川大水力学教学课件16河渠挟沙水流理论基础
水力学基本概念
目录绪论：1第一章：水静力学1第二章：液体运动的流束理论3第三章：液流形态及水头损失3第四章：有压管中的恒定流5第五章：明渠恒定均匀流5第六章：明渠恒定非均匀流6第七章：水跃7第八章：堰流及闸空出流8第九章：泄水建筑物下游的水流衔接与消能9第十一章：明渠非恒定流10第十二章：液体运动的流场理论10第十三章：边界层理论11第十四章：恒定平面势流11第十五章：渗流12第十六章：河渠挟沙水流理论基础12第十七章：高速水流12绪论：1 水力学定义：水力学是研究液体处于平衡状态和机械运动状态下的力学规律，并探讨利用这些规律解决工程实际问题的一门学科。
b5E2RGbCAP2 理想液体：易流动的，绝对不可压缩，不能膨胀，没有粘滞性，也没有表面张力特性的连续介质。
3 粘滞性：当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动，则质点见要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性。
可视为液体抗剪切变形的特性。
<没有考虑粘滞性是理想液体和实际液体的最主要差别）p1EanqFDPw4 动力粘度：简称粘度，面积为1m2并相距1m的两层流体，以1m/s做相对运动所产生的内摩擦力。
5 连续介质：假设液体是一种连续充满其所占空间毫无空隙的连续体。
6 研究水力学的三种基本方法：理论分析，科学实验，数值计算。
第一章：水静力学要点：<1）静水压强、压强的量测及表示方法；<2）等压面的应用；<3）压力体及曲面上静水总压力的计算方法。
DXDiTa9E3d7 静水压强的两个特性：1）静水压强的方向与受压面垂直并指向受压面2）任一点静水压强的大小和受压面方向无关，或者说作用于同一点上各方向的静水压强大小相等。
RTCrpUDGiT8 等压面：1）在平衡液体中等压面即是等势面2）等压面与质量力正交3）等压面不能相交4）绝对静止等压面是水平面5）两种互不相混的静止液体的分界面必为等压面6）不同液体的交界面也是等压面5PCzVD7HxA9 静水压强的计算公式：p=p0+10 绕中心轴作等角速度旋转的液体：11 绝对压强：以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强，称为绝对压强。
水力学课件doc资料
水力学课件doc资料教学内容：本节课的教学内容选自小学科学六年级下册第五单元《水和水循环》的第一课时《水的三态》。
本节课主要通过实验和观察，让学生了解水的三态变化以及其特点。
教学目标：1. 知识与技能目标：学生能够说出水的三态（固态、液态、气态）以及它们之间的相互转化。
2. 过程与方法目标：通过实验和观察，培养学生的观察能力和实验操作能力。
3. 情感态度与价值观目标：激发学生对科学探究的兴趣，培养学生的环保意识。
教学难点与重点：重点：水的三态以及它们之间的相互转化。
难点：水蒸气的概念以及水的气态特点。
教具与学具准备：教具：烧杯、玻璃棒、滴管、冰块、热水、PPT课件。
学具：实验记录表、温度计。
教学过程：一、情景引入（5分钟）教师通过播放PPT课件，展示自然界中水的不同状态，如冰川、河流、云雾等，引导学生思考：水在不同的环境下会呈现哪些状态？二、实验观察（15分钟）1. 教师将一杯热水放在桌子上，引导学生观察热水中的气泡，并提问：这些气泡是什么状态的？它们是从哪里来的？2. 教师用滴管从烧杯中取出一滴水，放在玻璃棒上，引导学生观察水滴的变化，并提问：水滴为什么会变成水珠？这是什么现象？3. 教师将一块冰块放入烧杯中，引导学生观察冰块的变化，并提问：冰块为什么会融化？这是什么现象？三、知识讲解（10分钟）1. 教师根据学生的回答，讲解水的三态以及它们之间的相互转化。
2. 教师讲解水蒸气的概念以及水的气态特点。
四、随堂练习（5分钟）教师出示练习题，学生独立完成，检测学生对水的三态的理解。
五、课堂小结（5分钟）板书设计：水的三态固态：冰川、冰块液态：河流、湖泊气态：云雾、水蒸气作业设计：1. 请用自己的话描述水的三态以及它们之间的相互转化。
答案：水的三态分别是固态、液态和气态。
它们之间的相互转化包括：水从液态变为固态（凝固）、水从液态变为气态（蒸发）、水从固态变为液态（融化）、水从气态变为液态（凝结）。
2. 请举例说明生活中常见的水的三态变化。
16河渠挟沙水流理论基础
左下图为水流阻力系数与流速的关系。 右下图为实测成果绘出的水流阻力，Fr和d/R间的关系．
‹#2›6
二 含沙量对水流阻力的影响
左图为范诺尼的矩形水槽实验成果 下图是从能量观点出发绘制的．
‹#2›7
左下图为南京水利科学研究所的钢板水槽实验资料， 右下图为长江，黄河实测资料
系指沙样在100～105℃的温度下烤干后的 重量与沙粒的孔隙体积之和的比值，由于 孔隙随泥沙的级配及淤积久暂而变化，所 以变化的幅度较大，可由300牛顿／米３至 17000牛顿／米３。
‹#›7
三 河流泥沙的分类及运动形式
按照泥沙的运动状态，可以分为推移质（底沙） 和悬移质两类。 从河床的演变来看泥沙可分为造床泥沙与非造床泥沙。 1.细颗粒泥沙的运动。细的泥沙在比较小的流速时就 开始运动。 2.粗颗粒泥沙的运动。当流速逐渐增大，粗颗粒就开 始运动。 3.沙纹与沙垄。
第十六章 河渠挟沙水流理论基础
天然河流和无衬砌的渠道，在水面以下的河床部分和 水面以上的河岸部分都是由泥沙组成的，水流中也挟带着 泥沙。挟带泥沙改变了原来的水流结构，使流速分布和能 量损失与清水水流有差异。
在水流作用下，泥沙要运动。运动的方式可能是沿着 河床运动，也可能是分布在水流中作上下左右运动。
一 层流沉降 二 紊流沉降 三 过渡区沉降
g 18
1
s
1d 2
3.1 s gd
2
4 3
g a
s
1
3d
1
3
‹#1›4
综上所述：
（1）球体做层流沉降时 与d2成正比，与 s
成反比
水力学(给排水基础)课件
4Q v 2 2.73m / s d
设为层流
v
2 1 1
2g
z2
p2
2v2
2g
2
hw
适用条件：恒定流动、质量力只有重力、
不可压缩流体、所取过流断面为渐变流断 面、两断面间无分流和汇流。
水力坡度
水头线的斜率冠以负号
测压管坡度
d H d hw J ds ds
dH P JP ds
称为测压管坡度
称为水力坡度
水流阻力和水头损失
分 类
沿程水头损失——在均匀流段（包括渐变流）中产生
的流动阻力为沿程阻力（或摩擦阻力），由此引起的
水头损失，与流程的长度成正比，用hf表示；
局部水头损失——在非均匀流段（流动边界急剧变化）
中产生的流动阻力为局部阻力，由此引起的水头损失，
取决于管配件的形式，用hj表示；
整个管道中的水头损失等于各段的沿程水头损失和各
两者关系：
p pabs pa
真空度（真空值）——相对压强的负值。pV
即
pV pa pabs p
静压强的量测方法： 1.弹簧金属式 量测相对压强和真空度,表中心数值 2.电测式 压力传感器、电信号 3.液位式 测压管技术（测压管、微压计、U形管）
静水压力
作用在平面上的静水总压力P 1.解析法： 总压力
P pc A
作用点位置 惯性矩: 矩形断面 圆形断面
Ic y D yc yc A
1 3 I c bh 12
Ic
64
D4
2.图解法：
静水总压力P=
水力学主要知识点课件
水洞实验的主要设备包括水洞、水泵、压力计、速度测量仪等。
实验步骤
首先，开启水泵，使水流通过水洞并测量相关参数；然后，根据 测量结果计算水流的动力学特性和水力性能。
压力管实验基础
实验原理
压力管实验是通过测量压力管中的压力、流量等参数，研究水流 的压力变化和能量损失。
实验设备
压力管实验的主要设备包括压力管、水泵、流量计、压力计等。
实验设备
水槽实验的主要设备包括水槽、水泵、流量计、压力计、速度测量 仪等。
实验步骤
首先，将水槽中的水抽至一定高度，然后开启水泵，使水流通过实验 设备并测量相关参数；最后，根据测量结果计算水力学参数。
水洞实验基础
实验原理
水洞实验是通过测量水洞中的水流状态、压力等参数，研究水流 的动力学特性和水力性能。
现代水力学
20世纪中叶至今，水力学 研究领域不断扩大，涉及 水资源的开发、利用、保 护和管理等方面。
水力学的研究对象和任务
研究对象
水流的运动规律、水与边界的相 互作用以及水对物体的作用力等。
研究任务
为水利工程、土木工程、环境工 程等领域的实际应用提供理论支 持和设计依据。
水力学的应用领域
土木工程
实验步骤
首先，开启水泵，使水流通过压力管并测量相关参数；然后，根据 测量结果计算水流的压力变化和能量损失。
THANKS。
桥梁、隧道、港口、机场等工 程设施的水力学问题分析和设 计。
自然地理
研究地球上水的循环、河流、 湖泊和海洋的动力学特征。
水利工程
水库、水电站、堤防等水利设 施的设计、建设和运行管理。
环境工程
水污染控制、水资源保护、城 市排水和洪水控制等环境水力 学问题。
水力学ppt课件
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
研究对象
液体（主要是水）的平衡、运动规 律及其与固体边界的相互作用。
液体性质与分类
液体的性质
易流动性、压缩性、黏性、表面张力 等。
液体的分类
按密度可分为轻质液体和重质液体；按 黏性可分为牛顿液体和非牛顿液体。
静压力与动压力概念
静压力
静止液体作用在与其接触的某个平面上法向的总压力。
动压力
运动液体作用在与其接触的某个平面上法向的总压力。
浮力产生条件及计算方法
浮力是液体对浸在其中的物体向 上和向下的压力差，方向竖直向
上。
浮力的大小等于物体排开的液体 所受的重力，即F浮=G排=m排
g=ρ液gV排。
浮力的产生条件是物体必须浸没 在液体中，且物体下表面必须与
液体接触。
潜水艇、气球等浮沉原理分析
潜水艇通过改变自身重力来实现浮沉。当潜水艇需要下潜时， 它会向水舱注水，使自身重力大于浮力而下潜；当需要上浮时， 它会将水舱中的水排出，减小自身重力，使浮力大于重力而上 浮。
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
[讲义]《河流动力学》大学教材课件-悬移质运动和水流挟沙力
![[讲义]《河流动力学》大学教材课件-悬移质运动和水流挟沙力](https://img.taocdn.com/s3/m/700de486581b6bd97e19ea73.png)
§5-4 水流挟沙力
3、张瑞瑾方法
“ 制紊功“假说——悬移质具有抑制紊动 的作用，使水流条件（v、h、B）相同的浑水 水流比清水在单位时间、单位流程内的能损小， 两者的差别即制紊功。
据此建立能量平衡方程：
大量存在。 ⑵ 冲泻质 悬移质中较细的一大部分泥沙，在河床中
少有或没有。
§5-1 悬移质概述
二、床沙质和冲泻质﹤仅限于悬移质﹥ 2、区别 ⑴ 床沙质有充分的供给来源，使这部分悬移质有维
持饱和的机会，其饱和含量可以从水流条件与河床组 成条件的相互关系中确定。
⑵ 冲泻质则不同，主要依赖水流从上游带来，在本 河段中得不到充分供给（若上游来量超过本河段水流 所挟带的限度则发生淤积，反之不可能取得应有的补 充），即冲泻质可能是不饱和的，其数量从上游冲蚀 条件与本河段的水流相互关系中探索。
紊动扩散作用 含沙浓度梯度ds/dy 提问：若ω一定，则υ′越大， ds/dy越小
时含沙量垂向分布变化？ 答案：趋向均匀（动态平衡）
§5-1 悬移质概述
问：细沙在静水中能否悬浮？ 答：颗粒极细的泥沙，虽然重力较水大，但
所受的重力作用十分微弱，即便放在在静止 的水中，也可以借助分子的扩散作用与重力 作用相抗衡，从而发生悬浮现象。这是悬移 质存在的一种特殊状态。
§5-2 悬移质含沙量的垂线分布
§5-2 悬移质含沙量的垂线分布
Rouse公式的缺陷： ①因不能求绝对含沙浓度，故不能推求悬移质
输沙率； ②当水面S=0时，河底S→∞，不符合实际； ③若S较大、泥沙颗粒较粗，则计算误差大； ④实际Z比计算结果小，说明实际的悬沙分布
更均匀。
四川大学水力学课件
3
垂直向上运动时， 解：1）容器以等加速度9.8m/s 垂直向上运动时，液体所 受到的质量力为重力和惯性力；取如图所示的坐标系， 受到的质量力为重力和惯性力；取如图所示的坐标系， 则单位质量力为： 则单位质量力为：X=0，Y=0，Z=-g-a=2g带入平衡微分 方程有： 方程有：
dp = ρ ( Xdx + Ydy + Zdz) = −2 ρgdz ⇓ integarating p = −2 ρgz + C 自由液面z = z 0 , p = 0 ∴ C = 2ρgz0 所以有：p = 2ρg(z0 − z) = 2ρgh 而容器底面积 = 1.5 ×1.2 = 1.8 m 2 A 容器底部的总压力 = p × A = 2 × 930 × 9.8 × 0.9 ×1.8 = 29.53KN P 方向向下
z
x
1-9 一圆柱形容器静止时盛水深度H=0.225m，筒深为 0.3m，内径D=0.1m，若把该圆筒绕中心轴作等角速度旋 转，试问： 试问： 不使水溢出容器，最大角速度为多少？ （1）不使水溢出容器，最大角速度为多少？ 为不使容器中心露底，最大角速度为多少？ （2）为不使容器中心露底，最大角速度为多少？
解： 作用在液体质点上的单位质量力有重力和惯性力， 其合力为f , 且液面为等压面，所以f 必与倾斜的 液面垂直，因此有：
tg α = a = H − h g 1 L 2 a = 2 g (H − h) L 根据液体平衡微分方程 dp = ρ ( Xdx + Ydy + Zdz ) = ρ ( − adx − gdz ) r = − g ( adx + gdz ) 积分得 x=0 z = zo p = po
ω 2R 2 1 ω 2R 2 令Z0 = H'− ≥0⇒ ≤ 2H' = Zω 2 2g 2g
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No Image
如流速加大至沙垄 顶附近水流的垂直脉动 流速大于泥沙的趁奖速 度，则泥沙到达沙垄顶 以后，就转入悬浮状态， 河床又恢复平整（如图 c）。 4.立波与逆行沙垄。在 水深较浅的地方，河床 的起伏使水面做相应的 起伏（如图d）。
沙纹，沙垄，立波，逆行沙垄等河床形态统称沙波。
‹#1›2
列维公式 gs 19.6d v v0
v
3
d
1
4
gd H
‹#2›0
No Image
三 应用功率原理 根据功率原理与无量纲数表达
的爱克斯和怀特1973年提出的公式
G
C
F
m
1
A
F
v
g s d
1
v*
32
lg
H
d
32 lg v
H
d
n
四 应用纪律概念 根据统计法则建立的推移质输
‹#›3
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（２）几何平均粒径，用下式表示：
d y
d p1 1
d
p2 2
d
pn n
1 100
n
pi lg di
或
lg d y
i 1
100
‹#›6
No Image
二 泥沙的容重及干容重
泥沙的容重 系指沙粒的重量与沙粒体积的比值，其值 在26000牛顿／米３至27000牛顿／米３之 间，在应用上一般可取起平均值26500牛 顿／米３。
‹#›8
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水流的脉动，使作用在河床上的作用力也为脉动量。
河床原来是平整的，由于水流的脉动，使瞬时流 速较大地点发生冲刷，而在速度较小的地方淤积，河 床就失去平整。
在非均匀沙组成的河床上，细沙先冲走，亦开始 使河床失去平整。
河床失去平整以后，少量泥沙聚集在床面的某些 部位，形成小丘，在小丘后面形成旋涡。
沙率公式参阅爱因斯坦著，“明渠水流的挟沙能力”。 此处略。
‹#2›1
No
Image
16-5 悬移质运动
泥沙从河底起来以后，如果遇到具有足够强度和尺度的 紊动旋涡就会悬浮起来。紊流旋涡的强度和尺度和水力条件 有关，泥沙开始悬浮和悬浮的沙量也与水力条件有关。
第二，河床上平均粒径的泥沙已运动到无法估计的 程度；
第三，各种大小的泥沙都已投入运动，床面形态发 生改变，称为普通移动。
‹#1›7
No Image
右图为河床沙 粒的受力情况。主 要有水流的水平推 力，垂直上举力和 泥沙在水中的重量 三种。
u*0 K
s gd
系数K中包括有：a1, a2 , l1, l2 , l3 均与泥沙形状和组成有关。
No
Image 16-2 泥沙的静水中的沉降速度
如下图所示为球体在液体中沉降的三种状态。
（a）为球体做层流沉降时，流线紧贴球体，只受表面阻 力的作用 （c）为球体做紊流沉降时，边界层分离，球的后部产生 旋涡，阻力主要是形状阻力 （b）表示球体过渡状态沉降，这时表面阻力与形状阻力 都应同时考虑
‹#1›3
淤积泥沙 的干容重
系指沙样在100～105℃的温度下烤干后的 重量与沙粒的孔隙体积之和的比值，由于 孔隙随泥沙的级配及淤积久暂而变化，所 以变化的幅度较大，可由300牛顿／米３至 17000牛顿／米３。
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三 河流泥沙的分类及运动形式
按照泥沙的运动状态，可以分为推移质（底沙） 和悬移质两类。 从河床的演变来看泥沙可分为造床泥沙与非造床泥沙。 1.细颗粒泥沙的运动。细的泥沙在比较小的流速时就 开始运动。 2.粗颗粒泥沙的运动。当流速逐渐增大，粗颗粒就开 始运动。 3.沙纹与沙垄。
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球体在静止液体中沉降的普通公式
4 s 1 gd 3 Cd
一 层流沉降 二 紊流沉降 三 过渡区沉降
g 18
1
s
1d 2
3.1 s gd
2
4 3
g a
s
1
ห้องสมุดไป่ตู้
3d
1
3
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综上所述：
（1）球体做层流沉降时 与d2成正比，与 s
成反比
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第十六章 河渠挟沙水流理论基础
天然河流和无衬砌的渠道，在水面以下的河床部分和 水面以上的河岸部分都是由泥沙组成的，水流中也挟带着 泥沙。挟带泥沙改变了原来的水流结构，使流速分布和能 量损失与清水水流有差异。
在水流作用下，泥沙要运动。运动的方式可能是沿着 河床运动，也可能是分布在水流中作上下左右运动。
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泥沙沿着迎水面运动，到达小丘顶点后，落入背 水面的旋涡中，在那里沉积下来，床面就形成了高低 不平的沙纹，沙纹的迎水面不断冲刷，背水面逐渐淤 积而延伸，使整个沙纹向前移动。如下图
‹#1›0
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河床形成沙纹 以后，水面因河床 的起伏而波动，仍 保持（如图a）。
如继续增大流 速，但Fr仍小于1， 沙纹的长与高将增 大，终于使水面的 波峰出现降落，而 波谷处的水面隆起 （如图b）。
2
（2）球体在过渡区沉降时
成反比
与d成正比，与
s
3
1
（3）球体做紊流沉降时 与
成反比。
d
成正比，与
s
2
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由实验得出的 Cd 值，见下图。
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16-3 泥沙的临界推移力与启动流速
泥沙的启动标准： 第一，河床上的局部地方，屈指可数的泥沙已运动 到无法估计的程度；
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希尔兹将上式改写为：
u*20
s gd
K'
f u*0d
点绘实验成果如下图:
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No
Image
16-4 推移质输沙率
推移质输沙率的影响因数个归纳为下面四类：
一 从河底切力出发
流速直线分布如图
法国杜勃埃提出的 输沙率公式：
gn 0
二 以流速为主要参数
本章的目的在于探求水流与泥沙相互作用的力学机理 和运动规律。
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16-1 泥沙的特性
一 泥沙的粒径及级配曲线
泥沙的常用表示方法
１．等容粒径。与泥沙颗粒的体积相等的球体直径称为等 容粒径。 ２．筛孔粒径。以泥沙颗粒刚能通过的筛孔大小作为粒径， 称为筛孔粒径。
３．沉速粒径。标准筛最小的空径为0.623毫米。与泥沙 比重相同，在相同液体中沉降时，具有相同沉速的圆球直 径。 ４．大颗粒泥沙的粒径可用算术平均或重量计算法：
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第十六章 河渠挟沙水流理论基础
16-1 16-2 16-3 16-4 16-5 16-6 16-7 16-8 16-9
泥沙特性 泥沙在静水中的沉降速度 泥沙的临界推移力与起动流速 推移质输沙率 悬移质运动 悬移质含沙量沿垂线分布 水流挟沙能力 冲积河流和挟沙水流的阻力变化 泥沙连续性方程式