）。
水力学全套课件
明渠流动状态及判别标准
流动状态
明渠流动根据弗劳德数$Fr$的大小，可 分为缓流、临界流和急流三种状态。
VS
判别标准
当$Fr < 1$时，为缓流状态；当$Fr = 1$ 时，为临界流状态；当$Fr > 1$时，为急 流状态。其中，$Fr = frac{V}{sqrt{g times h}}$，$g$为重力加速度，$h$为 水深。
实用堰流的水力计算
基本公式
实用堰流的流量系数m与堰的进口形状有关，常采用经验公式或实验数据确定。流量Q仍可按薄壁堰流公式计算 ，但需对流量系数m进行修正。
水力计算步骤
确定堰的类型和进口形状，测量堰上水头H，根据经验公式或实验数据确定流量系数m，最后根据公式计算流量 Q。
宽顶堰流的水力计算
基本公式
谢才公式
另一种计算沿程水头损失的方法，适用于不同粗 糙度的管道。
摩阻系数法
通过摩阻系数来计算沿程水头损失，适用于各种 流态和管道材质。
局部水头损失计算
局部阻力系数法
通过实验或经验公式确 定局部阻力系数，进而 计算局部水头损失。
当量直径法
将非圆形管道转化为当 量直径的圆形管道，再 计算局部水头损失。
重力作用下液体平衡的应用
用于求解液体内部任一点的压强、等压面的形状等问题。
液体的相对平衡
液体的相对平衡的概念
当液体内部某点的压强发生变化时，其周围各点的压强也会相应 变化，但液体仍能保持平衡状态。
液体相对平衡的原理
基于帕斯卡原理，即密闭容器内液体任一点的压强变化将等值地传 递到液体各点。
液体相对平衡的应用
课程内容及学习方法
课程内容
包括水静力学、水动力学基础、有压管道流动、明渠流动、 堰流与闸孔出流、泄水建筑物下游的水流衔接与消能、渗流 等。
水力学PPT课件
dp (Xdx Ydy Zdz)
就是说，静水压强的的分布规律完全是由单位
质量力决定的。
第二章 水静力
学 由于密度可视为常数，式子（XdxYdy Zdz)
也是函数U（x,y,z)的全微分即：
dU Xdx Ydy Zdz
则函数U（x,y,z)的全微分为：
dU U dx U dy U dz
p dx x
Y
六面体左右两面的表面力为：
( p 1 p dx)dydz 2 x
( p 1 p dx)dydz 2 x
第二章 水静力
学
Z
另外作用在微小六面体上的质
量力在X轴向的分量为：
A(x,y,z) N
M dz
dy
X • dxdydz
O
dx
X
Y
根据平衡条件上述各力在X轴上的投影应为
零，即：
(
⑵专门水力学：为各种工程实践服务
第一章 绪
二、论水力学和流体力学
水力学：以水为研究对象，在理论上遇到困难 时， 通过观测和实验的方法来解决问题。 流体力学：以一般流体（液体和气体）为研究对象 ，偏重于从理论概念出发，掌握 流体运动的基本 规律，但解决实际 工程时，会遇到很大的困难， 在应 用上受到一定的限制。
§2-1 静水压强及其特
性 一、压强的定义： 单位面积上所受的压力
公式 p P 平均压强
A
p lim P A 0 A
单位：N/m2 （Pa）
点压强
二、静水压强的特性
第一特性：静水压强垂直于作用面，并指 向作用面。
第二章 水静力 学
证明：取一处于静止或相对平衡的某一液体
P Ⅰ
N
AB
Ⅱ τ
水力学ppt课件
染色线
在流体中注入染色剂，形成的染色 质点在流动过程中描绘出的曲线。 染色线可以直观地显示流动状况。
一维流动和二维流动特点分析
一维流动
流动参数仅沿一个坐标方向变化，其 他两个坐标方向上的变化可忽略不计 。一维流动具有简单的流动特性和明 确的数学描述。
二维流动
流动参数沿两个坐标方向变化，另一 个坐标方向上的变化可忽略不计。二 维流动比一维流动复杂，但仍可采用 适当的数学方法进行描述和分析。
经验总结
结合实例分析，总结泄水建筑物设计的经验和教训，提出改进和优化 建议。
谢谢聆听
水力学ppt课件
目录
• 水力学基本概念与原理 • 流体静力学分析 • 流体动力学基础知识 • 管内流动与损失计算 • 明渠恒定均匀流与非均匀流分析 • 堰流、闸孔出流和泄水建筑物设计
原理
01 水力学基本概念与原理
水力学定义及研究对象
水力学的定义
研究液体在静止和运动状态下的 力学规律及其应用的科学。
非均匀流现象描述
在明渠中，若水流运动要素沿程发生变化，则称为非均匀流。非均匀流可表现为水面波动、流速分布不均等现象 。
分类方法
根据非均匀流产生的原因和表现形式，可将其分为渐变流和急变流两类。渐变流是指水流要素沿程逐渐变化，而 急变流则是指水流要素在较短时间内发生显著变化。
明渠恒定非均匀流水面曲线变化规律探讨
03
特性比较
恒定流具有稳定的流动特性，便于分析和计算；非恒定 流的流动特性复杂多变，需要采用动态分析方法。
流线、迹线和染色线概念辨析
流线
在某一瞬时，流场中每一点都与 速度矢量相切的曲线。流线反映 了该瞬时流场中速度的分布状况
。
迹线
某一质点在流动过程中不同时刻所 在位置的连线。迹线反映了该质点 在流动过程中的运动轨迹。
在流体中注入染色剂，形成的染色 质点在流动过程中描绘出的曲线。 染色线可以直观地显示流动状况。
一维流动和二维流动特点分析
一维流动
流动参数仅沿一个坐标方向变化，其 他两个坐标方向上的变化可忽略不计 。一维流动具有简单的流动特性和明 确的数学描述。
二维流动
流动参数沿两个坐标方向变化，另一 个坐标方向上的变化可忽略不计。二 维流动比一维流动复杂，但仍可采用 适当的数学方法进行描述和分析。
经验总结
结合实例分析，总结泄水建筑物设计的经验和教训，提出改进和优化 建议。
谢谢聆听
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目录
• 水力学基本概念与原理 • 流体静力学分析 • 流体动力学基础知识 • 管内流动与损失计算 • 明渠恒定均匀流与非均匀流分析 • 堰流、闸孔出流和泄水建筑物设计
原理
01 水力学基本概念与原理
水力学定义及研究对象
水力学的定义
研究液体在静止和运动状态下的 力学规律及其应用的科学。
非均匀流现象描述
在明渠中，若水流运动要素沿程发生变化，则称为非均匀流。非均匀流可表现为水面波动、流速分布不均等现象 。
分类方法
根据非均匀流产生的原因和表现形式，可将其分为渐变流和急变流两类。渐变流是指水流要素沿程逐渐变化，而 急变流则是指水流要素在较短时间内发生显著变化。
明渠恒定非均匀流水面曲线变化规律探讨
03
特性比较
恒定流具有稳定的流动特性，便于分析和计算；非恒定 流的流动特性复杂多变，需要采用动态分析方法。
流线、迹线和染色线概念辨析
流线
在某一瞬时，流场中每一点都与 速度矢量相切的曲线。流线反映 了该瞬时流场中速度的分布状况
。
迹线
某一质点在流动过程中不同时刻所 在位置的连线。迹线反映了该质点 在流动过程中的运动轨迹。
水力学课件完整版
产生条件
多孔介质中存在压差，且液体具 有流动性。
渗流分类
根据流动状态可分为层流和紊流 ；根据流动方向可分为一维、二
维和三维渗流。
达西定律和非达西定律适用范围
达西定律
适用于层流状态的渗流，描述液体在多孔介质中的流动速度与压 差之间的关系。
非达西定律
适用于紊流状态的渗流，此时流动速度与压差之间的关系不再符 合达西定律。
根据测量范围选择
不同仪表有不同的量程，应根据实际压力范围选择合适的仪表。
根据测量精度要求选择
不同仪表的精度不同，应根据实际需求选择精度合适的仪表。
根据使用环境选择
考虑温度、湿度、振动等环境因素对仪表的影响，选择适应性强的 仪表。
误差来源及减小误差措施
误差来源
仪器误差、环境误差、操作误差等。
减小误差措施
工程实例分析
实例一
油田注水开发过程中的渗流现象分析 。通过注水井向油层注水，提高油层 压力，驱动原油向生产井流动。在此 过程中，需要考虑注水井与生产井之 间的干扰问题，以及储层物性、流体 性质等因素对渗流的影响。
实例二
水利工程中的堤防渗透问题。堤防是 水利工程中的重要建筑物，其主要功 能是防洪。在洪水期间，堤防受到水 流的冲刷和渗透作用，可能导致堤防 失稳和溃堤。因此，在堤防设计和施 工过程中，需要考虑渗流对堤防稳定 性的影响，并采取相应的防渗措施。
重要意义。
表面张力
流体表面分子间相互吸引的力 ，影响流体的界面现象和毛细
现象。
流体静力学基础
1 2 3
静水压强及其特性
静水压强是静止液体中某点处单位面积上的垂直 作用力，具有方向垂直于作用面、大小与作用面 的方位无关等特性。
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13、宽顶堰的作用水头大于设计水头时，流量系数会大于 0.385。 ( ) 14、设计渠道时糙率系数 n 选大了会导致实际建造的渠道达大于设计流量。( 15、压强水头的大小与基准面的选取无关。
二．填空题（共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）
1、气体的粘性随温度的增加而 。液体的粘性随温度的增加而 。 2、明槽水流雷诺数的表达式为 RE= 。 3、沿程水头损失系数λ 与舍齐系数 C 的关系为 。 4、在下游管道阀门瞬时全闭的情况下，其增速增压顺波发生在第_ _相，是水击波 的第_____阶段。
三 选择题（单选多选不限，各小题全对计各题分。共 10 小题，每 小题 2 分，共 20 分）
1、二向曲面上的静水总压力的作用点________。 （1）通过静水总压力的水平分力与铅直分力的交点。 （2）通过二向曲面上的形心点 （3）就是静水总压力的水平分力与铅直分力的交点。 （4）就是二向曲面上的形心点 2、其它条件不变，层流内摩擦力随管壁粗糙度的增大而 。 (1) 不变；(2) 减小 ； (3) 增大； (4)不定。 3、用毕托管测得的点流速是_______。 （1）摩阻流速（2）时均流速（3）脉动流速（4）瞬时流速 4、管径不变，通过的流量不变，管轴线沿流向逐渐增高的有压管流，其测压管水 头线沿流向应 。 (1) 与管轴线平行； (2) 逐渐升高； (3) 逐渐降低； (4) 无法确定 5、按普朗特动量传递理论，紊流的断面流速分布规律符合 。 (1) 抛物线分布； (2)椭圆分布； (3) 对数分布； (4)直线分布。 6、若两管道的管长 L 、管径 d 、流量 Q 及水温均相同，但在相同长度管段上的 测压管水面差 △h1 >△h2 ,则两管糙率 n1 与 n2 的关系为 。 (1) n1 = n2； (2) n1 <n2 ； (3) n1 > n2 ； (4)无法确定。 7、对管径沿程变化的管道 。 (1) 测压管水头线不可能低于管轴线 (2) 测压管水头线总是与总水头线相平行 (3) 总水头线沿流可能会上升也可能会下降 (4) 以上说法都不对。 8、关于压强的三种表示方法，以下说法正确的是 。 （1）绝对压强等于相对压强减去当地大 （2）绝对压强等于相对压强加上当地大气压强气压强 （3）真空度等于当地大气压强减去绝对压强 （4）当地大气压强等于绝对压强减去真空度 9 、水流在紊流粗糙区时，要保证模型与原型紊流阻力相似，只要模型与原型
四．作图题 （将作图题绘于答题纸上作答。共 2 小题，共 16 分）
（1）绘出图示圆柱体 AB 上水平压强分布图和压力体图。并标出水压力铅直分力 的方向。 （8 分）
（2）定性绘出图示等直径短管道自由出流的总水头线和测压管水头线，并标明负 压区。 （8 分）
五．计算题（共 4 小题，共 40 分）
1、(10 分) 一等宽度折角形闸门 BC，折角α =120，如图所示可绕 A 轴转动。已知 L=2m。不计门重及摩擦力，求闸门开始自动倾倒时的水深 h 。
武 汉 大 学
2009 年攻读硕士学位研究生入学考试试题
（满分值 150 分）
科目名称： 给水排水水力学 科目代码：912 注意：所有答题内容必须写在答题纸上，凡写在试题或草稿纸上的一律无5 小题，每小题 2 分，共 30 分）
1、液体的内摩擦力的大小与液体压强的大小无关。 ( ) 2、静水压强大小与作用面的方向无关。 ( ) 3、当作用面的面积相等时静水总压力的大小也相等。 （ ） 4 、其它条件相同情况下扩散管道中的水头损失比收缩管道中的水头损失小。 ( ) 0 5、等直径 90 弯管中的水流是均匀流。 ( ) 6、迹线是描述同一个液体质点在流场中运动时的速度方向的曲线。( ) 7、沿程水头损失表示的是单位长度流程上的水头损失的大小。 ( ) 8、流体的粘性的大小与流体的种类无关。 ( ) 9、在紊流粗糙区中，管径相同、材料和加工方式相同的管道，流量越小则 沿程水头损失系数越大。 10、无论两枝相并联的管道的长度是否相同，流经这两枝管道的单位重量水 流的水力坡度是相等的。 11、作用水头相同，相同直径的孔口，自由出流与淹没出流的流量不相同。 （ ） 12、比阻 S 0 的大小与流量的大小有关。 ( ) )
的 ，进行模型设计时就可用佛汝德相似准则。 (1) 雷诺数相等 (2)相对粗糙度相等 (3) 糙率相等 (4) 谢才系数相等 10、有一水泵装置，其吸水管中某点的真空压强水头等于 3 m 水柱高，当地大气 压为一个工程大气压，其相应的相对压强水头等于 。 (1)3m 水柱高； (2)－7m 水柱高；(3)－3m 水柱高；(4)以上答案都不对。
3、 （12 分） 不可压缩二维流动的流速分量为：u x x 4 y, u y y 4x ， 要求： (1) 该流动是恒定流还是非恒定流； (2)该流动是否连续；(3)写出流线方程式； (4)判别有无线变形和角变形运动；(5)判别有涡流还是无涡流；(6)判别是否为势 流，若流动有势写出流速势函数表达式。 4、 （8 分）一管道系统如图，各管段的长度分别为：L1=300m，L2=200m，L3=400m， 管径 d=300mm，沿程阻力系数λ =0.03，闸阀处的局部损失系数为 0.07，折管 A、B 处的局部损失系数分别为 0.3、0.35，要求计入管道进口与出口的局部水头损失。 已知 z1=9.0m，z2=14.0m，pM=200kN/m2，试计算流经管道的断面平均流速及流量。
2、 （10 分）某输油管道的直径由 d1=15cm，过渡到 d2=10cm。(如图)已知石油重率 g ρ o=8500N ／ m3 ，渐变段两端水银压差读数 Δ h=15mm ，渐变段末端压力表读数 p=2.45N／cm2。不计渐变段水头损失。取动能动量校正系数均为 1。求：(1) 管中 的石油流量 qv；(2)渐变管段所受的轴向力。
六．名词解释及简答题（共 2 小题，共 24 分） 1、 （每小题 3 分，共 15 分）名词解释
（1）紊动附加应力 （2）时均流速 （3）均匀流 （4）缓流 （5）管流
2、 （9 分）简答题
试简述尼古拉兹实验的成果并说明其对水力学理论的影响和作用。
5、有一等直径长直管道中产生均匀管流，其管长 100 m，管道直径 d=100 mm，若 沿 程 水 头 损 失 为 1.2m ， 沿 程 水 头 损 失 系 数 λ =0.021Ns/m2 ， 则 水 力 坡 度 J=__________，管中流量 Q= m3/s。 6、将水流的运动定义为均匀流、非均匀流是基于描述水流运动的______方法，当 __ ___＝0 时水流的运动是均匀流。
7、在管道断面突然缩小处，测压管水头线沿流程必然会有___________。 8、恒定均匀流的沿程水头损失与平均切应力的关系为 τ 0= _____分布。 9、粗糙紊流的沿程水头损失系数 仅与 10、圆管层流断面上的动能修正系数为α = 有关，而与 无关。 。沿程水头损失系数λ = 。 __，断面上切应力呈