水力学的基础理论和应用
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
水力学课件 第三章_水动力学基础
(2) 恒定渐变流 过水断面上，动水压强近似 地按静水压强分布。
z p C
取过水断面上任意两相邻流线 间的微小液柱。轴向受力分析：
1） 表面力
液柱上、下底面 的动水压力 pdω与(p+dp)dω
液柱侧面
的动水压力及摩擦力趋于零；
液柱底面的 摩擦力，与液柱垂直。
2） 质量力 自重分力：γdωdn cosα 惯性力：恒定渐变流条件下略去不计。
用欧拉法描述液体运动时，液体运动质点的加速度是当地加速 度与迁移加速度之和。
当地加速度: 固定点速度随时间的变化，
第一项：
ux
/ t,u y
/ t,uz
/ t
迁移加速度:等号右边括号内项反映了在同一时刻因地 点变更而形成的加速度。
§3—2 欧拉法的若干基本概念
1． 迹线和流线 迹线则是同一质点在一个时段内运动的轨迹线。
活学活用
பைடு நூலகம்
恒定渐变流中，同一过水断面上的动水压强近似按地静水压强分布 恒定均匀流中，同一过水断面上的动水压强精确地按静水压强分布
对恒定均匀流， z p C
同一过水断面上:
对于断面AB
pA
zA
pB
zB
C1
pA ? pB ?
对于断面CD
pC
zC
pD
zD
C2
pC ? pD ?
pA
zA
pB
zB
pC
zC
C
pA ? pB ? pC ?
§3—3 恒定总流的连续性方程
考虑到： (1)在恒定流条件下，元流的形状与位置不随时间改变； (2)不可能有液体经元流侧面流进或流出； (3)液流为连续介质，元流内部不存在空隙。
工程流体力学
我们将会看到，是否忽略粘性影响将对流动问题的处理带来很大的区别，理想流体假设可以大大简化理论分析过程。 而 是流体的客观属性，所以往往是在变形速率不大的区域将实际流体简化为理想流体。
ΔV
流体的压缩性
V
流体能承受压力，在受外力压缩变形时，产生内力（弹性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢复原形，流体的这种性质称为压缩性。
长度单位：m（米）
质量单位：kg（公斤）
时间单位：s（秒）
流体力学课程中使用的单位制
SI 国际单位制（米、公斤、秒制）
三个基本单位
导出单位，如：
01
密度 单位：kg/m3
02
力的单位：N（牛顿），1 N=1 kgm/s2
03
应力、压强单位：Pa（帕斯卡），1Pa=1N/m2
04
动力粘性系数 单位：Ns/m2 =Pas
05
运动粘性系数 单位：m2/s
06
体积弹性系数 K 单位： Pa
07
一般取海水密度为
常压常温下，空气的密度是水的 1/800 与水和空气有关的一些重要物理量的数值 1大气压，40C 1大气压，100C
空气的密度随温度变化相当大，温度高，密
度低。
水的密度随温度变化很小。 1大气压，00C 1大气压，800C
04
流体不能承受集中力，只能承受分布力。
02
一般情况下流体可看成是连续介质。
03
力学
§1－1 课程概述
工程流体力学的学科性质
研究对象 力学问题载体
宏观力学分支 遵循三大守恒原理
流体力学
水力学
流体
水
力学
强调水是主要研究对象 偏重于工程应用，水利工程、流体动力工程专业常用
《水力学》课件——第九章 边界层理论基础
位移厚度 1
因为有了边界层，使通
y
过断面的流量比理想流体
流动时减少了
(U ux ) d y
0
δ
0.99U ux
把这些流量折合成理想
流体流动通过一个厚度 1
δ
的流量，这个厚度就叫做
1
位移厚度。
根据定义
u
1 = (1
0
x )d y U
y
0.99U
边界层使来流的流线
向外排挤了位移厚度的
δ
ux
距离，所以位移厚度也
u x (U
0
根据定义
u
2=
x (1 0U
ux) d y u x)d y U
显然, 2< 1
§9—4 平板边界层动量积分方程
对平板绕流的如图区域应用动量方程，进口断面选在平板前缘 处，出口断面离前缘距离为x，出口断面厚度为当地边界层厚度 δ(x)，进口断面厚度取为出口断面的δ(x)-δ1(x)，这样通过进 口断面和出口断面的流量是相等的，必有一条流线可以连接两 个断面的厚度，用它作为区域的上边界。
一侧摩擦力
Cf =
摩阻系数
1
D
= 1.328 el
U 2 (bl)
R 1/2
2
二.平板紊流边界层
平板紊流边界层兼有 壁面紊流和自由紊流的
① 粘性底层 0 < y+ < 5 ② 过渡区 5 < y+ < 70
性质，在边界层的外 区，流动特性与圆管紊 流有所不同。
③ 紊流区
+>
<
④ 不稳定区
y 0.4
由于平板首部转捩点前必有一段层流边界层，所以不存在全 程为紊流的边界层，只能是混合边界层。按全程为紊流边界层 的摩擦阻力计算应作修正。
水动力学基本
3.2.3 流线与迹线
一、流线 1.定义：流线是同一时刻由液流中许多质点组
成的线，线上任一点的流速方向与该线在该点 相切。流线上任一点的切线方向就代表该点的 流速方向，则整个液流的瞬时流线图就形象地 描绘出该瞬时整个液流的运动趋势。
3.2.3 流线与迹线
一、流线
流线微分方程式：
y
ux uy uz 1 dx dy dz dt
量，简称压能。
u2 2g — 不计射流本身重量和空气阻力时，以断面流速u 为初速的铅直上升射流所能达到的高度，水力学中称流
速水头，表示单位重量液体动能。
测压管水头—表示断面测压管水面相对于基准面的 高度，表明单位势能，以Hp表示：
Hp
z
p
断面总水头—表明单位总能量，以H表示：
H z p u2
以个别液体运动质点为对象.研究给定质点在整 个运动过程中的轨迹.各个质点运动状态总和构 成整个液体运动.
点—线—面 运动轨迹 运动要素
四、局限性： 液体质点运动轨迹非常复杂，实用上不需要知 道某一质点的运动轨迹，因此水力学上不常采 用此方法。
3.1.2 欧拉法
一、定义： 直接从流场中每一固定空间点的流速分布入手 ，建立速度、加速度等运动要素的数学表达式 ，来获得整个流场的运动特性。
3.恒定元流连续性方程：
根据质量守恒定律，单位时间内流进dA1的质量 等于流出dA2的质量：
ρ1u1 dA1＝ρ2u2 dA2＝常数 对于不可压缩液体，ρ1＝ρ2＝常数，则有：
u1 dA1＝u2 dA2＝dQ＝常数 恒定元流连续性方程
4.恒定总流连续性方程： 因总流是无数元流的集合体，因此,对上式在总流 过水断面上积分：
uz t
(ux
814水力学
814水力学
814水力学——水文学与水利学的交叉学科
水力学是探究水流运动规律的学科，是研究水文学和水利学的基础。
而814水力学则是水文学与水利学的交叉学科，研究水文循环和
水资源的开发利用等内容，下面我们来具体了解一下。
一、水文循环
814水力学的研究对象之一是水文循环。
水文循环是水从大气、
地面、地表水和地下水等自然界的各个部分流动，产生一系列的物理、化学和生物变化，然后回到大气中，进入一个循环的过程。
814水力学对水文循环进行分析和研究，可以了解水资源的分布、变化和消失的
原因，为水的综合利用提供依据。
二、水资源的开发和利用
814水力学的另一个研究方向是水资源的开发和利用。
随着经济
的发展和人口的增加，水资源越来越紧张。
814水力学可以通过分析水文循环、研究地下水和地表水的特性，预测水资源的变化趋势，为水
资源的可持续利用提供技术支持。
三、水利工程
814水力学还涉及水利工程的研究和设计。
水利工程的建设，包
括对水资源的开发和利用，如水库、堤坝、渠道、电站等。
814水力学可以对水力发电、水文测量、水利建设等方面进行研究和分析，为水
利工程的设计和施工提供科学的理论基础和技术支持。
814水力学是水文学与水利学的交叉学科，研究对象包含了水文
循环、水资源的开发和利用以及水利工程的研究和设计等内容。
这一
学科的研究可以为科学的水资源管理提供依据，推动水资源的可持续
利用和人类社会的可持续发展。
给水排水管网水力学基础
θ＝3.4173（弧度），充满度y/D＝0.5687 ，流速v＝1.355（m/s）
沿程阻力系数常用公式： （续）
（4）巴甫洛夫斯基(Н.Н.Павловский)公式 ：
将曼宁公式中的常数指数1/6改进为曼宁粗糙系数n和水力半径R的函数 。
1 y C R n
代入公式（3.2），得：
式中， y 2.5 n 0.13 0.75 R ( n 0.10) n――曼宁粗糙系数 。
3.4
管道的水力等效简化
水力等效简化原则： 经过简化后的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性。如两条并联管 道简化成一条后，在相同的总输水流量下，应具有相同的水头损失。
3.4.1 串联或并联管道的简化 管道串联：如图3.4所示，两条或两条以上管道串联，可将它们等效为一条直 径为d，长度为l 的管道。根据水力等效原则，有：
图3.2 圆形管道充满度示 意图
3.3.1 非满流管道水力计算公式 管渠流量公式：
A q A v R I n
2 3
1 2 式中
A―过水断面面积（m2）； I―水力坡度，对于均匀流，为管渠底坡。
非满流管道水力计算参数公式:
设管径为D，管内水深为y，充满度为y/D， 由管中心到水面线两端的夹角计算公式：
N kq nli kq nl hf m m d i 1 di
管道串联等效直径： 管道并联：两条或两条以上管道并联，长度相等，可
3第三章 水动力学基础
液体运动时的加速度：
du x u x u x dx u x dy u x dz dt t x dt y dt z dt
du x u x u u u ux x u y x uz x dt t x y z 同理可得 du y u y u y u y u y ux uy uz dt t x y z du z u z u u u ux z u y z uz z dt t x y z 即
1 A1 2 A2
Q1 Q2 总流连续性方程适用于连续的不可压缩液体作恒定流的
情况，对理想液体和实际液体的各种流动状态都适用。
第三节
一、理想液体 元流能量方程：
若令 上式即
恒定流元流能量方程
2 u12 p2 u 2 z1 z2 2g 2g
p1
u2 H z 2g p
均匀流具有下列特征：
1）过水断面为平面，且形状和大小沿程不变； 2）同一条流线上各点的流速相同，因此各过水断面上 平均流速 v 相等； 3）同一过水断面上各点的测压管水头为常数（即动水 压强分布与静水压强分布规律相同，具有z p C
的关
系），即在同一过水断面上各点测压管水头为一常数。 3．有压流与无压流（根据过水断面上的周线是否有自由 表面分类）
在管道均匀流中，同一断面上各测压管水面必上升至同一高 度，但不同断面上测压管水面所上升的高程是不相同的。
流动的恒定、非恒定是相对时间而言，均匀、
非均匀是相对空间而言；
恒定流可是均匀流，也可以是非均匀流，
非恒定流也是如此，但是明渠非恒定均匀流是不
可能存在的(为什么?)。
水动力学理论基础课件
对于理想液体或实际液体都合用。
注意：当流量有流进或流出时，能够写成： Q3
Q3
Q2
Q1
Q2
Q3 Q1 Q2
Q1 Q2 Q3
Q1
§3-4 一维恒定总流旳能量方程
§3-4 一维恒定总流旳能量方程
一、恒定元流旳能量方程
1.推导过程
动能定理：运动物体在
某一时段内，动能旳增
加速度旳体现式： 在直角坐标系中，流速可写成：
U x ux x, y, z, t U y uy x, y, z, t U z uz x, y, z, t
则加速度为：
ax
du x dt
u x t
u x x
dx dt
u x y
dy dt
u x z
dz dt
dx dt ux
dy dt
uy
u1
质量为2u2dA2dt，
1
u2 dA2 2
由质量守恒定律，有： 1u1dA1dt 2u2dA2dt
液体不可压缩：
u1dA1 u2dA2
或： dQ u1dA1 u2dA2 常数
（元流旳连续性方程）
§3-3 一维恒定总流旳连续性方程
总流流量等于元流流量之和，故总流旳连续性方 程为：
dQ A1 u1dA1 A2 u2dA2
§3-4 一维恒定总流旳能量方程
a.重力作功
W1= dV（z1-z2） 若z1>z2则重力作正功； 若z1<z2则重力作负功。
b.压力作功
p1 z1 dA1
u u1 2
z2
p2 dA2
断面1-1上旳总压力为P1=p1dA1，移动距离为ds1， 作正功，为p1dA1ds1
水力学系统讲义课件第三章水动力学基础
ux t
ux
ux x
uy
ux y
uz
ux z
ay
uy t
ux
uy x
uy
uy y
uz
uy z
az
uz t
ux
uz x
uy
uz y
uz
uz z
4
a du du(x, y, z,t) u u dx u dy u dz
z p C
g
中，各项都为长度量纲。
位置势能（位能）： Z 位置水头（水头） ： Z
pA /
pB /
压强势能（压能）： p
测压管高度(压强水头) ： g
zA
O
zB
O
单测位压势管能水：头：z
p
g
35
恒定总流的能量方程
理想液体恒定微小流束能量方程推导
动能定理：某物体在运动过程中动能的改变等于其在同 一时间内所有外力所做的功。
解：ax
ux t
ux
ux x
uy
ux y
4y 6x 4y 6xt 6t 6y 9xt 4t
4y 6x 1 6t2 6t2
将t 2, x 2, y 4代入得，ax 4m / s2 同理可得， ay (6 y 9x) (4 y 6x)9t 2 (6 y 9t)6t 2
Q A
49 60
umax
24
（2）过流断面上，速度等于平均流速的点距管壁的距离。
1/ 7
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水力学的基础理论和应用
水力学是一门研究流体运动学及力学的学科，涉及范围广泛，是工程系学生必修课程之一。
水力学的基础理论包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等，而在实际应用中，水力学涉及到各个领域，如水力发电、水利工程、污水处理、海洋工程等。
一、水力学基础理论
1.1 质量守恒定律
质量守恒定律是指在任何一个封闭系统内，流入该系统的流体总质量等于流出该系统的流体总质量，即质量不会消失和增加。
这一定律是水力学中最基础、最重要的定律之一。
在水力学中，质量守恒定律被应用在研究各种管道、渠道、河流、湖泊等工程问题中。
1.2 动量守恒定律
动量守恒定律是指流体在运动中动量的总量不会因为外力的作用而发生改变。
动量守恒定律中包括牛顿第二定律，即单位时间内的总动量的变化等于给流体的力的总和。
在水力学中，动量守恒定律应用于研究液体在管道、渠道、泵站等各个工程设施中的运动规律，可以帮助工程师们更好地设计和优化工程设施。
1.3 能量守恒定律
能量守恒定律是指在任意封闭系统中，能量总量保持不变。
在水力学中，能量守恒定律被广泛应用于研究液体在运动中的各种能量变化，包括流体动能、重力势能、压力能等。
二、水力学应用
2.1 水力发电
水力发电是指利用水流动能转化成机械能，再经由电机转化成电能的一种发电方式。
水力发电是目前世界上最主要的可再生能源之一。
水力学在水力发电中有着重要的应用，例如研究水轮机的性能、水电站的设计和优化、水利工程的管理等。
2.2 水利工程
水利工程主要包括各种输水设施，如水库、堤坝、渠道、闸门等，以及水文测量、水资源利用、防洪减灾等方面的工程设施。
水力学在水利工程中有十分广泛的应用，如研究闸门开启规律、
计算水库泄洪流量、优化渠道设计、预测洪水发生概率等.
2.3 污水处理
污水处理是指将自然界中的废水通过处理使其符合国家和地方
的环保标准后排入自然界或再利用。
水力学在污水处理中被广泛
应用，如设计污水处理厂中的管道和泵站、计算流量和压力等。
2.4 海洋工程
海洋工程主要涉及到快速流动的海洋水体对各种结构的力学作
用与反应，包括海上的石油平台、海底隧道、海上桥梁等工程。
水力学在海洋工程中有着重要的应用，如计算海洋环境中的流场、分析水下管道的压力等。
三、总结
水力学是涉及到人类生产生活各个领域的重要学科。
其基础理
论包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。
而在实
际应用中，水力学被广泛应用于水力发电、水利工程、污水处理、海洋工程等方面的工程设计和管理。
水力学在未来的发展中，将
为科学技术的进步和人类社会的生产生活发挥越来越重要的作用。