河流水力学中的水流动力学与水动力学模型
水力学相关现象及应用
水力学相关现象及应用水力学是研究水在各种情况下的运动、变形和相互作用的力学学科。
它在自然界和工程领域中都有广泛的应用。
下面，我将介绍一些水力学相关的现象和应用。
1. 流体静力学流体静力学研究的是不可压缩流体在静止状态下的力学性质。
其中最基本的现象是压力的传递和液体的静压力。
例如，在一个封闭的容器中，当一个力作用在液体上时，液体将在容器内均匀传递这个力，这就是流体的压力传递现象。
在应用方面，流体静力学被广泛用于水利工程中的水坝和水闸设计。
通过计算液体的静压力以及周围结构的强度，可以确定水坝和水闸的最佳结构形式和尺寸，以确保其安全可靠地抵抗水压力。
2. 流体动力学流体动力学研究的是流体在流动状态下的力学性质。
其中最基本的现象是流体的连续性、动量守恒和能量守恒。
在流体的运动中，流速、流量和压力等参数都会随着位置和时间的变化而变化。
在应用方面，流体动力学被广泛用于水力工程中的管道流动、水泵和水轮机设计等领域。
例如，在设计供水管道时，需要考虑流体的流速和压力分布，以确保水源能够均匀地供应到各个用户。
此外，流体动力学还被应用于气象学、海洋学、航空航天等领域，研究气流、海流和飞行器的运动特性。
3. 水力冲击水力冲击是指在水流突然停止或改变方向时产生的瞬态冲击力。
这种冲击力可以对管道、水泵和水轮机等设备造成损坏。
水力冲击能够产生高压力和冲击载荷，破坏管道的结构和连接件，甚至引发爆破事故。
为了减轻水力冲击带来的危害，人们采取了一系列的措施。
例如，通过增加减压阀、缓冲器和闸门等装置来缓和和吸收冲击力；通过增加管道的伸缩节和弯头来消除水流的突变。
这些措施能够有效地减轻水力冲击并保护设备的安全运行。
4. 水蒸汽与水滴运动水蒸汽与水滴的运动也是水力学研究的重要内容。
水蒸汽是水在高温环境下的气态形式，它的运动特性对于气象学、空调制冷系统和化工工艺等领域都有重要的影响。
例如，在气象学中，研究水蒸汽的运动能够预测降水、云雾和大气循环等现象；在空调制冷系统中，研究水蒸汽的传热和传质特性有助于提高系统的能效和降低能耗。
水力学 (完整版)PPT
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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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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)
计算河流动力学理论体系框架探讨-水科学进展-南京水利科学研究院
∫ζ
Ｐ ＝ ｐａ ＋ ｐｓ ＋ ｐ ＝ ｐａ ＋ ｇ ρＭ（ｘ， ｙ， ｚ）ｄｚ ＋ ｐ
（２）
ｚ
其中静压的计算需要用到水位 ζ。 水位确定后， 动量方程求解则类似经典计算流体力学问题。
２������ ２ 多相含沙水流模型的简化
含沙水流是由水流和泥沙组成， 含沙浓度对于水体性质和控制方程具有重要影响。 下面先从更具一般性
第 ２７ 卷
２ 含沙水流模型构建
２������ １ 自由表面模型构建
严格地讲， 河流自由表面是水流与大气的界面， 其形态由水流及气体共同决定， 需要进行多相流求解确
定。 在存在界面的多相流模拟中， ＶＯＦ 模型是常用的计算方法。 其优点是在每一时间步计算空间每一网格
各相体积分数， 可应用于大多复杂的水面线分布， 包括水面间断、 垂向多值等情况， 但计算量大， 不适于大
１ 计算河流动力学的理论基础
文献［３］关于河流的定义， 河流是由含沙水体及其边界组成， 其中边界为床面（ 河道底部和河漫滩） 和河 岸。 河流计算中常分为定床和动床， 在河床和河岸冲淤不明显时， 不考虑河床的变化， 仅涉及到含沙水流及 其与界面的作用； 而当冲淤明显或属重点研究对象时， 还需进行河床和河岸冲淤计算。 在河流的计算中还涉 及到另一重要界面， 就是自由表面。 因此， 计算河流动力学研究对象涉及到 “ 三相⁃两界面”， 不同部分各相 比例全然不同， 导致材料和力学特性完全不同， 研究方法也不同。 如河岸土体随着含水率的增加， 黏性土颗 粒可从固体过渡为半固体， 后变为可塑状态， 最后可变为液态。 即使同为河流含沙水体， 随着含沙量的变化 也会导致流体特性、 甚至本构关系的变化， 如水流含沙量增加到一定程度会变为非牛顿流体。 河岸土体含水 量变化也会对土颗粒间应力状态产生直接影响， 进而影响到土体的抗剪强度等宏观力学行为， 河流水位变化 导致岸坡失稳就是典型的例子。 除此之外， 不同粒径、 级配的土体， 其材料性质与动力学特性也有很大差 异。 计算河流动力学对以上各相的运动、 应力和应变的描述需用到水、 沙、 土体的材料变量、 状态变量以及 变量与现象间的本构方程， 因此计算河流动力学的发展与经典河流动力学、 计算流体力学和计算土力学等学 科的基础理论紧密相 ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＷＡＴＥＲ ＳＣＩＥＮＣＥ
水力学知识点总结
水力学知识点总结1. 水的基本性质水是自然界中非常重要的物质，它具有一系列独特的物理、化学性质。
如水的密度、粘度、表面张力等重要性质对水力学研究有着重要的影响。
2. 水动力学水动力学是研究流体的运动规律及其与物体之间的相互作用的科学。
水动力学是水力学的基础，分为静水力学和流体力学。
静水力学研究静止的流体，而流体力学则研究流体的运动。
3. 流体静力学流体静力学是研究静止流体中的压力、浮力和力的平衡问题。
在水力学中，流体静力学主要用于水库、坝体等结构的压力分析。
4. 流体动力学流体动力学是研究流体运动及其产生的压力、阻力以及对物体的作用力。
在水力学中，流体动力学主要应用于河流、渠道等流体动力学性质的研究。
5. 流态力学流体力学是研究流体运动状态与性质的学问。
在水力学中，流态力学主要应用于分析水流的速度、流量、流向、涡流情况等。
6. 水流的稳定性水流的稳定性是水力学中的重要概念，它指的是水体流动时所产生的稳定的流态特性，包括流态的平稳性、安定性和可操作性等。
7. 水力工程水利工程是利用水资源进行灌溉、供水、发电等利用的工程。
水利工程设计要考虑水力学的各种知识，如水流的稳定性、水利工程的结构和设备等方面。
8. 水道工程水道工程是为了改善河流、渠道等水道的通航、排涝等目的的工程项目。
在水道工程设计中，水力学知识对水流速度、水位变化、水力坡等方面有着重要影响。
9. 水电站在水力学中，水电站是一个重要的应用领域。
水力功率的计算、水轮机的设计、水库的水位控制等都需要水力学知识。
10. 河流水文学河流水文学是研究河流的水文特性、水位变化规律、涨落情况等方面的科学。
水文学是水力学中应用最广泛的一个分支，水利工程、水资源评价等方面都需要水文学的知识。
11. 液压机械液压机械是以流体静力学和流体动力学的理论为基础，利用液体作为传动介质的机械装置。
水力学的理论基础对液压机械的设计、制造和使用都有着重要的影响。
12. 水资源评价水力学的知识还被应用于水资源评价领域，通过水文学、水文模型等方法来评价水资源的分布、利用、保护等问题。
河流水质数学模型专题讲解
⑤废水中其它还原性物质引起水体的好氧。
河水溶解氧供应的来源有： ①上游河水或有潮汐河段海水所带来的溶解氧。 ②排入河水中的废水所带来的溶解氧。 ③河水流动时，由大气中的氧向水中扩散、溶解。 ④水体中繁殖的光合自养型水生植物（如藻类）， 白天通过光合作用放出氧气，溶于水中。
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k1L0 k1?k2
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u 2E
(1?
1?
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2.忽略弥散时：
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L e?k1x/u 0
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Os
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e?k2x/u
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D e?k2x/u 0
氧垂曲线
D0 Dc
溶解氧
饱和溶解氧浓度
S－P模型的基本假设是：①河流中的 BOD的衰减和溶 解氧的复氧都是一级反应；②反应速度是定常的； ③河流中的耗氧是由 BOD衰减引起的，而河流中的 溶解氧来源则是大气复氧。其基本方程是：
dL dt
?
? k1t
dD dt ? k1L ? k2D
a.斯特里特-菲尔普斯（Streeter-Phelps）BOD －DO模型
0
tc
t
b.托马斯（ Thomas ）BOD －DO模型
对一维稳态河流，在斯特里特 -菲尔普斯模型的基础
上增加一项因悬浮物的沉淀与上浮所引起的 BOD速率
变化 ，才有以下的基本方程组（忽略弥散）：
水力学
流线为什么不能相交？ 因流线上任一点的切线方向代表该点的流速方向，如果流 线相交，在交点出就会出现两个切线方向，而同一时刻同 一点流体质点不可能同时向两个方向运动。
3.3.3 均匀流与非均匀流
①定义：总流中沿同一流线各点流速矢量相同 ②性质：1流线相互平行；2过水断面是平面；3沿流程过水断面形 状和大小不变，流速分布图相同 非均匀流 ：沿同一根流线各点流速向量不同 在均匀流中，位于同一流线上各质点的流速大小和方向均相同。
有空间点上的运动情况，构成整个液体的运动。
用欧拉法描述液体运动时，液体质点的加速度应是当地加 速度与迁移加速度之和。
3.2 水流的分类
表征液体运动的物理量，如 流速、加速度、动水压强等 恒定流
按运动要素是否随时间变化
非恒定流
一元流 按运动要素随空间坐标的变化 二元流
三元流
均匀流 按流线是否为彼此平行的直线 非均匀流 急变流
Px hc Ax
曲面上静水总压力的水平分力等于曲面在铅垂投影面上 的静水总压力。
Pz Vp
曲面上静水总压力的垂直压力等于压力体内的水体重。 静水总压力
P Px2 Pz2
Pz tan Px
Pz arctg Px
例:某半圆柱面挡水建筑物，半径R=2m，宽度 b 2 m
代入到上式
0.6 pa 0.6 98060 V2 2 g H 2 9.806 2.8 20.78(m/s) g 9806
• 所以管内流量
qV
4
d 2V2 0.785 0.12 2 20.78 0.235(m 3/s)
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
水动力学
水力学教案第三章水动力学基础【教学基本要求】1、了解描述液体运动的拉格朗日法和欧拉法的内容和特点。
2、理解液体运动的基本概念，包括流线和迹线，元流和总流，过水断面、流量和断面平均流速，一元流、二元流和三元流等。
3、掌握液体运动的分类和特征，即恒定流和非恒定流，均匀流和非均匀流，渐变流和急变流。
4、掌握并能应用恒定总流连续性方程。
5、掌握恒定总流的能量方程，理解恒定总流的能量方程和动能修正系数的物理意义，了解能量方程的应用条件和注意事项，能熟练应用恒定总流能量方程进行计算。
6、理解测压管水头线、总水头线、水力坡度与测压管水头、流速水头、总水头和水头损失的关系。
7、掌握恒定总流的动量方程及其应用条件和注意事项，掌握动量方程投影表达式和矢量投影正负号的确定方法，会进行作用在总流上外力的分析。
8、能应用恒定总流的动量方程、能量方程和连续方程联合求解，解决工程实际问题。
9、了解液体运动的基本形式：平移，变形（线变形和角变形），旋转。
10、理解无旋流动（有势流动）和有旋流动的定义。
11、初步掌握流函数、势函数的性质和流网原理。
【教学 难点】1、液体运动的分类和基本概念。
2、恒定总流的连续性方程、能量方程和动量方程及其应用是本章的重点，也是本课程讨论工程水力学问题的基础。
3、恒定总流的连续性方程的形式及应用条件。
4、恒定总流能量方程的应用条件和注意事项，并会用能量方程进行水力计算。
5、能应用恒定总流的连续方程和能量方程联解进行水力计算。
6、掌握恒定总流动量方程的矢量形式和投影形式，掌握恒定总流动量方程的应用条件和注意事项。
重点注意和影响水体动量变化的作用力。
7、能应用恒定总流的连续方程、能量方程和动量方程进行水力计算。
8、流函数、势函数的性质及求解方法。
9、流网原理及流网法求解势流问题。
【内容提要和教学重点】3.1 概述本章讨论液体运动的基本规律，建立恒定总流的基本方程——连续性方程、能量方程和动量方程，作为解决工程实际问题的基础。
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河流水力学中的水流动力学与水动力学模型
河流水力学是研究河流中水的运动、变化和影响的学科。
水流动力学（Hydrodynamics）和水动力学 (Hydraulics) 是河流水力学中的两个重要分支。
水流动力学主要研究液体无限接近于静止状态而而不是由于静水压力而流动时的力学性质和变化规律。
它包括流体静力学、流体动力学和流体水动力学等内容。
水动力学附着于水文学的领域中，探讨流量与河床之间的互动问题，是应用力学在水文学的一个分支。
在水流动力学的研究中，常用雷诺数来描述流体的流动状态。
雷诺数（Re）是流场中惯性力与粘性力的比值，即Re=惯性力/粘性力，通俗点说，就是比较“快”
和比较“慢”两种液体在运动时，惯性力和摩擦力占的比例。
雷诺数越大，惯性力越强，粘性力越弱，流体的速度分布、流线轮廓会发生很大的变化，出现旋力、涡旋、湍流等等。
水流动力学通常研究的对象是静止水体中的水流，比如飞机飞过湖面，水面随之波动形成涟漪、浪花、气泡等图案。
水流动力学的研究不仅和地球上的河流、湖泊、海洋等水域有关，同样应用在航空飞行、化工加工、水电利用、环境污染、生态保护等领域。
而水动力学则是将力学原理用于研究水在管道、水库、持滞池、水闸等设施中
的流动规律和相应的物理量时进行研究。
水力学主要通过建立水动力学模型来进行研究，大多数研究通过物理实验来模拟实际情况，得到相关数据进行计算分析。
这些实验中一般会建立两种模型，即放大模型和原型模型。
放大模型将大型水力结构物缩小成比例减小的模型进行配制，以模拟实际工程中的设计。
原型模型则是尽可能地模拟实际情况所建立的模型，往往使用原材料制成，并实际测量水流运动的各种参数。
这种方法一般用于大型水利工程的实验验证，如水坝、堤防等大型设施。
通过对这些模型的实验数据进行计算处理，水动力学研究人员可以对水流动的各项参数进行分析，包括速度、流量、压力、粘度等。
水流动力学和水动力学模型的运用带来了很多好处。
比如，在水力学建模中，通常需要加入其他一些因素，比如气候和水文变化。
基于现代科技（计算机，数据分析算法等），这些因素可以快速集成进入模型中，将模型建立完整，用于仿真和预测。
在水文预测和防洪方面，水流动力学数值模型可以帮助我们更全面地了解水的行为和可能的高涨情况，从而方便进行防洪准备，缓解洪水对人民和社会的破坏和危害。
在水力电能开发、水利灌溉和水文工程方面，水动力学模型也可以帮助人们模拟和预测水体、水流的规律和变化，为资源管理和决策提供重要参考。
总的来说，在河流水力学中，水流动力学和水动力学模型是不可缺少的研究工具，可以帮助我们更好地了解水的运动规律和行为，对水利工程建设、洪水预测、环境保护和资源管理都有着非常重要的作用。
随着计算机科技的日益先进化，科研人员们不断进行研究和探索，相信未来将会有更多关于河流水力学的深入研究和创新，为人类社会做出更大贡献。