水力学-过流建筑物的水力计算7.6-7.8
水力学A 课程教学大纲
3、牛顿内摩擦定律和粘滞系数
4、连续介质、理想液体和实际液体的概念
5、作用在流体上两种力：质量力和表面力
（二）水静力学
1、静水压强及其两个特性
2、液体平衡微分方程及其积分，等压面和等压面方程
3、重力作用下静水压强基本方程及应用
本课程将为后续专业课打下基础
对于在专业课中将重点讨论的问题，如间接水击水力计算、土坝渗流等将不在本课程中详细讲授
水力学是一门技术基础课，应当联系专业，但着重在分析水流现象，介绍基本理论和设计计算方法，不宜过分强调专业需要而削弱基本原理的讲授
（三）、各章内容的重点、深度和广度
本课程大纲中带*者可按情况安排少讲或不讲
9、堰流及闸孔出流
本章重点是堰闸过流能力计算
理解堰流、闸孔出流的特点与区别，了解堰流的类型，熟练掌握堰流和闸孔出流的水力计算，理解曲线型实用堰剖面的设计
10、泄水建筑物下游的水流衔接与消能
本章的重点是底流式消能设计计算
了解工程上常见的消能方式，掌握底流消能水力设计计算，消力池深度和长度的确定
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水力学A 课程教学大纲
课程
名称 中文：水力学A 课 程
编 号 0210010 英文：Hydraulics 适用
专业 水工、水文、农水、港航 培养层次 本科四年 开课学期 第5学期 总学时 80 学分 5分 教研室 水力学 撰写人 王二平
4、进行水流运动分析，掌握常见工程水力计算的方法，包括静水压力的计算和水力载荷的确定，管道、明渠和其它过流建筑物断面尺寸和过流能力的确定，水流衔接和消能设施的设计计算，水击计算及渗流计算等
水力学06,0708年试卷及答案说课讲解
水力学06, 07. 08年试卷及答案2007 年一，名词解释：1. 连续介质：流体质点完全充满所占空间，没有间隙存在，其物理性质和运动要素都是连续分布的介质。
2. 流线：某一确定时刻t,在流场中一定有这样的曲线存在，使得曲线上各点处的流体质点的流速都在切线方向，这样的曲线就叫做该时刻t的流线。
3. 长管：在水力计算中，管道沿程阻力远远大于局部阻力，局部阻力可以忽略不计的管道。
4. 水跃：明渠水流从急流过渡到缓流状态时，会产生一种水面突然跃起的特殊局部水里现象，既在较短的渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深的现象。
5. 渗流模型：在保持渗流区原有边界条件和渗透流量不变的条件下，把渗流看成是由液体质点充满全部渗流区的连续总流流动。
二，解答题1. 温度对流体粘性系数有何影响？原因何在？答：温度升高时液体的粘滞系数降低，流动性增加，气体则相反，粘滞系数增大。
这是因为液体的粘性主要由分子间的内聚力造成的。
温度升高时，分子间的内聚力减小，粘滞系数就要降低。
造成气体粘性的主要原因则是气体内部分子的运动，它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的变换。
当温度升高时，气体分子运动的速度加大，速度不同的相邻气体层之间的质量交换随之加剧，所以，气体的粘性将增大。
2. 写出总流伯努利方程，解释各项及方程的物理意义。
2 2答：总流伯努利方程为：Z1-1 匚A Z2—2 -^― h l其中：Z表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均位置势能P—表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均压强势能。
V2——表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均动能。
2gh l表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均机械能损失，称为总流水头损失PH p Z —代表总流过流断面上单位重量流体的平均势能H Z - ^代表—棚能2 2P，P V Pm lmVm3. 长度比尺为40的传播模型实验，测得船速为和原型船舶所受到的波浪阻力（以重力作用为1.2m/s时模型受到的波浪阻力为0.03N，试求原型船速答：根据牛顿一般相似原理：力的比例尺: F p F m弗罗特数法则 F r也兰- gL p gL m即h f ^4 ------------ v av 其中a ^4 -------------- 当流体，管长，管径一定时 a 为定量，所以层流中Ld 2g Ld 2gh f v1.75量，所以光滑区h f v ,2当流体，管长，管径一定时 c 为定量，所以粗糙区 h f v5.简述明渠均匀流发生的条件和特征。
水力学-过流建筑物的水力计算7.6-7.8
3
2
3600 m 3 / s
3600 第三次近似计算： v03 4.14 m / s 79 11
1 4.142 h03 0.87m 2 9.8
Q3 0.363 4 14 4.43 11.87
3
2
3680m3 / s
第四次近似计算：
按第三次求得的流量计算得 v04 4.32m / s
hv04 0.91m H 04 11.91m
Q4 3690 m3 / s
因为Q4与Q3相当接近
Q4 Q3 0 . 27 % Q 4
。故可认为所
求的 Q＝3690m3/s，v0=4.23m/s。
7-6 闸孔出流的水力计算
实际工程中的水闸，闸底坎一般为宽顶堰或曲线
时，对堰顶入口为圆弧形的宽顶
堰，流量系数m=0.36。 3．淹没系数 s
由 hs h1 P2 2.5 0.7 1.8m
0.8H 0 0.8 2.1 1.68m
因为 hs 0.8H 0 ，故为淹没出流。
根据
hs 1.8 0.857 H 0 2.1
，从表8-2查得
上式的适用范围是：250＜α≤900；
0
e 0.65。 H
2、底坎为宽顶堰闸孔淹没出流的水力计算
计算基本公式：
Q s be 2 gH 0
式中： σs淹没系数 μ闸孔自由出流流量系数 b 闸孔宽度 e 闸孔开度 H0闸孔全水头
讨论淹没系数
据南京水利科学研 究所的研究淹没系数σs
h h 与潜流比 t c H hc
讨论流量系数
（1）对于平板闸门的闸孔
流量系数 μ 可按南京水利科学研究所的经验公
水力计算书
水力计算书水力学是研究流体在渠道中的运动规律以及与渠道结构之间的相互作用的学科。
水力计算是水力学的一个重要分支，它涉及到液体在各种条件下的动力学性能研究和计算分析。
水力计算通过建立数学模型和运用物理规律，用数值方法对液体在渠道中的运动进行计算，可以评估管道或渠道的流量、速度、压力等参数。
在工程设计和实际工作中，水力计算被广泛用于水利、环境、能源等领域。
水力计算的理论基础主要有以下几个方面。
首先是流体动力学的基本理论，包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。
质量守恒定律是指流体入口和出口的质量流量之差等于渠道内物质的质量增加量；动量守恒定律是指流体在渠道中动量的增加等于外力对流体施加的总力；能量守恒定律是指在无摩擦和无耗能条件下，流体在渠道中流动时能量的总损失与外界对流体做功的总量相等。
其次是流体力学中的雷诺数和伯努利定理。
雷诺数描述流体运动的稳定性与湍流性质，是水力计算中判断流体流动状态的重要依据；伯努利定理是指当流体在流动过程中速度增加时，压力会降低，而当速度减小时，压力会增加，这个定理在水力计算中有着广泛的应用。
此外，还有流体运动的理论模型和计算方法，包括连续方程、雷诺平均模型、湍流模型、差分格式等。
通过建立流体运动的数学模型和施加边界条件，可以采用离散方法对流体的速度、压力等参数进行数值计算。
在水力计算中，还需根据具体的工程问题，考虑渠道的几何形状、摩擦阻力、局部阻力等因素。
其中，渠道的几何形状与其横截面积、湿周、湿表面积等因素有关，对流量、速度的计算具有重要影响；摩擦阻力是指流体在渠道内沿表面移动时，与渠道壁面之间因摩擦而形成的阻力；局部阻力是指渠道中的转弯、变宽、突缩、堰坝等结构对流体运动产生的阻力。
最后，水力计算还需要结合实际工程情况进行实验验证和模型修正。
通过设计实验、采集数据，并与理论计算结果进行对比，可以验证模型的准确性，并对其进行修正和优化。
综上所述，水力计算是建立在流体力学基本理论基础上的学科，它通过建立数学模型，运用物理规律，通过数值计算和实验验证，对液体在渠道中的运动进行评估和分析。
国开(中央电大)专科《水力学(B)》网上形考、机考试题及答案
国开(中央电大)专科《水力学(B)》网上形考、机考试题及答案国开(中央电大)专科《水力学(B)》网上形考、机考试题及答案说明：试卷号2021，适用于国开中央电大水利水电工程与管理专科学员国开平台网上形考；同时资料也是期末机考的重要资料。
第1章章节测验试题及答案一、选择题1.连续介质假定认为流体()连续。
[答案]在宏观上2.在国际单位制中水力学基本量纲不包括()。
[答案]力3.牛顿内摩擦定律适用于()。
[答案]牛顿流体4.液体不具有的性质是()。
[答案]抗拉性5.下述哪些力属于质量力()。
[答案]惯性力6.在水利水电工程中经常遇到的水力学问题主要有()。
[答案]特殊水力学问题;确定水流能量的利用和消耗;分析水流运动形态;确定水力荷载、计算过流能力“二、判断题7.理想流体与实际流体的区别仅在于，理想流体具有不可压缩性。
[答案]错8.水动力学是研究液体在静止或平衡状态下，作用在液体上各种力的平衡关系。
[答案]错9.压强和切应力属表面力。
[答案]对10.流体惯性力与加速度方向相同。
[答案]错11.黏滞性可以制止流体流动。
[答案]对三、计算题12.如图所示，面积为0.5m2的平板在水面上以速度u ＝1m/s沿水平方向运动，水层厚度δ＝2mm，假设水层内的流速呈直线分布，水温为10oC。
表1不同温度下的动力粘滞系数(1)由已知条件，流速梯度为{A.0.5；B.5；C.50；D.500}s－1。
(2)查表1，温度为10oC，动力粘滞系数为{A.1.781；C.1.307；D.1.139}。
(3)根据牛顿内摩擦定律，平板所受阻力为{A.0.327；B.3.27；C.32.7；D.327}N。
[答案]1.D.500;2.C.1.307;3.A.0.327第2章章节测验试题及答案一、选择题1.静止液体中同一点各方向的静水压强()。
[答案]大小相等2.液体只受重力作用，则静止液体中的等压面是()。
[答案]水平面 3.液体中某点的绝对压强为88kN/m2，则该点的相对压强为()。
水力计算书
水力计算书水力计算是涉及到水流、水体运动以及水力学原理的一门学科，广泛应用于水力工程、水资源管理、水利规划等领域。
水力计算的目的是通过各种计算方法来研究水体流动的各种参数，如流速、水位、水压等，并对水力结构和工程进行设计和优化。
水力计算的基本原理包括质量守恒定律和能量守恒定律。
质量守恒定律表明，在封闭的系统中，流入的水量必须等于流出的水量，即入流=出流。
能量守恒定律则表明在流体运动中，流体的总能量保持不变，包括动能和势能。
根据这两个基本原理，可以推导出一系列水力计算的公式和方法。
在水力计算中，常用的参数包括流量、流速、水位和水压等。
流量是单位时间内通过某一横截面的水量，通常用Q表示，单位为m³/s或m³/h。
流速是单位时间内通过某一横截面的水流速度，通常用v表示，单位为m/s。
水位是指水面的高度或者压力水头，通常用H表示，单位为m。
水压是单位面积上受到的水力作用力，通常用P表示，单位为Pa。
根据质量守恒定律，可以得到流量计算公式：Q = Av，其中A 是横截面的面积，v是水流的速度。
根据能量守恒定律，可以得到水位和流速之间的关系：v = (2gH)^(1/2)，其中g是重力加速度。
通过这些公式，可以相互计算不同的水力参数。
在水力计算中，还经常需要考虑一些特殊情况，如管道阻力、水库泄洪等。
管道阻力是由于水在管道内运动而产生的阻力，可以根据Darcy-Weisbach公式来计算。
水库泄洪是指水库在超过一定水位后，通过泄洪口排放多余水量，通常需要根据水库的形状和放水能力来进行计算。
除了上述基本原理和方法，水力计算还涉及一些复杂的计算模型和数值计算方法，如有限元法、计算流体力学等。
这些方法可以用来模拟和计算复杂的水力现象，如水力振荡、水波传播等。
总之，水力计算是研究水流、水体运动以及水力学原理的一门学科，通过质量守恒定律和能量守恒定律，可以得到一系列水力计算的公式和方法。
水力计算在水力工程、水资源管理、水利规划等领域具有重要的应用价值。
903水力学土木水利水利工程过流建筑物
矩形薄壁堰
三角形薄壁堰
梯形薄壁堰
三角形薄壁堰多用于量测较小的流量，矩形和梯形 薄壁堰则适用于量测较大流量
矩形薄壁堰和直角三角形薄壁堰最为常见
第七章——过流建筑物的水力计算
第三节 薄壁堰的水力计算 矩形薄壁堰的计算
实验证明当矩形薄壁堰 为无侧收缩，自由出流 时，水流最为稳定，测 量精度也较高
平顶堰:
e 0.65 H e 0.65 H
—闸孔出流 —堰流
曲线堰:
e 0.75 H e 0.75 H
闸孔出流 堰流
堰流及闸孔出流的水力计算主要任 务就是确定过水能力即计算Q。
7.2 堰流的类型及水力计算公式
一、堰流类型
1、基本概念
如图所示：堰前断面0-0 堰顶水头H 行近流速v0 堰坎厚度δ 堰宽b 上、下游堰高P1、 P2
3
Q m0b 2g H 2 矩形薄壁堰的水力计算公式
当考虑侧收缩时，不引入侧收缩系数，而是使用带有上游渠宽 B和矩形薄壁堰宽度b的经验公式，并将这些影响放到m0中。
m0
0.4032
0.00666 H
0.0535
H P1
0.00967
(B b)H 0.00768 BP1
B P1
其中H为堰上实际水头；P1为上游堰高；B堰上游渠宽；b为堰宽
无侧收缩堰 有侧收缩堰
薄壁堰：δ/H ＜0.67
0
越过堰顶的 水舌形状不受堰 厚影响，水舌下 缘与堰顶为线接 触，水面呈降落 线。
H
v0
P1
0
δ 1
1
v1
P2
由于堰顶常作成锐缘形，故薄壁堰也称锐缘堰
实用堰流：0.67 ＜δ/H ＜2.5
水力学 第七章课后题答案
为什么低堰的流量系数小而泄流量大
（1）因不考虑淹没情况和侧向收缩情况，泄流量可采用公式
= 23Τ2
因为 = 0.4988 1 Τ 2
可计算出1 = 10时， = 0.4939 = 1270.42 3 Τ
3 = −0.282 = −4.84
17.18
1.85
3
2 2
= 0
根据不同 Τ 可查的不同的
267 = 6309 3 Τ 269 = 7556 3 Τ
（3） = 0.502
可利用流量公式试算出H=15.64m
上游水位高程为266.31m
7.5某灌溉进水闸为三孔，每孔宽为10m；闸墩头部为半圆形，闸墩厚d为3m；边墩头部为
思考题
7.1何谓堰流，堰流的类型有哪些？它们有哪些特点？如何判断
堰流：在水利工程中，为了引水或泄水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流
量。当这类建筑物顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物
顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。
类型及判断：
根据过流堰顶的水流形态随堰坎厚度与堰顶水头之比 而变
（1）设计堰的剖面形状，及堰顶高程 311页
（2）当上游水位高程分别是267m和269m时，所设计的堰剖面通过的流量各为多少（下游水位低于
堰顶。
（3）通过流量为6000时，所需要的上游水位高程
（1）闸墩和边墩均为圆形，测收缩系数可求
= 1 − 0.0058
H为堰顶作用水头，WES坝的流量系数为0.502
流量系数可以由经验公式求出
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解：因闸室下游为陡坡渠道，下游为急流。故闸门
全开时通过闸室的水流应为多孔无坎宽顶堰自由出流。计
算公式为
'
3
Q m b 2gH0 2
式中，b=nb ′ =4×14=56m；
'
m
应为包括侧收缩影响的各孔流量系数的加权平均值
。可分别计算中孔流量系数m1' 及边孔流量系数m2' ，然后 用加权平均法求m' ，具体计算如下：
与潜流比 ht hc
σs
H hc
有关，可由图8.35查得。
ht hc H hc
二、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流
水流流线在闸前整个深度内向闸孔集中，故水流 的收缩比平底闸孔充分和完善得多。出闸后水舌在重 力作用下紧贴溢流面下泄，不存在明显的收缩断面。
(a)
(b)
在实际工程中，由于下游水位过高而使曲线型实 用堰顶闸孔形成淹没出流十分少见，所以对曲线型实 用堰顶的闸孔，我们只讨论自由出流的情况。
中孔流量系数 m1'
r b'
d 2
b'
2.5 0.179 14
由表8 5查得m1' 0.363；
b B
b' b' d
14 14 5
0.737
边孔流量系数 m2'
b B
b'
b' 2
14 14 2 4
0.637由表8 4查得m2'
0.363
ctg ctg300 1.732
流量系数
1．对于平板闸门
0.65 0.186 e (0.25 0.357 a ) cos
H
H
式中，θ值如图所示。
2．对于弧形闸门
e/H 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.50 0.60 0.70
μ 0.721 0.700 0.683 0.667 0.652 0.638 0.625 0.610 0.584 0.559 0.535
因为Q4与Q3相当接近
Q4 Q3 Q4
0.27%
。故可认为所
求的 Q＝3690m3/s，v0=4.23m/s。
7-6 闸孔出流的水力计算
实际工程中的水闸，闸底坎一般为宽顶堰或曲线 型实用堰，闸门型式主要有平板闸门及弧形闸门。
闸孔出流水力计算任务：（1）在一定闸前水头下 计算不同闸孔开度时的泄流量Q；（2）根据已知的泄 流量求所需的闸孔宽度b。
主要内容： 1、控制断面水深hc的计算 2、水跃位置与形式的判别 3、消能池的设计
一、控制断面水深hc的计算 1、推导：利用能量方程（E.E）
E0
P1 H
2
00
2g
hc
2
cc
2g
c2
2g
2
00
2g
E0
hc
( c
)
c2
2g
令
1
c
vc
Q Ac
E0
hc
Q2
2gAc2 2
对于矩形断面：Ac bhc
因为
ht 3.5m hc" 2.91m
故闸孔为淹没出流，流量应根据（8-25）式计算。
潜流比
(ht
hc" ) /(H
hc" )
3.5 2.91 5 2.91
0.282
；
从图8.35查得淹没系数σs＝0.72。所以闸孔出流量为
Q 0.72(0.6 0.176 0.2)31 4.43 5 12.1m3 / s
H 0 2.1
s 0.953
4．侧收缩系数 1
1
(n
1)1'
n
1
对闸、边墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为圆弧的宽顶
堰，（8-15）式中a0=0.1。则中孔侧收缩系数 边孔侧收缩系数
" 1
1
0.1 4 b' (1 b' ) 7 b' 1 b' 1
3 0.2
2
" 1
1
3
0.1 0.2
7
4
b'
b' (1
7-7 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
1、问题：高速下泄水流对河床的冲刷 2、任务：消除下泄水流多余的能量 3、解决办法： 能量转化
底流式消能 常用消能措施： 挑流式消能
面流式消能
1、底流式消能（underflow energy dissipation）
利用水跃表面旋滚和 强烈紊动消能
在建筑物下游采取一定 工程措施，控制水跃发生位 置，使得c-c断面的急流与 下游正常缓流衔接起来。高 流速主要在底部。
计算公式 矩形薄壁堰流
三角形薄壁堰流
上节回顾 曲线型实用堰流
剖面形状
分类
m、1
实用堰流
淹没出流及
水力计算
水力设计
折线型实用堰流
计算
3
堰流及闸
公式 Q 1 smnb 2g H0 2
孔出流
有坎宽顶堰流
m、1 mmax 0.385
分类 宽顶堰流
淹没条件 hs 0.8H0
水力计算
无坎宽顶堰流
计算 Q s1mnb 2gH03/ 2
180 0
180 0 H
上式的适用范围是：250＜α≤900；
0
e H
0.65。
2、底坎为宽顶堰闸孔淹没出流的水力计算
计算基本公式：
Q sbe 2gH0
式中： σs淹没系数 μ闸孔自由出流流量系数 b 闸孔宽度 e 闸孔开度 H0闸孔全水头
讨论淹没系数
据南京水利科学研 究所的研究淹没系数σs
解:
因为
e H
1 5
0.2
0.65
故为闸孔出流。
先判别闸孔出流的性质：
由表8-7，当e/H＝0.2时，垂直收缩系数ε2＝0.619， 则收缩水深为
hc 2 e 0.619 1 0.619 m
收缩水深hc的共轭水深 hc" 由下式计算
hc"
hc 2
(
1 8 vc2 ghc
1)
收缩断面的流速vc为
3600m3
/s
第三次近似计算：
v03
3600 79 11
4.14m /
s
h03
1 4.14 2 2 9.8
0.87m
Q3
3
0.363 414 4.4311.87 2
3680m3
/
s
第四次近似计算：
按第三次求得的流量计算得 v04 4.32m / s
hv04 0.91m H 04 11.91m Q4 3690 m3 / s
解：因为 6 3 ，2.5 10 ，故闸孔全开时为宽顶
H2
H
堰流，其计算公式为 Q 1 s mnb'
3
2gH0 2
现分别计算式中各项：
1．闸前全水头H0 由于行近流速v0的方向与进水闸轴线交角为θ＝450， 故全水头H0可以下列公式计算
H0
H
a 0 v02 2g
cos
2 11.62 2 9.8
Q2
q2
E0 hc 2gAc2 2 hc 2ghc2 2
2、hc计算方法： 试算图解法
迭代计算（矩形断面）
查图法
二、水跃的位置与形式及其对消能的影响
ht hc 临界式水跃
ht hc 远驱式水跃
ht hc 淹没水跃
平底闸孔下游三种水跃衔接形式的示意图
j 1
j 1
j
ht hc
j 1
2 0.8
b'
b' )
2 0.8
2
因b ′未知，故计算只能按试算法进行。
设nb′＝9m，则
b'
9
；由此可求得
3m
3
1'
1
3
0.1 0.2
7
4
3 (1 31
3) 31
0.985
2
" 1
1
0.1 4 3 (1 3 ) 7 3 2 0.8 3 2 0.8
3 0.2
2
＝0.980
公式
Q sm'nb 2g H03/2
上节回顾
例8-5 今拟在某拦河坝上游设置一灌溉进水闸如图
所示。已知，进闸流量Q为41m3/s，引水角θ为450，闸下 游渠道中水深h1为2.5m，闸前水头H为2m，闸孔数n为3， 边墩进口处为圆弧形，闸墩头部为半圆形，闸墩厚d为1m， 边墩的计算厚度Δ为0.8m，闸底坎进口为圆弧形，坎长δ 为6m，上游坎高P1为7m，下游坎高P2为0.7m，拦河坝前 河中流速v0为1.6m/s。求所需的堰孔净宽b。
当下游水深较大且 比较稳定时，可采取一 定工程措施，将下泄的 高速水流导向下游水流 的上层，主流与河床之 间由巨大的底部旋滚隔 开，可避免高速主流对 河床的冲刷。余能主要 通过水舌扩散，流速分 布调整及底部旋滚与主 流的相互作用而消除。
下图采用消能戽是一种底流和面流结合应用的实例。
7.8 底流消能的水力计算
2、挑流式消能(ski-jump energy dissipation)
利用挑流水舌与旋滚消能
利用下泄水流所挟带的 巨大动能，因势利导将水流 挑射至远离建筑物的下游， 使下落水舌对河床的冲刷不 会危及建筑物的安全。
3、面流式消能(surface flow energy dissipation)
利用表面旋滚消能
总 结：
计算基本公式：
Q s be 2gH0
式中： σs淹没系数（自由出流σs＝1） μ闸孔自由出流流量系数 b 闸孔宽度 e 闸孔开度 H0闸孔全水头