扬州大学水力学大纲

扬州大学水力学大纲扬州大学《水力学》课程教学大纲课程编号：071004课程性质：学科基础课适用专业：水利水电工程、农业水利工程、水文与水资源工程先修课程：高等数学、物理学、理论力学后续课程：水工建筑物、水泵与水泵站、环境水力学学分： 4.5学分；其中实验：0.5学分教学目的与要求：水力学是研究液体平衡和机械运动的规律及其工程应用的一门技术科学。

本专业设置水力学课程的目的，是使学生掌握液流运动的基本理论与分析研究方法，为学习各种专业课和今后从事专业工作打下基础，以便解决本专业工程中的有关液流问题。

通过对本课程的学习，要求学生达到：1.掌握液流运动的基本概念，如连续介质的假说、理想液体模型、液流的各种分类、表征液流运动的雷诺数、佛汝德数等特征值。

2.掌握液流运动的流束理论与流场理论，如恒定总流的连续性方程、能量方程、动量方程、水头损失理论以及液体运动的连续性方程式、实际液体运动的微分方程等。

3.能对本专业中常见的水力学问题进行分析与计算。

4.掌握利用常规仪器设备量测水位、压强、流速、流量等水力要素的操作技能，并且具有分析实验资料和整理实验报告的能力，学会观察和分析液流现象、建立概化模型，并解决水力学实际问题，提高学生独立工作和创造的能力。

本课程是一门既有系统理论，又有较强实践性的课程，所以在教学过程中既要加强理论课的讲授，又要重视实验教学环节。

建议安排6~8学时的理论课时间及6~8小时的课外时间，让学生进行实验，观察水流现象、验证基本理论。

教学内容与学时安排绪论（2学时）一、水力学的任务及其在水利工程中的应用二、液体的主要物理性质三、连续介质和理想液体的概念四、作用在液体上的力重点介绍液体的物理性质，难点为液体的粘滞性及粘滞系数。

第一章水静力学（9学时，其中:实验1学时）第一节静学压强及其特性一、静水压力与静水压强二、静水压强的特性第二节液体的平衡微分方程第三节等压面一、等压面的概念二、等压面的性质第四节重力作用下静水压强的分布规律一、重力作用下静水压强的基本公式二、绝对压强、相对压强及真空度三、压强的三种单位表示四、水头与单位势能的概念五、静水压强分布图第五节几种质量力同时作用下的液体平衡一、直线等加速器皿中液体的相对平衡二、等角速旋转器皿中液体的相对平衡第六节压强的量测一、测压管二、U形水银测压计三、压差计四、金属压力表第七节作用在平面壁上的静水总压力一、解析法二、图解法第八节作用在曲面壁上的静水总压力一、静水总压力的水平分力二、静水总压力的铅垂分力三、静水总压力实验一：静水压强实验通过实验验证静水压强基本方程式，测定待测溶液的容重。

实验二:静水压力实验通过杠杆平衡原理测定铅垂面上的静水总压力，与理论进行比较，从而验证静水压力计算理论。

重点介绍静力学基本方程、水头与单位势能的概念，平面与曲面壁上静水总压力的计算。

难点为表征曲面上静水总压力铅垂分力的压力体的分析与绘制。

实验三:静压传递演示通过静压传递扬水现象，演示静水压力传递的过程。

实验四: 流线演示实验观察液体流经不同固体边界时的流动现象，理解流线的基本特征。

实验五: 水流流动形态及绕流现象演示观察各种边界条件下产生的旋涡及流线分部现象，分析比较局部损失的大小和对建筑物安全的影响，演示绕流现象、分离点及卡门涡街现象。

第二章液流运动的流束理论（10学时，其中:实验2.0学时）第一节描述液体运动的两种方法一、拉格朗日法二、欧拉法第二节几个基本概念一、迹线与流线二、流管、微小流束与总流三、过水断面、流量与断面平均流速四、水流的分类（恒定流与非恒定流；一元流、二元流与三元流；均匀流与非均匀流；非均匀渐变流与急变流）第三节恒定一元流的连续性方程一、方程式的推导二、方程的适用条件三、方程的应用举例第四节实际液体恒定总流的能量方程一、理想液体及实际液体微小流束的能量方程式二、实际液体恒定总流的能量方程式三、方程式的适用条件四、方程式的应用注意点五、方程式的应用举例第五节实际液体恒定总流的动量方程一、方程式的推导二、方程式的适用条件三、方程式的应用注意点四、方程式的应用举例实验六：流量测量实验通过文丘里流量计与体积法测流量方法的对比，率定文丘里流量计的系数，并比较两种方法的优劣。

实验七：流速测量实验应用光电流速仪测定明槽垂线流速分布，了解其规律。

实验八：能量方程验证实验通过观察测压管、毕托管读数，了解动、势能之间的相互转化及水头线之间的相对关系，并进一步验证能量方程。

实验九：动量方程验证实验通过活塞式动量方程仪，观察并分析动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间的相关性，进一步掌握液体运动的动量守恒特性。

重点介绍流线、元流与总流、过水断面、流量与断面平均流速、水流的分类等概念，以及恒定总流的连续性方程、能量方程和动量方程的推导、适用条件、应用注意点及实际工程应用。

难点为流线、水流的分类等概念以及能量方程与动量方程的实际应用。

第三章液流形态及水头损失（7.25学时，其中：实验1.25学时）第一节水头损失的物理概念及其分类一、水头损失的产生机理二、水头损失的分类第二节均匀流沿程水头损失与切应力的关系第三节液体运动的两种型态一、雷诺试验二、层、紊流的判别三、紊流形成过程的分析第四节圆管中层流运动及其沿程水头损失的计算一、圆管层流的切应力二、圆管层流的流速分布三、圆管层流的断面平均流速四、圆管层流的沿程水头损失五、圆管层流的沿程阻力系数第五节紊流的特性一、紊流的脉动现象二、紊流的附加切应力三、紊流的粘性底层四、紊流的流速分布第六节沿程阻力系数的变化规律一、尼古拉兹实验二、莫迪图第七节谢才公式第八节局部水头损失一、圆管突然扩大处的局部水头损失二、局部水头损失的通用公式三、局部阻力系数实验十：管道阻力系数测定实验通过实验，掌握测定管道沿程阻力系数和局部阻力系数的方法；加深对不同流态下沿程水头损失变化规律的理解；观察管道突变断面前后测压管水头线的变化规律。

实验十一：雷诺实验演示层流、紊流流态。

测定不同流态下的雷诺数。

重点介绍层流和紊流的主要特征及其判别、阻力系数的变化规律和水头损失的计算方法。

难点为紊流的形成及其特征、沿程阻力系数的变化规律。

第四章有压管中的恒定流（5学分其中：实验1学时）第一节简单管道水力计算的基本公式一、自由出流二、淹没出流第二节简单管道水力计算的基本类型一、输水能力的计算二、确定通过一定流量时所必需的水头三、确定断面尺寸四、确定管道各断面压强的大小第三节简单管道水力计算特例一、虹吸管的水力计算二、水泵装置的水力计算第四节复杂管道的水力计算一、串联管道的水力计算二、并联管道的水力计算三、分叉管道的水力计算四、沿程均匀泄流管道的水力计算重点介绍恒定总流的基本方程在简单管道及复杂管道水力计算中的应用。

难点为对管道中各断面压强沿程变化的定性分析。

实验十二：管道特性综合分析实验测定管道串、并时的流量，和不同糙度管道的沿程阻力系数的变化规律，以及管道阻力系数，并了解弯管流量计和文透利流量计测流量的原理。

第五章明渠恒定均匀流（2.25学时，其中：实验0.25学时）第一节明渠的几何特征及分类一、明渠的横断面二、明渠的底坡第二节明渠均匀流的特性及其产生条件一、明渠均匀流的产生二、明渠均匀流的特性三、明渠均匀流产生的条件第三节明渠均匀流的基本公式及水力计算一、明渠均匀流的基本公式二、明渠均匀流水力计算的基本类型第四节水力最佳断面及允许流速一、水力最佳断面二、允许流速第五节复式断面明渠的水力计算实验十三：明槽糙率测定实验通过实验，掌握明槽糙率测定的方法，加深对影响糙率因素的理解。

重点介绍明渠均匀流的特性、水力计算的基本公式及类型。

难点为均匀流模式下明渠断面形状的设计（正常水深或底宽的计算）。

第六章明渠恒定非均匀流（8.25学时，其中：实验0.25学时）第一节明渠水流的三种流态一、明渠水流现象二、缓流、急流与临界流三、三种流态的分析及判别第二节断面比能、临界水深及临界底坡一、断面比能与比能曲线二、临界水深三、临界底坡、缓坡与陡坡第三节明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式一、水深沿流程变化的微分方程式二、水位沿流程变化的微分方程式第四节棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析一、棱柱体明渠非均匀渐变流微分方程式二、各种底坡上水面线的分区与命名三、缓坡上非均匀渐变流水面线的分析四、归纳十二条水面线的规律第五节明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算——分段求和法一、基本公式二、计算方法实验十四：水面曲线演示实验通过双变坡有机玻璃水槽，演示五种底坡上十二种水面曲线及其连接，加强对水面曲线的感性认识和理解。

重点介绍明渠水流的缓流与急流流态、断面比能、临界水深、临界底坡等概念，以及棱柱体明渠水面曲线的定性分析。

难点为水面曲线的定性分析。

第七章水跃（2学时）第一节棱柱体水平明渠的水跃方程第二节棱柱体水平明渠中水跃共轭水深的计算一、共轭水深计算的一般方法二、梯形明渠共轭水深的计算三、矩形明渠共轭水深的计算第三节棱柱体水平明渠中水跃的能量损失一、水跃能量损失机理简述二、水跃总水头损失和水跃段水头损失的近似计算三、水跃的消能效率第四节棱柱体水平明渠中水跃跃长的确定一、矩形明渠的跃长公式重点介绍水跃现象的发生条件以及棱柱体水平明渠中水跃共轭水深、水跃长度的计算。

第八章堰流与闸孔出流（4.5学时,其中：实验0.5学时）第一节堰流的分类及计算公式一、堰流的类型二、堰流的基本公式第二节薄壁堰流的水力计算第三节实用堰流的水力计算一、曲线型实用堰的剖面设计二、曲线型实用堰的流量系数三、侧收缩系数四、曲线型实用堰的淹没条件与淹没系数第四节宽顶堰流的水力计算一、有坎宽顶堰的流量系数二、侧收缩系数三、淹没条件与淹没系数四、无坎宽顶堰的流量系数第五节闸孔出流的水力计算一、底坎为宽顶堰的闸孔出流二、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流实验十五：堰流实验通过实验，加深对堰、闸水流现象的理解，测定实用堰（或宽顶堰）的自由出流流量系数m和淹没系数σ。

重点介绍堰、闸水流现象与水力计算。

第九章泄水建筑物下游的消能（4.5学时，其中：实验0.5学时）第一节几种消能方式一、底流式消能二、挑流式消能三、面流式消能第二节底流式消能的水力计算一、泄水建筑物下游收缩断面水深的计算二、泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响三、控制水跃位置的工程措施——消力池的水力计算实验十六：水跃及消能实验通过实验，观察水跃结构，测定矩形平底明渠中完整水跃的共轭水深，验证水跃基本方程，加强对底流式消能方式的理解。

重点介绍底流式消能的水力计算。

难点为消力池池深的计算、消力池设计流量的确定。

第十章有压管中的非恒定流（2.25学时，其中：实验0.25学时）第一节概述第二节阀门突然关闭时有压管道中的水击一、水击的物理过程二、水击压强的计算三、水击波的传播速度第三节阀门逐渐关闭时有压管道中的水击一、直接水击二、间接水击三、减小水击压强的措施实验十七：水击演示实验通过实验，观察有压管上水击的发生以及水击发生阀的现象，加深对水击的理解，了解水击压强的测量、水击现象的利用和水击危害的消除方法。