水力学基础知识

'1.1液体的主要物理力学性质1.2水静力学1.3水动力学1.4水流型态与水头损失本章主要讲述液体的主要物理力学性质，静水压强的分布规律，液流连续方程及水头损失计算的相关知识。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材第1章水力学基础知识 1.1.1液体的密度和容重1.1.2液体的粘滞性1.1.3液体的压缩性1.1.4液体的热胀性1.1.5液体的表面张力特性主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.1液体的主要物理力学性质 自然界中的物质根据其存在形态可分为固体、液体和气体三种。固体具有固定的形状，在外力的作用下不容易变形；液体和气体统称为流体，流体容易流动和变形。液体和气体的主要区别在于，液体在外力的作用下不易被压缩，而气体在外力的作用下则容易被压缩。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.1液体的主要物理力学性质 1．液体的密度对于均质液体，其单位体积的质量称为密度，即主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材式中m——液体的质量（g）；v——液体的体积(cm3)；p—液体的密度(g／cm3)。（1-1）1.1.1液体的密度和容重 2．液体的重量和容重地球上的物体都会受到地心引力作用，这种地球对物体的引力就称为重量(或重力)。对于质量为m的液体，其重量为主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材式中G——液体的重量(N)；g—重力加速度,本教材为简化计算取9．80m／s2。（1—2）1.1.1液体的密度和容重 式中r——液体的容重(N／m3)。由式(1-2)和式(1-3)，可得容重与密度的关系：主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材对于均质液体，单位体积的重量称为容重，则容重（1-3）必须说明的是液体的体积随着温度和压强的变化而变化，故其容重与密度也将随之而发生变化，但变化很小。通常将水的容重和密度视为常数，在温度为40C、压强为一个大气压的条件下，为简化计算，一般采用水的容重为9.80kN／m3，密度为1000kg／m3。（1-4）1.1.1液体的密度和容重 液体在运动状态下，流层间存在着相对运动，从而产生内摩擦力，故运动状态下的液体具有抵抗剪切变形的能力。运动状态下的液体具有抵抗剪切变形能力的特性，称为液体的粘滞性。粘滞性只有在流层间存在相对运动时才显示出来，静止液体是不显示粘滞性的，静止状态下的液体是不能承受切力来抵抗剪切变形的。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.1.2液体的粘滞性 1．液体的压缩性液体不能承受拉力，只能承受压力，液体受压时体积压缩变形，当压力除去后又恢复原状，液体的这种性质称为液体的压缩性。2.液体的体积压缩系数液体压缩性的大小可用体积压缩系数来表示。由于液体的体积总是随压强的增大而减小的,故压缩系数值愈小愈不易压缩。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.1.3液体的压缩性 液体温度升高体积膨胀的性质称为液体的热胀性。液体的热胀性很小，在很多工程技术领域中液体的热胀性忽略不计。在建筑设备工程中，管中输液除水击和热水水循环系统外，一般计算均不考虑液体的热胀性。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.1.4液体的热胀性 由于液体表层分子之间的相互吸引的存在，使得液体表面薄层内能够承受微小拉力的特性，称为表面张力特性。表面张力不仅存在于液体的自由表面上，也存在于不相混合的两层液体之间的接触面上。表面张力很小，通常情况下可以忽略不计，仅当液体的表面曲率很大时才需考虑。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.1.5液体的表面张力特性 1.2.1静水压强及其特性1.2.2静水压强的基本方程1.2.3绝对压强、相对压强、真空压强1.2.4压强的单位表示法1.2.5静水压强分布图主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.2水静力学 水静力学是研究静止的水所表现的力学特性的。本节主要研究静水压强的特性及其基本规律，静止是相对的，通常如果液体相对其贮存设备及液体与液体之间没有相对运动，我们就称其为静止液体。液体的静止状态有两种：一是液体相对地球处于静止状态，液体与液体之间没有相对运动,如蓄水池中的水；二是指液体对地球有相对运动，但液体与贮存设备之间没有相对运动,如作匀速运动的油罐车中的油。由于静止状态液体质点间无相对运动，粘滞性表现不出来，故而内摩擦力为零，表面力只有压力。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.2水静力学 1.静水压强静止液体对与其约束边界的壁面有压力作用，如蓄水池中的水对池壁及池底都有水压力的作用。我们把静止的液体作用在其约束边界表面上的压力称为静水压力。如图1-1所示的蓄水池池壁上，围绕K点取微小面积A，作用在A上的静水压力为P，则A面上单位面积所受的平均静水压力就称为该面积上的平均静水压强。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材图1-1静水压强计算示意图1.2.1静水压强及其特性 静水压力的单位为牛顿(N)，静水压强的单位为牛顿／米2(N／m2)。N／m2又称帕斯卡(Pa)。2.静水压强的特性静水压强有两个重要特性1)静水压强的方向与受压面垂直并指向受压面。2)静水中任何一点上各个方向的静水压强大小均相等，或者说其大小与作用面的方位无关。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.2.1静水压强及其特性 静水压强基本方程式表明：仅有重力作用下的静水中任一点的静水压强，等于水面压强加上液体的容重与该点水深的乘积。如果水面是自由水面时，计算边界所受水压力时，边界内、外大气压相抵消，如略除此项不计，则式（1-7）可简写为：主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材水深为h处的静水压强的基本方程（1-7）静水中任一点的压强与该点在水下淹没的深度成线性关系。（1-8）1.2.2静水压强的基本方程 地球表面大气所产生的压强称为大气压强，试验测定一个标准大气压为101．3kN／m2，在工程中进行水力学计算时，为计算方便一般用工程大气压，其值为98kN／m2，以Pa表示。计算压强时因计算基准的不同，压强可分为绝对压强与相对压强。1.绝对压强以没有空气的绝对真空为零基准计算面的压强称绝对压强。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.2.3绝对压强、相对压强、真空压强 2.相对压强以大气压作为零基准计算出的压强，称为相对压强。也就是说，在水力计算中不计入大气压。若不加特殊说明，静水压强即指相对压强。对同一点压强，用绝对压强计算和用相对压强计算虽然其计算结果数值不同，但却表示的是同一个压强，压强本身的大小并没有发生变化，只是计算的零基准发生了变化。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.2.3绝对压强、相对压强、真空压强 3.真空压强绝对压强为零的状态称为绝对真空。当某点的绝对压强小于当地大气压强时就认为该点产生了真空，真空值的大小用真空压强表示，真空压强为大气压强与该点的绝对压强的差值。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材图1-3绝对压强、相对压强和真空值之间的关系1.2.3绝对压强、相对压强、真空压强 1.以应力单位表示。压强用单位面积上受力的大小来表示称为应力单位表示法，这是压强的基本表示方法。单位为N／m2,又称帕斯卡(Pa)。2．以工程大气压表示。工程上常用工程大气压表示压强，1个工程大气压=98kPa，相当于10m水柱底部产生的压强，水力学中凡不加说明都是指工程大气压。3.以水柱高表示。工程中，点的静水压强往往用相对压强表示。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.2.4压强的单位表示法 由于建筑物都处在大气中，各个方向的大气压互相抵消，计算中只涉及相对压强，所以只需画出相对压强分布图。由静水压强方程可知，压强与水深呈线性函数关系，把受压面上压强与水深的这种函数关系用图形来表示，称为静水压强分布图。其绘制原则是：1)用有向线段长度代表该点静水压强的大小。2)用箭头方向表示静水压强的作用方向，作用方向垂直指向受压面。因压强与水深为一次方关系，故在水深方向静水压强系直线分布，只要给出两个点的压强即可确定此直线。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.2.5静水压强分布图 工程中常见的几种情况，如图1-4所示。矩形受压面的静水压强分布图，因其放置位置不同，有直角三角形、直角梯形、矩形三种基本图形。当受压面上边缘恰在水面，下边缘在水面以下时，不论受压面是垂直安放还是倾斜安放，其压强分布图均为三角形；当受压面上、下边缘都在水面以下，上边缘高于下边缘时，其分布图为梯形；当受压面在水中水平放置时，其压强分布图为矩形。其它复杂图形都是上述三种图形的组合。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.2.5静水压强分布图 返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材a)、b)直角三角形分布c)直角三角形和直角梯形分布d)矩形分布图1-4工程中常见的几种静水压强分布情况1.2.5静水压强分布图 返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材例3如图1-5，绘制矩形闸门AB平面的静水压强分布图。解：选A和B两点；求A点和B点静水压强的大小；画箭杆，A点箭杆长度为0，B点箭杆垂直指向上AB面，长度为rH；连箭尾，连接AB两点箭杆尾端；标数字，标注B点箭杆所表示的压强数据rH；在图形内部画若干箭杆表示各点压强的分布。图1-5矩形闸门静水压强分布图1.2.5静水压强分布图 1.3.1水动力学的基本概念1.3.2恒定液流连续性方程主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3水动力学 1.迹线与流线液体是由无数质点构成的连续介质。要想研究液体运动规律，首先要了解描述液体的运动的方法。水力学中描述水流运动有两种方法，即迹线法和流线法。（1）迹线法迹线是指液体质点在运动过程中不同时刻所经过的空间位置的连线，亦是液体质点运动的轨迹。用迹线法描述液体运动，是研究个别液体质点在不同时刻的运动情况。这种方法概念清晰，简单易懂。但它只适用于研究液体质点作某些有规则的运动；从实用上讲，大多数情况下并不需要知道各质点运动的来龙去脉，而仅需了解某一固定区域的流动状况，所以这种方法在水力学中一般不大采用，而普遍采用较为简便实用的流线法。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 （2）流线法流线法是把充满液体质点的空间作为研究对象，不再跟踪每个质点，而是考察分析水流中的水质点在通过固定空间点时的速度、压强的变化情况，来获得整个液体运动的规律。由于流线法是以流动的空间作为研究对象，所以通常把液体流动所占据的空间称为流场。在液体运动的流场内绘出一条曲线，该曲线上任一点的切线方向都是某一时刻液流质点的速度方向，此曲线就称为该液流的流线。流线一定是光滑的曲线，流场中同一瞬时可绘出无数条流线。用流线法描述液体运动，要考察同一时刻液体质点在不同空间点的运动情况。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 根据流线的概念，可知流线有以下特征：1)流线上所有各质点的切线方向就代表了该点的流动方向。2)一般情况下，流线既不能相交，也不能是折线，而只能是一条连续光滑的曲线。这是因为如果有两条流线相交，则在交点处，流速就会有两个方向；如果流线为折线，则在转折点处，同样将出现有两个流动方向的矛盾现象，所以流线只能是一条光滑曲线。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 3)流线上的液体质点只能沿着流线运动。这是因为水质点的流速是与流线相切的,在流线上不可能有垂直于流线的速度分量，所以液体质点不可能有横越流线的流动。某一瞬时，在运动液体的整个空间绘出的一系列流线所构成的图形，称为流线图。流线图不仅能够反映空间点上液体质点的流速方向，对于不可压缩液体，流线图的疏密程度还能反映该时刻流场中各点的速度大小。流线愈密集的地方流速愈大，流线愈稀疏的地方，流速愈小，它的形状受到固体边界形状、离边界远近等因素的影响。如图1-6、1-7所示。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 图1-6流线图1-7流线图主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 2.过水断面、流量和流速(1)过水断面与流线正交的液流横断面，称为过水断面。用A表示，其单位为m2。过水断面可为平面，也可为曲面。在流线相互平行时，过水断面为平面；否则过水断面则为曲面。如图1-8所示。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材图1-8过水断面示意图1.3.1水动力学的基本概念 (2)流量单位时间内通过某一过水断面的液体体积，称为流量。用表示，其单位为m3/s或L/s。(3)断面平均流速过水断面上各点的流速一般并不—定相同，且断面流速分布不易确定，为使研究方便，实际工程中常常采用断面平均流速。流量与过水断面的比值称为断面平均流速。其单位为m/s。过水断面、流量和流速之间的关系为：总流的流量Q等于断面平均流速v与过水断面面积A的乘积。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 3.水流运动的类型(1)恒定流与非恒定流根据液流的运动要素是否随时间变化，可将液流分为恒定流与非恒定流。液体运动时，若任何空间点上所有的运动要素（如流速的大小、方向）都不随时间而改变，这种水流称为恒定流。如图1-9所示，在水箱侧壁上开有孔口，当箱内水面保持不变(即H为常数)时，孔口泄流的形状、尺寸及运动要素均不随时间而变，这就是恒定流。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 液体运动时，若任何空间点上有一运动要素随时间发生了变化，这种水流称为非恒定流。由于恒定流时运动要素不随时间而改变，则流线形状也不随时间而变化，此时，流线与迹线重合，这种水流运动的分析比较简单，本节后续内容只研究恒定流。(2)均匀流与非均匀流在恒定流中，根据液流的运动要素是否沿程变化，将液流分为均匀流与非均匀流。若同一流线上液体质点流速的大小和方向均沿程均不变化，此液流称为均匀流。如液体在直径不变的长直管中的流动，或在断面形状、尺寸沿程不变的长直渠道中的流动，都是均匀流。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 在均匀流中，沿同一根流线的流速分布是均匀的，所以流线是一组互相平行的直线，此时过水断面为平面。当液流流线上各质点的运动要素沿程发生变化，流线不是彼此平行的直线时，此液流称为非均匀流。液体在收缩管、扩散管或弯管中的流动，以及液体在断面形状、尺寸改变的渠道中的流动，均为非均匀流。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材图1-9恒定流图1-10非恒定流1.3.1水动力学的基本概念 (3)渐变流与急变流在非均匀流中，根据流线的不平行程度和弯曲程度，可将其分为渐变流与急变流。渐变流是指流线接近于平行直线的流动，如图1-11所示。此时，各流线的曲率很小(即曲率半径较大)，流线间的夹角也很小，它的极限情况就是流线为平行直线的均匀流。由于渐变流中流线近似平行，故可认为渐变流过水断面近似为平面。急变流是指流线的曲率较大，流线之间的夹角也较大的流动。此时，流线已不再是一组平行的直线，因此过水断面为曲面。管道转弯、断面扩大或收缩使水面发生急剧变化处的水流，均为急变流。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 图1-11渐变流与急变流主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 (4)有压流、无压流根据液流在流动过程中有无自由表面，可将其分为有压流与无压流。液体沿流程整个周界都与固体壁面接触，而无自由液面的流动称为有压流。它主要是依靠压力作用而流动，如自来水管和有压涵管中的水流，均为有压流。若液体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面的液流称为无压流。它主要是依靠重力作用而流动，因无压流液面与大气相通，故又可称为重力流，如河渠中的水流和无压涵管中的水流，均为无压流。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.1水动力学的基本概念 液体作为不可压缩的连续介质与其它运动物质运动一样，也必须遵循质量守恒定律。恒定流连续性方程，实质上就是质量守恒定律在水流运动中的具体体现。在恒定流中任取一段微小流束作为研究对象，如图1-12所示，考虑到：1)在恒定流条件下，微小流束的形状与位置不随时间而改变。2)液体一般可视为不可压缩的连续介质，其密度为常数。3)液体质点不可能从微小流束的侧壁流人或流出。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.2恒定液流连续性方程 恒定流连续性方程。式中的与分别表示过水断面及的断面平均流速。连续性方程表明：1)对于不可压缩的恒定总流，流量沿程不变。2)如果断面沿流程变化，则任意两个过水断面的平均流速的大小与过水断面面积成反比。断面大的地方流速小，断面小的地方流速大。上述连续性方程是在流量沿程不变的条件下建立的，若沿程有流量汇人或分出，则连续性方程在形式上需作相应的变化。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.3.2恒定液流连续性方程 1.4.1水流的流态1.4.2水头损失主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4水流型态与水头损失 试验表明，在管中流动的水流，当其流速不同时，水流具有两种不同的流动型态。当流速较小时，各流层的水流质点是有条不紊、互不混掺地分层流动，水流的这种流动型态称为层流。当水流中的流速较大时，各流层中的水流质点已形成旋涡，在流动中互相混掺，这种流动型态的水流为紊流。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4.1水流的流态 水流型态的判别:为了鉴别层流与紊流这两种水流型态，把两类水流型态转换时的流速称为临界流速。其中，层流变紊流时的临界流速较大，称上临界流速，由紊流变层流时的临界流速较小，称下临界流速。当流速大于上临界流速时，水流为紊流状态。当流速小于下临界流速时，水流为层流状态。当流速介于上下两临界流速之间时，水流可能为紊流，也可能为层流，根据管道的初始条件和受扰动的程度确定。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4.1水流的流态 液体流动型态的转变，取决于液体流速和管径d的乘积与液体运动粘滞性系数的比值，称为雷诺数。同一形状的边界中流动的各种液体，流动型态转变时的雷诺数是一个常数，称为临界雷诺数。紊流变层流时的雷诺数称为下临界雷诺数。层流变紊流的雷诺数称为上临界雷诺数。下临界雷诺数比较稳定，而上临界雷诺数的数值极不稳定。实践中，只根据下临界雷诺数判别流态。把下临界雷诺数称为临界雷诺数。实际判别液体流态时，当液流的雷诺数小于临界雷诺数时，为层流；当液流的雷诺数大于临界雷诺数时，则为紊流。雷诺数是判别流动型态的判别数，对于同一边界形状的流动，在不同液体、不同温度及不同边界尺寸的情况下，临界雷诺数是一个常数。不同边界形状下流动的临界雷诺数大小不同。试验测得圆管中临界雷诺数=2000～3000，常取2320为判别值。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4.1水流的流态 在明槽流动中，由于槽身形状有差异，临界雷诺数=300--600，常取580为判别值。在建筑设备工程中所遇到的流动绝大多数属于紊流，即使流速和管径皆较小的生活供水，管流通常也是紊流。层流是很少发生的，只有在流速很小，管径很大或粘滞性很大的流体运动时（如地下渗流、油管等）才可能发生层流运动。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4.1水流的流态 1．水头损失产生的原因和水头损失的类型由于实际液体具有粘滞性，因此在流动过程中在有相对运动的相邻流层间就会产生内摩擦力，耗损一部分液流的机械能，造成水头损失。在固体边界顺直的情况下，水流的边界形状和尺寸沿水流方向不变或基本不变，水流的流线便是平行的直线，或者近似为平行的直线，其水流属于均匀流或渐变流，在此情况下产生的水头损失沿程都存在，并随流程的长度而增加，这种为克服沿程阻力而引起单位重量水体在运动过程中的能量损失，称为沿程水头损失，如输水管道、隧洞和河渠中的均匀流及渐变流流段内的水头损失，就是沿程水头损失。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4.2水头损失 在边界形状和大小沿流程发生改变的流段，水流的流线发生弯曲,由于水流的惯性作用，水流在边界突变处会产生与边界的分离,并且水流与边界之间形成旋涡区，故在水流边界突变处的水流属于急变流，如图1-16所示。在急变流段内，由于水流的扩散和旋涡的形成，使水流在此段内形成了比内摩擦阻力大得多的水流阻力，产生了较大的水头损失，这种当流动边界沿程发生急剧变化时(如突然扩大、突然缩小、转弯、阀门等处)，局部流段内的水流产生了附加的阻力，额外消耗了大量的机械能，通常称这种附加的阻力为局部阻力，克服局部阻力而造成单位重量水体的机械能损失为局部水头损失。局部水头损失，是在边界发生改变处的一段流程内产生的，为了计算方便，常将局部水头损失看成是集中在一个突变断面上产生的水头损失。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4.2水头损失 实际水流中，整个流程既存在沿程水头损失，又有各种局部水头损失。某一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和，称为该流段的总水头损失。2．沿程水头损失的计算在实际建筑设备工程中，计算管道的水头损失可查有关手册得水力坡度（单位管长的水头损失）值。用式（1-23）计算。3.局部水头损失计算在水力计算中，局部水头损失可用式（1-24）计算。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4.2水头损失 给水管网中，管道部件很多，同类部件由于构造的差异，其局部水头损失值也不同，详细计算较为繁琐。因此，在实际工程中，一般不逐个计算，可根据管道性质不同按管网沿程水头损失的百分数采用即可，其百分数取值为：(1)塑料类管道。粘接连接和热熔连接的塑料管为30％；卡环、卡套式机械连接的塑料管为50％～60％。(2)钢塑复合管。生活给水管道为40％；消防给水管道为30％。(3)金属管。生活给水管网为25％～30％；生产给水管网、生活、消防共用给水管网，生产、消防共用给水管网为15％；消火栓系统消防给水管网为10％；自动喷水灭火系统消防给水管网为20％；生活、生产、消防共用给水管网为20％。主要内容返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.4.2水头损失 1.“液体在静止状态下不存在粘滞性”，这种说法对否，为什么？2.静水压强分布图应绘成绝对压强分布图还是相对压强分布图，为什么?3.试分析图1-17中静水压强分布图错在哪里?4.如图1-18所示的几个不同形状的容器，放置在桌面上，容器内的水深相等，容器底面积A亦相等。问：容器底面的静水压强是否相同，静水压强的大小与容器形状有无关系?5.有一变直径圆管，已知1-1、2-2断面的直径分别是d1和d2，问两断面平均流速之比为1:3时，其直径比例为多少?6.产生水头损失的根本原因是什么?返回目录普通高等教育“十一五”国家级规划教材水力学基础知识'