水力学实验5.水工模型试验基础21页PPT
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水力学 (完整版)PPT
2020/4/5
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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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1
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)
水力学第三版PPT模板
§4-1概述
§4-3沿程水头损失的 公式及影响因素
§4-5沿程水头损失系 数的试验研究
§4-2恒定均匀流的切 应力
§4-4层流、紊流及其 判别
§4-6紊流特征及紊流 内部结构
第四章液 流形态和 水头损失
§4-7谢才公式及谢才系数 §4-8边界层概念及其分离现象 §4-9局部水头损失 习题
06
第五章层流和紊流的水力特性
10
第九章明渠水流的两种流态及水跃
第九章明渠水流的两种流态及 水跃
§9-1明渠水流的流动状态
§9-2断面单位能量、临界水深、 临界底坡
§9-3明渠水流流态转换的局部水 力现象——水跌与水跃
§9-4水跃基本方程及水跃的水力 计算
习题
11
第十章明渠非均匀流
第十章明渠非均匀流
§10-1概述
1
§10-2棱柱形明渠水面曲
05 §6 - 1 1边界层理论 06 习 题
08 第七章有压管流
第七章有压管流
§7-1概述 §7-2短管的水力计算 §7-3长管的水力计算 §7-4有压管道非恒定流 简介 习题
09 第八章明渠均匀流
第八章明渠均匀流
§8-1概述 §8-2明渠均匀流的水力计算 §8-3明渠均匀流水力计算的其它 问题7恒定平面渗流的流网解法 习题
15
第十四章水力模型试验基本原理
第十四章水力模型 试验基本原理
§14-1概述 §14-2水力相似基本原理 §14-3量纲分析 §14-4水力模型试验的优缺点 习题
16
第十五章综合水力计算实例
第十五章综合水力 计算实例
§15-1水闸水力计算实例 §15-2拦河溢流坝水力计算实例 §15-3河岸溢洪道水力计算实例 §15-4有压隧洞水力计算实例
水力学经典教学课件PPT(83张)
水面激起一微小波动，波高h，波以速度vw从右向左
传播。观察微波传播： 波形所到之处将带动水流运 动，流速随时间变化，是非恒定流，但可化为恒定流。
vw
∆h
h
• 选动坐标随波峰运动，假想随波前进来观察渠 中水流相对于动坐标系 波静止渠中原静止水
体以波速vw从左向右流动，整个水体等速度
向右运动，水流为恒定流，水深沿程变化，是 非均匀流。
临
界
流
v c, 急 流
一般断面渠道静水中波速c为
c gA/B gh
• 将一块石子投入静水中，水面以投石点为中心 产生一系列同心圆，其以一定速度离开中心向
四周扩散
vw
vw’
• 将石子投入等速运动的水流中，则波传播速度 是水流流速与波速向量和。当水流流速小于波 速（v < vw）时，微波向下游传播的绝对速度 为（v + vw），向上游传播的绝对 v
vw+ v
• 当水流的流速等于波速（v= vw）时，微波向
下游传播的绝对速度是 2 vw。
2 vw
• 当水流流速大于波速（v > vw）时，微波只向 投石点下游传播，对上游的流动没有影响。
vw + v
• 一平底矩形断面水渠，水体静止，水深为h，水中有
一个直立的平板。用直立平板向左拨动一下，板左边
弗劳德（Froude）数的物理意义：
v
v2
Fr 2
gh 2gh
表示过水断面单位重量液体平均动能与平均 势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水 流的平均动能所占的比例愈大。
[Fr]
[惯性力] [重力]
表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关 系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流 时，重力对水流起主导作用。
传播。观察微波传播： 波形所到之处将带动水流运 动，流速随时间变化，是非恒定流，但可化为恒定流。
vw
∆h
h
• 选动坐标随波峰运动，假想随波前进来观察渠 中水流相对于动坐标系 波静止渠中原静止水
体以波速vw从左向右流动，整个水体等速度
向右运动，水流为恒定流，水深沿程变化，是 非均匀流。
临
界
流
v c, 急 流
一般断面渠道静水中波速c为
c gA/B gh
• 将一块石子投入静水中，水面以投石点为中心 产生一系列同心圆，其以一定速度离开中心向
四周扩散
vw
vw’
• 将石子投入等速运动的水流中，则波传播速度 是水流流速与波速向量和。当水流流速小于波 速（v < vw）时，微波向下游传播的绝对速度 为（v + vw），向上游传播的绝对 v
vw+ v
• 当水流的流速等于波速（v= vw）时，微波向
下游传播的绝对速度是 2 vw。
2 vw
• 当水流流速大于波速（v > vw）时，微波只向 投石点下游传播，对上游的流动没有影响。
vw + v
• 一平底矩形断面水渠，水体静止，水深为h，水中有
一个直立的平板。用直立平板向左拨动一下，板左边
弗劳德（Froude）数的物理意义：
v
v2
Fr 2
gh 2gh
表示过水断面单位重量液体平均动能与平均 势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水 流的平均动能所占的比例愈大。
[Fr]
[惯性力] [重力]
表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关 系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流 时，重力对水流起主导作用。
水力学实验4.水工及河工模型试验理论基础
u 0 1
l01 t 01
u
u01 u01
l01 t01
l01 l t01 t
ut 1（相似指标） ut ut idem K（相似准数）
l
l p l m
❖ 两体系运动相似，要求相似指标等于1，或相似准数等于某 一常数。物理量比尺之间相互制约，不能全部任意指定。
4.1 相似现象及相似概念
量之间保持一定的比例，其相似指标为1或它们的各种相似准
数的数值相等。
❖ 例：牛顿相似律：
v F
Mav
M
duv
r
原型：Fp
r
Mp
r du p dt p
dt
r
模型：Fm
r
Mm
r dum dtm
F
Fr p Fm
,
m
Mp Mm
,
u
u r
p
um
,
t
tp tm
相似变换
F t （1 相似指标） mu
Ft Mu
P
第四章 水工与河工模型试验理论基础
4.1 相似现象及相似概念
一、相似的定义及含意
❖ 定义：两个物理体系的形态和某种变化过程相似，即不仅 静态相似，动态也相似；形式相似，内容也相似。
❖ 相似的含意 ➢ 相似：在几何相似的系统中，各相应点上发生着物理本 质相同的过程，并可用相同的物理方程来描述。 ➢ 模拟：两个体系的物理性质不同，但遵循同一数学规律， 通过对一种物理现象的研究去了解另一物理现象的方法。
uzm ym
uzm
uzm zm
g
g zm
p l
1
m
pm zm
u l2
m2uzm
2 u
水力学实验5.水工模型试验基础
F G mg L3g
将上式代入牛顿普遍相似准则 L22 L3g
Frp Frm
★在重力起主导作用两个相似系统中， 必须保证原型和模型的弗汝德数相等。因 此重力相似准则，又称弗汝德数准则，模 型与原型之间各物理量的比尺不能任意选 择，必须遵循弗汝德数准则。
现将各种物理量的比尺与模型比尺 L
的关系推导如下：
因为 V L3 8000
所以
Vm
Vp
V
2074104 8000
2593m3
所以水工模型中的放水时间为16.11d， 控制放水流量是2593m3。
第三节 水工模型设计的几点说明
（1）如果原型水流是紊流，则模型中 的水流也应该是紊流，在设计河道模型时 要选择几个流速较小的断面进行校核。
(2)原型水流是缓流或急流，模型中也 相应为缓流或急流。
L
W F L L4
3.阻力相似准则
2 p
m2
g p Lp J p gmLm Jm
或
Frp Frm Jp Jm
（1）阻力平均方区的紊流阻力相似准则
★水流在阻力平方区时，只要模型与原型
的沿程水头损失系数相等，就可以满足模 型与原型流动的阻力相似的要求，就可以 用弗汝德数准则进行阻力相似模型的设计。
t
tp tm
加速度比尺
p m
Lp / tP Lm / tm
L t
a
ap am
Lp Lm
/ tP2 / tm2
L t 2
根据定义，流速可以用长度除以时间 表示，而加速度则要用速度除以时间表示。
由此可见，满足运动相似的流速比尺 和加速度比尺都不是任意选定的，它们与 时间比尺、长度比尺都是相互关联的。
L
将上式代入牛顿普遍相似准则 L22 L3g
Frp Frm
★在重力起主导作用两个相似系统中， 必须保证原型和模型的弗汝德数相等。因 此重力相似准则，又称弗汝德数准则，模 型与原型之间各物理量的比尺不能任意选 择，必须遵循弗汝德数准则。
现将各种物理量的比尺与模型比尺 L
的关系推导如下：
因为 V L3 8000
所以
Vm
Vp
V
2074104 8000
2593m3
所以水工模型中的放水时间为16.11d， 控制放水流量是2593m3。
第三节 水工模型设计的几点说明
（1）如果原型水流是紊流，则模型中 的水流也应该是紊流，在设计河道模型时 要选择几个流速较小的断面进行校核。
(2)原型水流是缓流或急流，模型中也 相应为缓流或急流。
L
W F L L4
3.阻力相似准则
2 p
m2
g p Lp J p gmLm Jm
或
Frp Frm Jp Jm
（1）阻力平均方区的紊流阻力相似准则
★水流在阻力平方区时，只要模型与原型
的沿程水头损失系数相等，就可以满足模 型与原型流动的阻力相似的要求，就可以 用弗汝德数准则进行阻力相似模型的设计。
t
tp tm
加速度比尺
p m
Lp / tP Lm / tm
L t
a
ap am
Lp Lm
/ tP2 / tm2
L t 2
根据定义，流速可以用长度除以时间 表示，而加速度则要用速度除以时间表示。
由此可见，满足运动相似的流速比尺 和加速度比尺都不是任意选定的，它们与 时间比尺、长度比尺都是相互关联的。
L
水力学(给排水基础)课件
m h 4.23m
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=
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
实验设备
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。
水力学课件 第13章 水力模型试验基本原理w
第 几何尺寸要求不同。
十 二
若要速度比尺相等，则
章
1
L2
L
3
L2
水 力 模
如取： L
Lp Lm
10,
p m
31.6
型
试
验 基
则
本
m
p
31.6
实验用流体很难得到
原
理 即使配方得到，实验成本很高。因此，要分析什么
力起主导作用，保证其相似准则相等，其次略去。
水力学
第 怎样判别哪些是决定性准则呢？可用定理来确定。 十 或由经验决定。
第 十
满足，只可能让起主导作用的相似准则数满足。
二 章
例如：在几何相似前提下，既要满足 Fr数又要满 足 Re数，就有
水
力 模 型 试
Vm2 Vp2
和
gm Lm g p Lp
Vm Lm Vp Lp
m
p
验
基 本
在同一地点，用不同种流体做实验
原
理
1
V L2
V
L
水力学
由此可见，要同时满足两种准则数，对原型和模型的
2h f
k1
1
ln f lnh 2 ln A
原 理
以f的边界条件代入上式得k1=0，故上式变为: 分离变量
df 2h f 0 它的通解为： dh
f k0eh2
水力学c - M 1 [ f (h) h f ]
t 2 4 Dt
h
第 十 二 章
D
2c x 2
=-
M 1 2 f
4 Dt 4t h 2
二 章
水 明渠、水上飞行器、船舶阻力实验以 Fr数为主。
力 有压管流、液压油流、低速绕流 Re 数为主