水力学
水力学辅导材料6
水力学辅导材料6： 一、第6章明槽恒定流动（1） 【教学基本要求】 1、了解明槽水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。 2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明槽均匀流公式，并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。 3、理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法，学会正确选择明渠的糙率n值。 4、掌握明槽均匀流水力设计的类型和计算方法，能进行过流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。 5、掌握明渠水流三种流态（急流、缓流、临界流）的运动特征和判别明渠水流流态的方法，理解佛汝德数Fr的物理意义。 6、理解断面比能、临界水深、临界底坡的概念和特性，掌握矩形断面明渠临界水深h k 的计算公式和其它形状断面临界水深的计算方法。 【内容提要和学习指导】 这一章是工程水力学部分内容最丰富也是实际应用最广泛的一章。 本章有4个重点：明渠均匀流水力计算；明渠水流三种流态的判别；明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算，这部分也是本章的难点；水跃的特性和共轭水深计算。学习中应围绕这4个重点，掌握相关的基本概念和计算公式。 这一讲我们讨论前2个问题，后面2个问题将放在第7讲讨论。 明渠水流的复杂性在于有一个不受边界约束的自由表面，自由表面能随上下游的水流条件和渠道断面周界形状的变化而上下变动，相应的水流运动要素也发生变化，形成了不同的水面形态。 6.1 明槽和明槽水流的几何特征和分类 （1）明槽水流的分类 明槽恒定均匀流 明槽恒定非均匀流 明槽非恒定非均匀流 明槽非恒定均匀流在自然界是不可能出现的。 明槽非均匀流根据其流线不平行和弯曲的程度，又可以分为渐变流和急变流。 （2）明槽梯形断面水力要素的计算公式：
东南大学水力学试卷
东南大学考试卷（B卷） 适用专业考试形式闭卷考试时间长度120分钟 一、单项选择题(填写唯一正确答案的编号) (每小题2分, 共20分) 1、静止液体中同一点各方向的压强（） A、数值相等； B、数值不等； C、仅水平方向数值相等； D、铅直方向数值最大。 2、已知水流的沿程水力损失系数 只与边界粗糙度有关，可判断该水流属于 （） A、层流区； B、紊流光滑区； C、紊流过渡粗糙区； D、紊流粗糙区。 3、圆管紊流的断面流速分布规律符合（） A、直线分布； B、对数分布； C、抛物线分布； D、椭圆分布。 4、管径d=10mm，流量Q=20cm3/s，运动粘度ν=0.0101cm2/s，则管中水流属于 （） A、层流 B、紊流 C、渐变流 D、急变流 5、从力学角度看，佛劳德数Fr所表示的两种力的对比关系是（） A、惯性力与粘滞力； B、重力与粘滞力； C、惯性力与重力； D、压力与粘滞力。 6、A、B两根输水管道，其长度、糙率和管径都相同，则通过流量的关系为 A、Q A =Q B ； B、Q A >Q B ； C、Q A A、急变流 B、缓流 C、急流 D、层流 8、紊流粗糙区的水头损失与流速的（）成正比。（） A、1次方； B、2次方； C、1.75～2.0次方； D、3次方 9、发生水跃的充分必要条件是（） A、从层流过渡到紊流； B、从陡坡过渡到缓坡； C、从缓流过渡到急流； D、从急流过渡到缓流。 10、当底坡i及糙率n确定的情况下，水力最佳断面是（） A、湿周一定，面积最小的断面； B、面积一定，湿周最小的断面； C、最低造价的断面； D、最小糙率的断面。 二、是非题(正确的划“√”，错误的划“×”) (每题2分, 共20分) 1、理想液体就是不可压缩液体。（） 2、图中矩形平板上静水总压力的作用点位于受压面形心点O以下h/6处。 （） 3、圆管中层流的雷诺数必然大于2320。（） 4、棱柱体明渠的临界水深只与通过的流量、明渠断面形状及尺寸有关，而与渠道的纵坡无关。（） 5、水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。（） 6、在长管中，总水头线与测压管水头线重合。（） 7、缓坡上可以出现非均匀急流。（） 8、渐变流同一过水断面上各点的测压管水头近似相等。（） 9、若并联管道各支管的长度不同，则各支管的水头损失也不同。（） 10、圆管层流的流速分布要比紊流的流速分布均匀。（） 共9 页第2页 上计算水力学课的心得 水利水电学院水力学及河流动力学 胥慧1030201016 摘要：首先通过计算水力学这门课程的学习，联想到不规则的平面图形面积的求解；还简要说明了从中学到的内容，着重说明了离散的有关问题；最后阐述了自己对这门课程的几点意见。 关键词：面积，区域离散，控制方程离散，意见 1、不规则图形面积求解 上计算水力学这门课程时，我突然想起小时候学过对于一个边界形状不规则的平面图形面积问题的求解方法。当时是先把那个不规则的平面图形誊画在一个透明的玻璃板上，再把一张事先做好的1cm×1cm方格纸铺在玻璃板下边，先记录一下不规则图形里显示完整的小方格数目，对于不完整的小方格，正好满半个格算的两个算一个格，大于半个格计一个格，不满半个格的舍去，这样相加在一起就是这个不规则的几何图形的近似面积。同样的办法，再分别用0.5cm×0.5cm 的方格纸和0.1cm×0.1cm的方格纸对不规则图形面积进行计算。结果不言而喻，必然是用0.1cm×0.1cm的方格纸得到的近似解更接近真实解。通过缩短方格纸的边长，来实现接近真实解的方法。用类比的方法学习了计算水力学这门课。2、学到的内容 在以前的学习中我了解到，描述流体流动及传热等物理问题的基本方程为偏微分方程，想要得它们的解析解或者近似解析解，在绝大多数情况下都是非常困难的，甚至是不可能的，就拿我们熟知的Navier-Stokes方程来说，现在能得到的解析的特解也就70个左右。通过学习计算水力学这么课程，我知道对这些问题进行研究，可以借助于现在已经相当成熟的代数方程组求解方法，对于这种方法简单来说就是将连续的偏微分方程组及其定解条件按照某种方法遵循特定的规则在计算区域的离散网格上转化为代数方程组，以得到连续系统的离散数值逼 第 七 章 习 题 解 答 7-1 梯形断面壤土渠道，已知通过流量Q = 10.5 m 3/s ，底宽b = 8.9 m ，边坡系数m = 1.5，正常水深h 0= 1.25 m ，糙率 n = 0.025，求底坡i 和流速v 。 解： A = 1.25×(8.9+1.5×1.25) = 13.47 m 2，χ= 8.9+2×1.25×25.11+= 13.41 m ， R = A /χ=1.005 m ，C = 1.0051/6/0.025 = 40.03 m 1/2·s ， K = ACR 1/2=540.57 m/3s i = (Q /K )2 = 0.000377， v = Q /A = 0.78 m/s 7-2 有一灌溉干渠，断面为梯形，底宽b = 2.2 m ，边坡系数m = 1.5，实测得流量Q = 8.11 m 3/s 时，均匀流水深h 0 = 2 m ，在1800m 长的顺直渠段水面落差Δh = 0.5 m ，求渠道的糙率n 。 解： i = J = J P = △h /L =1/3600， A = 2×(2.2+1.5×2 ) = 10.4 m 2， χ= 2.2+2×2×25.11+= 9.41 m ， R = A /χ= 1.105 m n = AR 2/3i 1/2/Q = 0.0228 7-3 一石渠的边坡系数m = 0.1，糙率n = 0.020，底宽b = 4.3 m ，水深h = 2.75 m ，底坡i = 1/2000，求流量和流速。 解：A = 2.75×(4.3+0.1×2.75 ) = 12.58 m 2，χ= 4.3+2×2.75×21.01+= 9.83 m R = A /χ= 1.28 m ，v = n i R 32=1.318 m/s ， Q = vA =16.58 m 3/s 7-4 直径为d 的圆形管道中的明槽均匀流动，试根据式（7-2-5）导出Q/Q 1~h/d 的关系式（Q 1为h/d = 1时的流量），并论证当充满度h/d 为多大时Q/Q 1达到最大值。 解： 圆管 3 235χ= n i A Q ， 满流时 3 213511χ= n i A Q ， )sin (82?-?=d A ，d ?=χ2 1 ， A 1 =πd 2 /4，χ1= πd ()[]313 213 51121 ?π=??? ? ??χχ??? ? ??=f A A Q Q ， ()()25sin ? ?-?=?f Q /Q 1取极值时， ()()()()[]?-?-?-?? ?-?=?'sin 2cos 15sin 3 4 f = 0 得到两个极值点： ?= 0为极小值点，Q /Q 1 = 0； ?= 5.278为极大值点，此时 ?? ? ?? ?-=2cos 121d h =0.938， Q /Q 1 =1.076 7-5 有一顶盖为拱形的输水隧洞，过水断面为矩形，宽b = 3.3 m ，糙率n = 0.017，底 坡i = 0.001，当流量Q = 16 m 3/s 时，求水深h ，问流速是否超过2.0 m/s ？ 解： 试算，……，取h = 2.6 m ，A = 3.3×2.6 = 8.58 m 2，χ= 3.3+2×2.6 = 8.5 m ， 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。 2 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） 4 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。 7 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。 8 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 9 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。 12 相对压强： 13 真空度：是指该点绝对压强小于当地大气压强的数值， 14 压强的测量：测压管，U型水银测压计, 差压计 15 静止液体内各点，测压管水头等于常数， 16 作用在矩形上的静水总压力：（画图是考点）1）按一定比例，用线段长度代表改点静水压强的大小2）用箭头表示静水压强的方向，并与作用面垂直P37 17 静水总压力的计算：(为平面形心在点C液面下的淹没深度) （） 18 矩形，绕形心轴的面积惯矩：。圆形平面绕圆心轴线的面积惯矩 19作用在曲面上的静水总压力：，，, tan 20 沉体：如果质量力大于上浮力，物体就会下沉，直到沉到底部才停止下来，这样的物体称为沉体。 浮体：如果质量力小于上浮力，物体就会上浮，一直要浮出水面，且使物体所排开的液体的重量和自重刚好相等后，才能保持平衡状态，这样的物体我们称为浮体。（定倾中心要高于重心） 潜体：质量力等于上浮力，物体可以潜没于水中任何位置而保持平衡，这样的物体称为潜体。（重心位于浮心之下） 21 平衡的稳定性：是指已处于平衡状态的潜体，如果因为某种外来干扰使之脱离平衡位置时，潜体自身恢复平衡的能力。 水力学试题带答案 水力学模拟试题及答案 1、选择题：（每小题2分） （1）在水力学中，单位质量力是指（） a、单位面积液体受到的质量力； b、单位体积液体受到的质量力； c、单位质量液体受到的质量力； d、单位重量液体受到的质量力。 答案：c （2）在平衡液体中，质量力与等压面（） a、重合； b、平行 c、相交； d、正交。 答案：d （3）液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为 a、1 kN/m2 b、2 kN/m2 c、5 kN/m2 d、10 kN/m2 答案：b （4）水力学中的一维流动是指（） a、恒定流动； b、均匀流动； c、层流运动； d、运动要素只与一个坐标有关的流动。 答案：d （5）有压管道的管径d与管流水力半径的比值d /R=（） a、8； b、4； c、2； d、1。 答案：b （6）已知液体流动的沿程水力摩擦系数 与边壁相对粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于 a、层流区； b、紊流光滑区； c、紊流过渡粗糙区； d、紊流粗糙区 答案：c （7）突然完全关闭管道末端的阀门，产生直接水击。已知水击波速c=1000m/s，水击压强水头H = 250m，则管道中原来的流速v0为 a、1.54m b 、2.0m c 、2.45m d、3.22m 答案：c （8）在明渠中不可以发生的流动是（） a、恒定均匀流； b、恒定非均匀流； c、非恒定均匀流； d、非恒定非均匀流。 答案：c （9）在缓坡明渠中不可以发生的流动是（）。 a、均匀缓流； b、均匀急流； c、非均匀缓流； d、非均匀急流。 答案：b （10）底宽b=1.5m的矩形明渠，通过的流量Q =1.5m3/s，已知渠中某处水深h = 0.4m，则该处水流的流态为 a、缓流； b、急流； c、临界流； 水力学实训设计计算书 指导老师：柴华 前言 水力学是一门重要的技术基础课，它以水为主要对象研究流体运动的规律以及流体与边界的相互作用，是高等学校许多理工科专业的必修课。 在自然界中，与流体运动关联的力学问题是很普遍的，所以水力学和流体力学在许多工程领域有着广泛的应用。水利工程、土建工程、机械工程、环境工程、热能工程、化学工程、港口、船舶与海洋工程等专业都将水力学或流体力学作为必修课之一。 水力学课程的理论性强，同时又有明确的工程应用背景。它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。课程教学的主要任务是使学生掌握水力学的基本概念、基本理论和解决水力学问题的基本方法，具备一定的实验技能，为后续课程的学习打好基础，培养分析和解决工程实际中有关水力学问题的能力。水是与我们关系最密切的物质，人类的繁衍生息、社会的进化发展都是与水“唇齿相依、休戚相关”的。综观所有人类文 明，几乎都是伴着河、海而生的 通过学习和实训，应用水力学知识，为以后的生活做下完美的铺垫。 任务二：分析溢洪道水平段和陡坡段的水面曲线形式，考虑高速水流掺气所增加的水深，算出陡坡段边墙高。边墙高按设计洪水流量校核；绘制陡坡纵剖面上的水面线。 任务三：绘制正常水位到汛前限制水位~相对开度~下泄流量的关系曲线；绘制汛前限制水位以上的水库水位~下泄流量的关系曲线。 任务四：溢洪道消力池深、池长计算：或挑距长度、冲刷坑深度和后坡校核计算 任务二：分析溢洪道水平段和陡坡段的水面曲线形式，考虑高速水流掺气所增加的水深，算出陡坡段边墙高。边墙高按设计洪水流量校核；绘制陡坡纵剖面上的水面线。 1.根据100年一遇洪水设计，已知驼峰堰上游水位25.20，堰顶高程18.70，堰底高程为17.45， 计算下游收缩断面水深h C， P=18.70-17.45=1.25m H=25.20-18.70=6.5m P/H=1.25÷6.5=0.19<0.8 为自由出流 m=0.32+0.171(P/H)^0.657 =0.442 设H =H，由资料可知溢洪道共两孔，每孔净宽10米，闸墩头为圆形，敦厚2米，边墩围半圆形，混凝土糙率为0.014.故查表可得： ζ 0=0.45 ζ k =0.7 ε=1-0.2（ζk+（n-1）ζ0）×H0/nb=0.92 H =（q/（εm（2g）^0.5））^2/3=6.77m E0=P+H0=6.77+1.25=8.02m 查表的：流速系数ψ=0.94 各具特色的的水力学总结 摘要： 水力学课程转眼间要结束了，在学习期间，我们困惑过、欣喜过、迷茫过，但最终我们知道了什么是水力学，水力学是讲什么的，我们为什么要学习水力学..... 但在结束的时候似乎我们每个人都找到了自己困惑的答案，我为自己能学习水力学而高兴，学习这门学科是自己终身的财富，我相信我绝不会从此丢掉水力学的，在课堂上学到的东西，终有一天会被实际证明的。同时向本书的编者，我国著名水力学专家、四川大学终身教授、中国共产党党员、水力学与山区河流开发保护国家重点实验室教授、博士生导师吴持恭先生表达我最崇高的敬仰之情，并祝愿他在天国幸福。我相信，我们会以吴老先生为榜样，寻着他的踪迹，坚持在水电事业的大道上，贡献自己的一份力量。 关键词: 水力学困惑欣喜感悟 作为本次的执笔者，来总结这篇意义非凡的论文，我感到万分高兴。首先我想先介绍一下我们对水力学的认识的变化过程，可能有很多不足望指教，之后再具体阐述。 我们刚接触她时感觉很有意思，我们竟然能够研究并利用世界上最多也最珍贵的水来为我们服务，并且通过人们一些所谓的智慧竟然能让桀骜不驯的水流为人类服务，修建水电站来提供我们需要的电力、修建灌溉工程来滋润我们的良田、修建水库来提供我们日常所需的水源等等，我们不得不佩服人类的伟大。如果我们真正想弄明白水流的性质，水力学是我们永远都迈不过去的坎。最感官的认识是“水力学”有女人的某些性质，有时让人捉摸不透，因此让我们带着一个急切的心情去想了解她，认识她，利用她。 刚接触她时我们有点急切，可接触她之后却发现原来水的性质竟然这么复杂，可以说人类要想真正完全弄懂她是不可能的，大自然的智慧是人类永远无法完全弄明白的的，因此我们对自然的心态应该是敬畏的，而不应该是征服，对水流也一样，我们不应该让水流完全按照人类的意愿行事，应该给水流一些自由的空间，这样我们才能从水那里获得更多，而被伤害的更少。因此学完之后，让我们带着敬畏的心情，来总结我们所学过的水力学知识吧！接下来就是我们各具特色的水力学总结： 1、选择题：（每小题2分） （1）在水力学中，单位质量力是指（） a、单位面积液体受到的质量力； b、单位体积液体受到的质量力； c、单位质量液体受到的质量力； d、单位重量液体受到的质量力。 答案：c （2）在平衡液体中，质量力与等压面（） a、重合； b、平行 c、相交； d、正交。 答案：d （3）液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为 a、1 kN/m2 b、2 kN/m2 c、5 kN/m2 d、10 kN/m2 答案：b （4）水力学中的一维流动是指（） a、恒定流动； b、均匀流动； c、层流运动； d、运动要素只与一个坐标有关的流动。 答案：d （5）有压管道的管径d与管流水力半径的比值d /R=（） a、8； b、4； c、2； d、1。 答案：b （6）已知液体流动的沿程水力摩擦系数 与边壁相对粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于 a、层流区； b、紊流光滑区； c、紊流过渡粗糙区； d、紊流粗糙区 答案：c （7）突然完全关闭管道末端的阀门，产生直接水击。已知水击波速c=1000m/s，水击压强水头H = 250m，则管道中原来的流速v0为 a、1.54m b 、2.0m c 、2.45m d、3.22m 答案：c （8）在明渠中不可以发生的流动是（） a、恒定均匀流； b、恒定非均匀流； c、非恒定均匀流； d、非恒定非均匀流。 答案：c （9）在缓坡明渠中不可以发生的流动是（）。 a、均匀缓流； b、均匀急流； c、非均匀缓流； d、非均匀急流。 答案：b （10）底宽b=1.5m的矩形明渠，通过的流量Q =1.5m3/s，已知渠中某处水深h = 0.4m，则该处水流的流态为 a、缓流； b、急流； c、临界流； 答案：b 水力学 一、概念 1.水力学：是一门技术学科，它是力学的一个分支。水力学的 任务是研究液体（主要是水）的平衡和机械运动的规律及其 实际应用。 2.水力学：分为水静力学和水动力学。 3.水静力学：关于液体平衡的规律，它研究液体处于静止（或 相对平衡）状态时，作用于液体上的各种力之间的关系。 4.水动力学：关于液体运动的规律，它研究液体在运动状态时， 作用于液体上的力与运动要素之间的关系，以及液体的运动 特性与能量转换等。 5.粘滞性：当液体处于运动状态时，若液体质点之间存在着相 对运动，则质点间要产生内在摩擦力抵抗其相对运动，这种 性质称为液体的粘滞性，此内摩擦力又称为粘滞力。 6.连续介质：一咱连续充满其所占据空间毫无空隙的连续体。 7.理想液体：就是把水看作绝对不可压缩、不能膨胀、没有粘 滞性、没有表面张力的连续介质。 8.质量力：通过所研究液体的每一部分质量而作用于液体的、 其大小与液体的质量与比例的力。如重力、惯性力。 9.单位质量力：作用在单位质量液体上的质量力。 10.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。p’>0 11.相对压强：把当地大气压Pa作为零点计量的压强。p 12.真空：当液体中某点的绝对压强小于当地压强，即其相对 压强为负值时，则称该点存在真空。也称负压。真空的大小用真空度Pk表示。 13.恒定流：在流场中任何空间点上所有的运动要素都不随时 间而改变，这种水流称为恒定流。 14.非恒定流：流场中任何空间点上有任何一个运动要是随时 间而变化的，这种水流称为非恒定流。 15.流管：在水流中任意取一微分面积dA，通过该面积周界上 的每一个点，均可作一根流线，这样就构成一个封闭的管状曲面，称为流管。 16.微小流束：充满以流管为边界的一束液流。 17.总流：有一定大小尺寸的实际水流。 18.过水断面：与微小流束或总流的流线成正交的横断面。 19.流量：单位时间内通过某一过水断面的液体体积。Q 20.均匀流：流线为相互平行的直线的水流 21.非均匀流：流线不是互相平行的直线的水流。按流线不平 行和弯曲的程度，可分为渐变流和急变流两种类型。 22.渐变流：当水流的流线虽然不是互相平行直线，但几乎近 于平行直线时称为渐变流（或缓变流）。所以渐变流的情况就是均匀流。 23.急变流：若水流的流线之间夹角很大或者流线的曲率半径 填空题（每空 1分，共30分） 1.水力学的研究方法之一－实验方法，包括、、。 2.液体的主要物理性质为、、、、。 3.计算平面上静止液体作用力的两种方法是、。 4.静止液体中压强的表示方法为、、。 5.描述液体运动的两种方法、。 6.液体运动的两种型态、。 7.当液体所受粘性力和惯性力为主要作用力时，需满足相似准则中的。 8.有压管路中水击分为、。 9.在棱柱形渠道的非均匀渐变流中，共有 种水面曲线。其中，顺坡渠道有种，平坡和逆坡渠道各有种。 10.堰根据堰顶宽度和堰上水头的比值可分为、、。 11.模型试验时原型和模型的相似可分为三类：、、。 12.要用实验方法解决一个水力学问题，应首先用 确定出各个变量之间的关系式，然后进一步通过模型试验，确定出问题的完整分析式。二．名词解释（每个 3分，共15分） 1.等压面 2.水头损失 3.水力最优断面 4.共轭水深 5.渗流系数 三．简答（共 20分） 1.什么是水力学？（5分） 2.水力学的任务及研究方法分别是什么？（6分） 3.水力学研究的两大基本规律及各自的研究内容？（4分） 4.实际液体恒定总流的能量方程的适用条件是什么？（5分） 四．计算（共 35分） 1.图示（图1）为一水箱，左端为一半球形端盖，右端为圆形水平盖板，已知h=0.8m，R=0. 3m。试求两端盖所受的总压力及其方向。（10分） 2.如图（图2）所示，A、B、C三个水箱由两段钢管相连接，经过调节使管中产生恒定流动。已知A箱和C箱的水位差H=15m,l 1 =60m,l 2 =40m,d 1 =300mm, d 2 =250mm,ζ 弯 =0.35；设流动处在粗糙区，用λ=0.11（K s /d） 0.25 计算，管壁K s =0.3mm。试求：①管中流量Q；②h 1 和h 2 值。（15分） 3.由水塔供水的输水管为三段铸铁管组成，各段比阻分别为s 01 =7.92х10 -6 s 2 /l 2 , s 02 =36.7х10 -6 s 2 /l 2 , s 03 =319х10 -6 s 2 /l 2 ,中段为均匀泄流管段（图3）。每米长泄出的流量q=0.15l/s。已知q 1 =20l/s，Q=10l/s, l 1 =350mm,d 1 =200mm; l 2 =250mm,d 2 =150mm; l 3 =150mm,d 3 =100mm。求需要的水塔高度（作用水头）。（5分） 4.图示(图4)为U型汞压差计,用于量测两水管中A和B点的压强差。已知h m =0.4m, A和B两点高差⊿ Z=2m。试求A和B两点的压强差。（选做题8分） 济南大学水力学试卷（ 1）答案 一、填空题（每个 1分，共30分） 1、原型观测、模型试验、系统试验 2、惯性、粘性、压缩性和热胀性、表面张力、汽化 扬州大学试卷（附答案） 水力学试题（B） 班级学号姓名成绩 一、单项选择题（填写唯一正确答案的编号） （本大题共10小题，每小题2分，共20分） 1．液体动力粘滞系数μ的单位是（） A.m2/s B.（N. s）/m2 C.N/m2 D.Pa/s 2．流线与等势线的关系为（） A.平行 B.斜交 C.正交 D.不确定 3．在下列底坡渠道中，不可能发生明渠均匀流的底坡为（） A.平坡 B.缓坡 C.陡坡 D.临界坡 4．两种矩形断面渠道，其过水面积A，糙率n，底坡i均相等，但是底宽b及水深h不同，渠道一b1×h1 = 4m×1m，渠道二b2×h2 = 2m×2m，比较渠道中通过的流量相对大小为（） A.Q1 > Q2 B.Q1 = Q2 C.Q1 < Q2 D.无法确定 5．管道发生水击现象时，其水流类型为（） A.有压、恒定均匀流 B.无压恒定非均匀流 C.有压、恒定非均匀流 D.有压非恒定流 6．水流在等直径管中作恒定流动时，其测压管水头线沿程（） A.下降 B.不变 C.上升 D.可上升，亦可下降 7．串联管道，无支流分出，则各管段的（） A.流量相等 B.切应力相等 C.沿程水头损失相等 D.水力坡度相等 8．粘性底层厚度δ随雷诺数Re的增大而（） A.增大 B.不变 C.减小 D.不定 9．圆管水流中的下临界雷诺数等于（） A.2000 B.1500 C.3000 D.5000 10．宽b = 2m的矩形明渠中，通过的流量Q恒定，水深从h1 = 1m渐变到h2 = 2m，其雷诺数之比Re1 / Re2为（） A.1/2 B.2 C.4/3 D.3/2 二、填空题（在空格中填写正确答案） （本大题共10小题，每小题2分，共20分） 1 第一章 绪 论 (一)液体的主要物理性质 1．惯性与重力特性：掌握水的密度ρ和容重γ； 2．粘滞性：液体的粘滞性是液体在流动中产生能量损失的根本原因。 描述液体内部的粘滞力规律的是牛顿内摩擦 定律 : 注意牛顿内摩擦定律适用范围：1)牛顿流体， 2)层流运动 3．可压缩性：在研究水击时需要考虑。 4．表面张力特性：进行模型试验时需要考虑。 下面我们介绍水力学的两个基本假设： (二)连续介质和理想液体假设 1．连续介质：液体是由液体质点组成的连续体,可以用连续函数描述液体运动的物理量。 2．理想液体：忽略粘滞性的液体。 （三）作用在液体上的两类作用力 第二章 水静力学 水静力学包括静水压强和静水总压力两部分内容。通过静水压强和静水总压力的计算，我们可以求作用在建筑物上的静水荷载。 （一）静水压强： 主要掌握静水压强特性,等压面,水头的概念，以及静水压强的计算和不同表示方法。 1．静水压强的两个特性： （1）静水压强的方向垂直且指向受压面 （2）静水压强的大小仅与该点坐标有关，与受压面方向无关， 2.等压面与连通器原理：在只受重力作用,连通的同种液体内, 等压面是水平面。 (它是静水压强计算和测量的依据） 3．重力作用下静水压强基本公式（水静力学基本公式） p=p 0+γh 或 其中 ： z —位置水头， p/γ—压强水头 （z+p/γ）—测压管水头 请注意，“水头”表示单位重量液体含有的能量。 4．压强的三种表示方法：绝对压强p ′，相对压强p ， 真 空度p v , ↑ 它们之间的关系为：p= p ′-p a p v =│p │（当p ＜0时p v 存在）↑ 相对压强:p=γh,可以是正值，也可以是负值。要求 掌握绝对压强、相对压强和真空度三者的概念和它们之间的转换关系。 1pa(工程大气压)=98000N/m 2=98KN/m 2 下面我们讨论静水总压力的计算。计算静水总压力包括求力的大小、方向和作用点，受压面可以分为平面和曲面两类。根据平面的形状：对规则的矩形平面可采用图解法，任意形状的平面都可以用解析法进行计算。 （一）静水总压力的计算 1)平面壁静水总压力 （1）图解法：大小：P=Ωb, Ω--静水压强分布图面积 方向：垂直并指向受压平面 作用线：过压强分布图的形心，作用点位于对称轴上。 静水压强分布图是根据静水压强与水深成正比关系 绘制的，只要用比例线段分别画出平面上俩点的静水压强，把它们端点联系起来，就是静水压强分布图。 （2）解析法：大小：P=p c A, p c —形心处压强 方向：垂直并指向受压平面 作用点D ：通常作用点位于对称轴上，在平面的几何中心之下。 求作用在曲面上的静水总压力P ，是分别求它们的水平分力P x 和铅垂分力P z ，然后再合成总压力P 。 （3）曲面壁静水总压力 1）水平分力：P x =p c A x =γh c A x 水平分力就是曲面在铅垂面上投影平面的静水总压力，它等于该投影平面形心点的压强乘以投影面面积。要求能够绘制水平分力P x 的压强分布图，即曲面在铅垂面上投影平面的静水压强分布图。 2〕铅垂分力：P z =γV ,V---压力体体积。 在求铅垂分力P z 时,要绘制压力体剖面图。压力体是由自由液面或其延长面,受压曲面以及过曲面边缘的铅垂平面这三部分围成的体积。当压力体与受压面在曲面的同侧，那么铅垂分力的方向向下；当压力体与受压面在曲面的两侧，则铅垂分力的方向向上。 3〕合力方向：α=arctg 下面我们举例来说明作用在曲面上的压力体和静水总 压力。 例5图示容器左侧由宽度为b 的直立平面AB 和半径为R 的1/4圆弧曲面BC 组成。容器内装满水，试绘出AB 的 压强分布图和BC 曲面上的压力体剖面图及水平分力的压强分布图，并判别铅垂作用力的方向, 铅垂作用力大 小如何计算？ 解：(1)对AB 平面，压强分布如图所示。总压力P=1/2 γH 2b ； (2)对曲面BC ，水平分力的压强分布如图所示， c p z =+γ x z P P d y d u μ τ= 判断题 正确的划“√”，错误的划“×” 绪论 1、在连续介质假设的条件下，液体中各种物理量的变化是连续的。（） 2、在连续介质假设的条件下，可以不研究液体分子的运动。（） 3、水力学是研究液体机械运动和分子运动规律的学科。（） 4、流速梯度du/dy发生变化时，动力黏度不变的液体均属于牛顿液体。（） 5、流体质点指流体内的固体颗粒。（） 6、通常情况下研究液体运动时，可不考虑表面张力的影响。（） 7、对于不可压缩液体，动力黏度相等的液体，其运动黏度也相等。（） 8、体积模量K值越大，液体越容易压缩。（） 9、液体的内摩擦力与液体的速度呈正比。（） 10、牛顿液体是液体的切应力与剪切变形速度呈线性关系的液体。（） 11、水力学的研究对象只能是水。（） 12、无论是静止的还是运动的液体，都不存在切力。（） 13、牛顿内摩擦定律只适用于管道中的层流。（） 14、凡是切应力与剪切变形速度不呈线性关系的液体，都是非牛顿液体。（） 15、液体表面的曲率半径越大，表面张力的影响越大。（） 16、在常温、常压下水的运动黏度比空气的运动黏度大。（） 17、两种不同种类的液体，只要流速梯度相等，它们的切应力也相等。（） 18、由于液体的质点很小，因此它实际上是指液体的分子。（） 19、在水力学问题的计算中都必须考虑液体的压缩性。（） 20、15℃时水的粘性比20℃时水的粘性大。（） 21、牛顿液体的内摩擦力只与流速梯度和接触面面积有关。（） 22、牛顿液体可以承受微小的切力而不变形。（） 23、水流在边壁处的流速为零，因此该处的流速梯度为零。（） 24、牛顿内摩擦定律表明液体的切应力与剪切变形的大小成正比。（） 25、液体切应力是液体的一种单位面积的面积力。（） 26、理想液体是自然界中存在的一种不具有粘性的液体。（） 27、液体和气体的运动黏度均随温度的升高而减小。（） 28、国际单位制中，1个标准大气压下，水温4℃时，水的密度为 3 / 1000m kg = ρ 。（） 29、作用在液体上的力分为质量力和面积力两大类。（） 30、液体的粘性是液体具有抵抗剪切变形的能力。（） 31、液体剪切变形的大小与剪切作用时间的长短无关。（） 32、公式 dy du μ τ= 适用于牛顿液体和非牛顿液体。（） 第1章 流体力学的基本概念 流体力学是研究流体的运动规律及其与物体相互作用的机理的一门专门学科。本章叙述在以后章节中经常用到的一些基础知识，对于其它基础内容在本科的流体力学或水力学中已作介绍，这里不再叙述。 连续介质与流体物理量 连续介质 流体和任何物质一样，都是由分子组成的，分子与分子之间是不连续而有空隙的。例如，常温下每立方厘米水中约含有3×1022 个水分子，相邻分子间距离约为3×10－8 厘米。因而，从微观结构上说，流体是有空隙的、不连续的介质。 但是，详细研究分子的微观运动不是流体力学的任务，我们所关心的不是个别分子的微观运动，而是大量分子“集体”所显示的特性，也就是所谓的宏观特性或宏观量，这是因为分子间的孔隙与实际所研究的流体尺度相比是极其微小的。因此，可以设想把所讨论的流体分割成为无数无限小的基元个体，相当于微小的分子集团，称之为流体的“质点”。从而认为，流体就是由这样的一个紧挨着一个的连续的质点所组成的，没有任何空隙的连续体，即所谓的“连续介质”。同时认为，流体的物理力学性质，例如密度、速度、压强和能量等，具有随同位置而连续变化的特性，即视为空间坐标和时间的连续函数。因此，不再从那些永远运动的分子出发，而是在宏观上从质点出发来研究流体的运动规律，从而可以利用连续函数的分析方法。长期的实践和科学实验证明，利用连续介质假定所得出的有关流体运动规律的基本理论与客观实际是符合的。 所谓流体质点，是指微小体积内所有流体分子的总体，而该微小体积是几何尺寸很小（但远大于分子平均自由行程）但包含足够多分子的特征体积，其宏观特性就是大量分子的统计平均特性，且具有确定性。 流体物理量 根据流体连续介质模型，任一时刻流体所在空间的每一点都为相应的流体质点所占据。流体的物理量是指反映流体宏观特性的物理量，如密度、速度、压强、温度和能量等。对于流体物理量，如流体质点的密度，可以地定义为微小特征体积内大量数目分子的统计质量除以该特征体积所得的平均值，即 V M V V ??=?→?'lim ρ （1-1） 式中，M ?表示体积V ?中所含流体的质量。 按数学的定义，空间一点的流体密度为 V M V ??=→?0 lim ρ （1-2） 水力学模拟试题及答案（一） 1、选择题：（每小题2分） （1）在水力学中，单位质量力是指（ C ） a、单位面积液体受到的质量力； b、单位体积液体受到的质量力； c、单位质量液体受到的质量力； d、单位重量液体受到的质量力 （2）在平衡液体中，质量力与等压面（） a、重合； b、平行 c、相交； d、正交。 答案：d （3）液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为 a、1 kN/m2 b、2 kN/m2 c、5 kN/m2 d、10 kN/m2 答案：b （4）水力学中的一维流动是指（） a、恒定流动； b、均匀流动； c、层流运动； d、运动要素只与一个坐标有关的流动。 答案：d （5）有压管道的管径d与管流水力半径的比值d /R=（） a、8； b、4； c、2； d、1。 答案：b （6）已知液体流动的沿程水力摩擦系数 与边壁相对粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于 a、层流区； b、紊流光滑区； c、紊流过渡粗糙区； d、紊流粗糙区 答案：c （7）突然完全关闭管道末端的阀门，产生直接水击。已知水击波速c=1000m/s，水击压强水头H = 250m，则管道中原来的流速v0为 a、1.54m b 、2.0m c 、2.45m d、3.22m 答案：c （8）在明渠中不可以发生的流动是（） a、恒定均匀流； b、恒定非均匀流； c、非恒定均匀流； d、非恒定非均匀流。 答案：c （9）在缓坡明渠中不可以发生的流动是（）。 a、均匀缓流； b、均匀急流； c、非均匀缓流； d、非均匀急流。 答案：b （10）底宽b=1.5m的矩形明渠，通过的流量Q =1.5m3/s，已知渠中某处水深h = 0.4m，则该处水流的流态为 a、缓流； b、急流； c、临界流； 答案：b 1、明渠均匀流计算公式: Q=Aν=AC Ri C=n 1Ｒy （一般计算公式）Ｃ=n 1 R 61 （称曼宁公式） 2、渡槽进口尺寸（明渠均匀流） gZ 2bh Q ＝ z ：渡槽进口的水位降（进出口水位差） ε：渡槽进口侧向收缩系数，一般ε＝0。8～０。9 b:渡槽的宽度（米） h ：渡槽的过水深度(米) φ：流速系数φ=０。８~0．９5 3、倒虹吸计算公式： Q ＝mA z g 2（m 3/秒) 4、跌水计算公式： 跌水水力计算公式：Q ＝εmB 2 /30g 2H ， 式中：ε—侧收缩系数，矩形进口ε＝0.85～0.95；， B —进口宽度（米）；m —流量系数 5、流量计算公式: Ｑ=Aν 式中Q —-通过某一断面的流量，m ３/ｓ； ν——通过该断面的流速，ｍ/ｈ A —-过水断面的面积，ｍ2。 6、溢洪道计算 １)进口不设闸门的正流式开敞溢洪道 （1）淹没出流：Ｑ=εσＭBH 2 3 ＝侧向收缩系数×淹没系数×流量系数×溢洪道堰顶泄流长度×溢洪水深2 3 （２）实用堰出流：Q=εＭBH 2 3 =侧向收缩系数×流量系数×溢洪道堰顶泄流长度×溢洪水深2 3 2）进口装有闸门控制的溢洪道 (1）开敞式溢洪道。 Q ＝εσMＢH 2 3 ＝侧向收缩系数×淹没系数×流量系数×溢洪道堰顶泄流长度×溢洪水深2 3 （2)孔口自由出流计算公式为 Ｑ=ＭωH =堰顶闸门自由式孔流的流量系数×闸孔过水断面面积×H 其中：ω=be 7、放水涵管（洞)出流计算 １）、无压管流 Q ＝μＡ02gH =流量系数×放水孔口断面面积×02gH 2)、有压管流 Q ＝μA 02gH =流量系数×放水孔口断面面积×02gH 8、测流堰的流量计算—-薄壁堰测流的计算 １）三角形薄壁测流堰,其中θ＝90°，即 自由出流：Q ＝1。4H 2 5或Ｑ＝1.34３H 2.47（2—15) 淹没出流:Ｑ＝（1。4H 25)σ（2-16） 淹没系数:σ=2)13.0( 756.0--H h n +0.145(2-１7) 2）梯形薄壁测流堰,其中θ应满足t ａnθ= 4 1 ，以及b ＞３H,即 自由出流：Q ＝０．42b g 2H 2 3＝1.８6bH 2 3（２—１8） 试卷7 一 、选择题：（每题3分，共30分） 1对于均匀流，下列说法错误的是： A 不同流线上的流速相等 B 每条流线与总水头线平行 C 断面平均流速沿程不变 D 动能校正系数大于1 2管径突然增大时，测压管水头线（ ） A 上升 B 下降 C 不变 D 都有可能 3一管道均匀层流，当流量增加时，下列说法错误的是（ ） A 沿程损失系数增大 沿程水头损失增大 C 边界切应力增大 D 水力坡度增大 4若测得两根管道的下临界雷诺数相等，则必须两管的（ ） A 管径相等 B 液体的粘性系数相等 C 管径和粘性系数相等 D 以上答案都不对 5 明渠水流中发生S2型水面线，则水流为（ ） A 均匀的急流 B 均匀的缓流 C 非均匀的急流 D 非均匀的缓流 6 紊流粗糙区的沿程阻力系数与（ ）有关： A 相对粗糙度 B 相对粗糙度和雷诺数 C 雷诺数 D 以上说法均不正确 7对于平坡的明渠均匀流，满足ds d E s /的值： A 大于0 B 等于0 C 小于0 D 无法确定 8关于明渠临界底坡与糙率的关系，下列说法正确的是： A 与糙率无关 B 糙率越大，临界底坡越大 C 糙率越小，临界底坡越大 D 视具体情况而定 9有一溢流堰，堰顶厚度为6m ，堰上水头为2m ，则该堰流属于 A 实用堰 B 宽顶堰 C 薄壁堰 D 明渠水流 10重力相似准则条件下，长度比尺是2，则时间比尺为 A 4 B 2 C 8 D 16 二、判断题：（每题2分，共10分） 1当绝对压强小于一个标准大气压时，则出现真空状态。 （ ） 2紊流不属于均匀流。（ ） 3管壁光滑的管子一定是水力光滑管。（ ） 4静水压强的方向指向受压面，因而静水压强是矢量。（ ） 5长管的水力计算中，不考滤局部水头损失。（ ） 硕士研究生入学考试《水力学》考试大纲 一、课程性质、目的与任务以及对先开课程要求 水力学是水利类各专业必修的一门主要专业基础课。水力学的任务是研究液体(主要是水)的平衡和机械运动的规律及其实际应用。通过本课程的学习,使学生掌握水流运动的基本概念、基本理论与分析方法,理解不同水流的特点,学会常见水利工程中的水力计算,并具备初步的试验量测技能,为学习后续课程和专业技术工作打下基础。 二、教学重点及难点 本课程教学重点:水静力学,水动力学理论基础,流动阻力与水头损失,有压管路,明渠均匀流,明渠非均匀流。 难点:液体的相对平衡,作用在平面、曲面上的力,实际液体的运动微分方程,恒定总流伯诺里方程,恒定总流动量方程,紊流沿程损失的分析与计算,复杂长管的水力计算,管网的水力计算,无压圆管均匀流水力计算,断面单位能量、临界水深,恒定明渠流动的流动型态及判别标准,明渠非均匀渐变流微分方程,棱柱体渠道非均匀渐变流水面曲线的计算。 三、与其它课程的关系 学习本课程应具备高等数学中有关微分、积分、简单微分方程等高等数学基础;还应具备理论力学、材料力学中有关静力学、动力学、应力与应变、面积矩等方面的工程力学基础。后续课程为水资源管理、水工建筑物、水利工程施工与水电站。 四、教学内容、学时分配及基本要求 第一章绪论 基本要求:了解液体运动的基本规律及研究液体运动规律的一般方法,掌握液体的主要物理性质。 重点:.液体的主要物理性质 难点:液体粘性产生原因及作用 第一节水力学的任务及其发展概况 1、水力学的任务 2、水力学发展简史 第二节液体的主要物理性质及其作用在液体上的力 1、液体的质量和密度 2、液体的重量和容重 3、液体的粘滞性 4、液体的压缩性 5、液体的表面张力 6、作用于液体上的力 第三节液体的基本特征和连续介质 1、液体的基本特征 2、连续介质假设上计算水力学课的心得
武汉大学水力学课本习题解答7章
水力学
水力学试题带答案
(参考)水力学计算说明书
水力学知识感悟
水力学考试试题与答案
水力学第四版复习
水力学试题1资料
级《水力学》、《流体力学》试卷b及答案
水力学知识点讲解.
水力学试题(判断题)
流体力学的基本概念
水力学模拟试题及答案(一)
水力学常用计算公式
水力学基础试题七(含答案)
水力学课程教学大纲