水力学终期复习ppt课件.ppt

'本章学习基本要求：了解水力学发展简史；理解流体基本特征与主要物理性质，掌握牛顿内摩擦定律；理解无粘性流体与粘性流体、可压缩流体与不可压缩流体的概念；掌握作用在流体上的力；了解连续介质的概念。EXIT绪论 0.4.2理想液体的概念在水力学中液体分为理想液体和实际液体。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。理想液体和实际液体的最主要差别：是否考虑粘滞性。EXIT在水力学中按照理想液体假定得出的液体运动的结论，必须对没有考虑粘滞性而引起的偏差进行修正，才能应用到实际液体运动的分析计算中。 0.5作用于液体上的力按物理性质分：重力、惯性力、弹性力、摩擦力、表面张力。按特点分：表面力和质量力。0.5.1表面力表面力：EXIT作用于液体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力。如摩擦力、水压力。 式中η称为动力粘滞系数或粘度，是随液体种类不同而异的比例系数，其单位为牛顿•秒／米2（N•s/m2）或Pa•s。du/dy称为流速梯度。科学实验证明：作用在相邻流层接触面单位面积上的粘滞力τ的大小，与两流层间的速度差du成正比，与两流层间的距离dy成反比，同时与流体的性质有关。即或EXIT牛顿内摩擦定律：作层流运动的液体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯度成正比，同时与流体的性质有关。 0.5.2质量力质量力：是指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成比例的力。如重力、惯性力。单位质量力具有和加速度一样的量纲[LT-2]。EXIT单位质量力： 1切应力公式=RJ是在均匀流条件下导出的。（）2、相邻液体接触面上的水压力是质量力（）3、液体流层之间的内摩擦力与液体所承受的压力有关。（）4、不同液体的粘滞性并不相同，同种液体的粘滞性是个常数。()5、当质量力只有重力时，液体的重力加速度代表液体的单位质量力。()6、牛顿内摩擦定律表明液体的切应力与剪切变形成正比，并与液体的粘性有关。()7内摩擦力大小只与速度梯度有关，与正压力无关（）8体积模量K越大，液体越容易压缩（）1、在流体力学中，单位质量力是指作用在单位（）流体上的质量力。A面积B体积C质量D重量 本章学习基本要求：理解静水压强的特性；掌握静水压强基本方程、等压面以及液体中压强的计算、测量与表示方法；掌握静水总压力的计算方法。第一章水静力学 淹没深度相同的各点静水压强相等，只适用于质量力只有重力的同一种连续介质。对不连续液体或一个水平面穿过了两种不同介质，位于同一水平面上的各点压强并不相等。EXIT(a)连通容器(b)连通器被隔断(c)盛有不同种类溶液的连通器 1.6绝对压强与相对压强EXIT由地球表面大气所产生的压强，称为大气压强。海拔高程不同，大气压强也有差异。我国法定计量单位中，把101.325kPa称为一个标准大气压。1.6.1绝对压强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。绝对压强总是正的。 解：绝对压强或为水柱或为水银柱相对压强或为水柱，或为水银柱真空度或为1.84mm水柱，或为135mm水银柱例1.8若已知抽水机吸水管中某点绝对压强为80试将该点绝对压强、相对压强和真空度用水柱及水银柱表示出来（已知当地大气压强为）。EXIT 1.9作用于平面上的静水总压力水工建筑物常常都与水体直接接触，计算某一受压面上的静水压力是经常遇到的实际问题。1.9.1作用在矩形平面上的静水总压力压力图法：1．静水压强分布图的绘制●按一定比例，用线段长度代表该点静水压强的大小。●用箭头表示静水压强的方向，并与作用面垂直。EXIT 例1.9某泄洪隧洞，在进口倾斜设置一矩形平板闸门（见图），倾角为60o，门宽b为4m，门长L为6m，门顶在水面下淹没深度h1为10m，若不计闸门自重时，问沿斜面拖动闸门所需的拉力F为多少（已知闸门与门槽之间摩擦系数f为0.25）？门上静水总压力的作用点在哪里？EXIT 解：当不计门重时，拖动门的拉力至少需克服闸门与门槽间的摩擦力，故F＝。为此须首先求出作用于门上静水总压力FP。1）用压力图法求FP及作用点位置首先画出闸门AB上静水压强分布图。门顶处静水压强为门底处静水压强为压强分布图为梯形，其面积静水总压力EXIT （2）用解析法计算FP及以便比较静水总压力作用点距闸门底部的斜距总压力FP距水面的斜距EXIT 求FP的作用点距水面的斜距对矩形平面，绕形心轴的面积惯矩为可见，采用上述两种方法计算结果完全相同。（3）沿斜面拖动闸门的拉力EXIT 动画EXIT EXIT何谓绝对压强，相对压强和真空值？它们之间有什么关系？(6分)1、绘出图中字母标出的受压面上水平分力的压强分布图和垂直分力的压力体图。(8分) EXIT 本章学习基本要求：了解描述流体运动的两种方法；理解流动类型和流束与总流等相关概念；掌握总流连续性方程、能量方程和动量方程及其应用。EXIT第二章液体运动的流束理论 实际液体总流的总水头线和测压管水头线测压管水头线可能是下降的直线或曲线，也可能是上升的线，甚至可能是水平线实际液体总流的总水头线必定是一条逐渐下降的线（直线或曲线）EXIT 为了得到实际液体恒定总流的能量方程，首先研究了理想液体恒定流微小流束的受力状况，根据牛顿第二定律及一元流加速度的定义，得出即实际液体具有粘滞性，运动中克服水流阻力做功将损失部分能量，所以上式中的各项既有几何意义，也有能量意义。 总流的能量方程可通过对微小流束的能量方程在横断面上积分获得。但由于动水压力与流速分布的复杂性，积分只能针对均匀流或非均匀渐变流进行。均匀流是流线呈相互平行直线的水流。均匀流的动水压力服从静水压力分布，非均匀渐变流也近似地服从。通过引入动能修正系数和平均能量损失，得到了实际液体恒定总流的能量方程如下：动能修正系数取值大于1，且与断面上流速分布的均匀程度有关。越均匀，越接近1。总水头线坡度表示的是水流能量损失的沿程变化幅度，又称水力坡度。 恒定总流能量方程的应用条件：恒定流、质量力仅有重力、渐变流以及流量不变。应用恒定总流能量方程的注意事项：基准面问题、压强取值问题、测压管水头计算点问题以及动能修正系数问题。沿程有流量或能量输入（输出）时能量方程的应用问题。毕托管测流速的原理及应用。文丘里流量计的原理及应用。孔口恒定与非恒定出流的计算以及两者之间的关系。管嘴恒定出流的计算及其与孔口恒定出流的关系。 例2-1有一直径缓慢变化的锥形水管（如图），1-1断面处直径d1为0.15m，中心点A的相对压强为7.2kPa，2-2断面处直径d2为0.3m，中心点B的相对压强为6.1kPa,断面平均流速v2为1.5m/s，A、B两点高差为1m，试判别管中水流方向，并求1、2两断面的水头损失。EXIT 解：首先利用连续原理求断面1-1的平均流速。因，故因水管直径变化缓慢，1-1及2-2断面水流可近似看作渐变流，以过A点水平面为基准面分别计算两断面的总能量。EXIT 因管中水流应从A流向B。水头损失：EXIT 2.5.2.2水流对溢流坝面的水平总作用力液体流经溢流坝体附近时，流线弯曲较剧烈，坝面上动水压强不符合静水压强分布规律，不能按静水压力计算方法来确定坝面上的动水总压力。EXIT令坝上、下游河道横断面均是宽度b的矩形。上游水深为h，断面平均流速为v1。下游符合渐变流条件的横断面水深为ht，断面平均流速为vt。 取如图所示控制体，并把1-1和2-2断面取在符合渐变流条件位置，使两断面的p动=p静。作用在控制体积上的外力在x轴方向上的投影包括：1-1断面上的动水压力FP12-2断面上的动水压力FP2坝体对水流的反作用力FPx液体的重力在x方向投影为0。EXIT水流在x轴方向上动量有变化。 因沿x轴方向动量方程为：因令EXIT 2.6量纲分析与π定理解决水力学问题时仅靠三大基本方程是远远不够的，还需要借助其他科学试验的手段。在研究某些水流运动规律过程中量纲分析可以发挥重要作用。物理量的量纲可分为基本量纲和导出量纲两类。长度[L]、时间[T]、质量[M]这三个量纲属于基本量纲。其它物理量的量纲可以由这三个基本量纲组合或推导得出。如流速的量纲LT-1属于导出量纲。2.6.1量纲分析的基本概念EXIT EXIT EXIT 掌握水头损失的概念和分类；理解边界条件对水头损失的影响；掌握均匀流沿程水头损失与切应力的关系；掌握液体运动的两种型态及其判别；理解圆管层流运动及其沿程水头损失；理解湍流的特征；理解沿程阻力系数的变化规律；掌握沿程水头损失计算的经验公式；理解局部水头损失计算公式。本章学习要求：EXIT第三章液流型态及水头损失33 液流产生水头损失的两个条件：●液体具有粘滞性。●由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动。液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。液流的总水头损失hw：式中：流段中各分段的沿程水头损失的总和EXIT流段中各种局部水头损失的总和34 整理上述推导得出：对圆管，因，故有：上式是计算均匀流沿程水头损失的Darcy公式。均匀流沿程水头损失的计算问题，变成了如何确定沿程阻力系数的问题。而沿程阻力系数与液体运动的型态有关。 尼库拉兹沿程阻力系数与雷诺数关系图EXIT36 结果表明：●当Re＜2000时，与Re的关系为直线Ⅰ，与相对光滑度无关。代表层流的沿程阻力系数的规律，满足：●当2000＜Re＜4000时，是层湍流过渡区。仅与Re有关，而与相对光滑度无关。因其范围窄，实用意义不大。EXIT37 ●当Re＞4000时，液流是湍流，决定于与的关系：当Re较小时，可以淹没，是水力光滑管。而与无关。图中直线Ⅱ，下降？在直线Ⅱ与直线Ⅲ之间的区域为光滑管过渡到粗糙管的过渡区直线Ⅲ以右的区域，与有关，而与Re无关，属粗糙管区。因沿程水头损失与v的平方成正比，又称阻力平方区。EXIT38 光滑区：，伯拉修斯公式或尼库拉兹公式。根据尼库拉兹等的试验结果，归纳出湍流分区的标准及计算沿程阻力系数的经验公式如下：过渡粗糙区：，Cole-Brook&White公式。粗糙区：，尼库拉兹公式。实用中注意公式的适用范围。EXIT39 小结总水头损失●沿程水头损失EXIT或者需要确定λ需要确定n●局部水头损失需要确定ζ因此，总水头损失hw注意ζi与vi的对应关系40 EXIT10、液流产生水头损失的根源是液体的粘滞性和固壁边界的影响，根据水头损失在液流内部的物理作用方面的不同，可以将其分为沿程损失与局部损失。()11、简述尼古拉兹实验中沿程水力损失系数λ的变化规律。（5分）12、雷诺数与佛汝德数的意义、表达式及作用。（5分） 本章学习基本要求：理解孔口、管嘴出流的计算方法；掌握简单短、长管恒定有压流的水力计算方法；掌握串、并联管道的水力计算方法。EXIT第四章有压管中的恒定流 有压管道长管、短管简单管道自由出流、淹没出流（v、Q）长管测压管水头线与总水头线的绘制短管测压管水头线与总水头线的绘制简单管道自由出流与淹没出流流量系数的关系串联管道测压管水头线与总水头线的绘制沿程均匀泄流管道的折算流量、水头损失概念分类 44例4.5用离心泵将湖水抽到水池，流量Q为0.2m3/s，湖面高程▽1为85.0m，水池水面高程▽3为105.0m，吸水管长l1为10m，水泵的允许真空值hv4.5m，吸水管底阀局部水头损失系数ζe＝2.5，90o弯头局部水头损失系数ζb＝0.3，水泵入口前的渐变收缩段局部水头损失系数ζg=0.1，吸水管沿程阻力系数λ＝0.022，压力管道采用铸铁管，其直径d2为500mm,长度l2为1000m，n＝0.013（见图）。试确定：(1)吸水管的直径d1；(2)水泵的安装高度▽2；(3)带动水泵的动力机械功率。EXIT 45解：（1）确定吸水管的直径：采用设计流速v=1.0m/s，则决定选用标准直径＝500mm。EXIT 46安装高程是以水泵的允许真空值来控制的。令水泵轴中心线距湖面高差为，则计算值水泵轴最大允许安装高程▽2＝85+4.28=89.28m。(2）水泵安装高程的确定：EXIT 47（3）带动水泵的动力机械功率因为吸水管及压力管水头损失之和。已求得吸水管水头损失为0.22m，当压力管按长管计算时，整个管道的水头损失为EXIT 48设动力机械的效率为0.7，水的密度为1000kg/m3；压力管的流量模数则即可求得所需动力机械功率EXIT 49EXIT 50EXIT6、长管的作用水头全部消耗在沿程水头损失上。（） 本章学习要求：理解明渠的类型；掌握明渠均匀流的特性及产生条件；掌握明渠均匀流的计算公式；理解水力最佳断面和允许流速；理解明渠均匀流水力计算的类型；了解粗糙度不同明渠和复式断面明渠的水力计算。EXIT第五章明渠恒定均匀流51 关于明渠的几个概念：明渠、横断面水力参数（m、β）、棱柱体明渠、正坡、平坡、逆坡明渠恒定均匀流的特性、工程实践中明渠水深与长度的表示方法明渠均匀流产生的条件（4点）明渠均匀流的计算公式：连续性方程、动力方程C=f(n,R)n的取值规律水力最佳断面形状？工程实践中为何并不常用？明渠设计中为什么要设定流速范围？n取值注意事项 恒定流连续方程：均匀流的谢齐公式：明渠水流大多处于阻力平方区，可采用曼宁公式或巴甫洛夫斯基公式计算谢才系数C。式中K具有流量的量纲，被称为流量模数，单位为m3/s，它综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙系数对过流能力的影响。均匀流的流量公式：谢才系数C是n和R的函数。n对C的影响远大于R对C的影响。正确选取n值对明渠均匀流计算至关重要。EXIT5.3明渠均匀流的计算公式53 例某梯形土渠设计流量Q为2m3/s，渠道为重壤土，粗糙系数n为0.025，边坡系数m为1.25，底坡i为0.0002。设计一水力最佳断面，校核渠中流速(已知不淤流速为0.4m/s)。解：根据梯形明渠的水力要素计算公式和均匀流计算公式，并用曼宁公式计算谢才系数，整理后可得：当为水力最佳断面时值应由下式确定：EXIT54 将各已知值及求得的值代入，可求得水力最佳断面的水深及底宽校核渠中流速是否满足不冲不淤的条件：查表得R＝1m时的不冲允许流速EXIT55 取，则不冲允许流速对所设计的水力最佳断面已知不淤流速渠中断面平均流速为故所设计断面满足不冲刷不淤积的条件。EXIT56 2、什么叫正常水深？什么叫临界水深，如何用流速、Fr数、水深、底坡判断顺坡明渠恒定非均匀流的流态？(8分) 第六章明渠恒定非均匀流理解明渠水流的三种流态；理解断面比能公式及掌握临界水深的计算公式；理解临界底坡、缓坡与陡坡；理解明渠恒定非均匀渐变流的微分方程；掌握棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析；理解明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算。本章学习要求： 明渠均匀流的形成条件。绝大部分人工明渠和天然河道中的水流都不属于均匀流，但可按非均匀渐变流处理。由于非均匀渐变流水深和断面平均流速沿程变化，需建立其分析计算方法。水面线的变化规律与水流流态有关，所以先研究水流流态的判别方法。以投入水中的石子（干扰物）形成的微幅波的传播规律来划分水流流态。缓流、临界流、急流的定义。 微幅波波速的计算公式。Froude数采用Froude数判断水流流态能量与力学意义。从Froude数的能量意义看出，水流流态实际上取决于断面上的动能与势能的对比关系，于是引入断面比能的概念。断面比能的概念与能量意义。比能曲线的特性及其代表的能量意义。根据比能曲线判断水流的流态。临界水深的概念，根据临界水深判断水流的流态。临界底坡的概念与影响因素。缓坡、临界坡与陡坡。临界水深的工程意义与发生临界水深的工程实例。临界流方程。 对均匀流和非均匀流，可采用vw、Fr、hK、dEs/dh判断水流流态，各物理量有其物理意义或能量意义。对均匀流，还可通过对比h和hK、i和iK判断水流流态。水流流态判别方法小结。非均匀渐变流的微分方程及其能量意义。能量意义是：水流势能的降低，一部分转化为动能的增加；另一部分则用于克服水流阻力作功而形成水头损失。 各类水面线的型式及实例EXIT64 EXIT65 12种水面线的变化规律小结：所有a、c区水面线均为壅水曲线，但a3、c3水面线为水平线。所有b区水面线均为降水曲线，若有N-N线时，以N-N线为渐近线，且与K-K线呈正交趋势。每个区域有且仅有一种形式确定的水面线。当渠道为顺坡且很长时，在扰动影响不到的区域水流保持为均匀流，水深保持正常水深，水面线为N-N线。水流从缓流过渡到急流，水面线可平滑地通过临界水深，且临界水深发生的位置一般在坡度由缓变陡的连接断面；水流由急流过渡到缓流，除临界坡渠道外，均发生水跃。 2、定性绘出图示棱柱形明渠的水面曲线，并标注曲线名称。（各渠段均充分长，各段糙率相同） 水体静止或相对平衡明渠流动管道流动∑F=0，F包括G等质量力，FP、Ff等表面力，G=mg，Ff=λFP，pC、hC、V的物理意义，V的组成，力的作用点与方向。恒定流非恒定流均匀流渐变流层流湍流急流临界流缓流急流临界流缓流急变流急流临界流缓流层流湍流急流临界流缓流可能，但无工程意义12种水面线可能，但无工程意义棱柱体明渠 本章学习基本要求：掌握水跃的概念；掌握棱柱体水平明渠的水跃方程、共轭水深的计算；了解水跃消能机理、效率、能量损失计算及跃长计算的经验公式。EXIT第七章水跃 假定：水跃跃前、跃后断面的水流为渐变流（动水压强近似服从静水压强分布）；摩阻力Ff＝0；动量修正系数β1＝β2＝1。EXIT应用恒定总流的动量方程和连续性方程，经整理可得：71 当明渠断面的形状、尺寸以及渠中的流量一定时，水跃方程的左右两边都仅是水深的函数。于是，水跃方程也可以写成如下的形式上式表明，在棱柱体水平明渠中，跃前水深h1与跃后水深h2具有相同的水跃函数值，两个水深被称为为共轭水深。EXIT棱柱体水平明渠中的水跃方程也可应用于底坡较小的明渠。72 EXIT7、水跃是明渠水流从缓流过渡到急流的一种渐变水力现象。() EXIT 第八章堰流及闸孔出流EXIT本章学习基本要求：掌握堰流与闸孔出流特点及其转化判别；掌握堰的分类及总的堰流计算公式与该公式在各类堰中的应用；掌握平顶与曲顶上闸孔出流的水力计算公式与应用；掌握实用堰的剖面设计及宽顶堰和闸孔出流的水力计算；掌握闸孔出流水力计算基本公式的应用；掌握平顶堰上的闸孔与曲顶堰上的闸孔过流特点。 堰顶过水断面面积一般为矩形，设断面宽度为b；1-1断面的水舌厚度表示为kH0，k为堰顶水流垂直收缩系数。则1-1断面的过水面积为kH0b；通过的流量为：式中：称为流速系数；为流量系数。上式即为堰流计算的基本公式，适用于堰顶过水断面为矩形的薄壁堰、实用堰和宽顶堰。由上式可见， 堰顶过水断面面积一般为矩形，设断面宽度为b；1-1断面的水舌厚度表示为kH0，k为堰顶水流垂直收缩系数。则1-1断面的过水面积为kH0b；通过的流量为：式中：称为流速系数；为流量系数。上式即为堰流计算的基本公式，适用于堰顶过水断面为矩形的薄壁堰、实用堰和宽顶堰。由上式可见， 本章学习基本要求：理解水跃消能的机理；掌握底流消能水力计算方法；了解面流和挑流等消能方式的水力计算方法；了解不同消能方式怎样采取措施控制水跃位置，简要设计这类设施；了解不同消能新技术的特点。EXIT9泄水建筑物下游的水流衔接与消能 本章学习基本要求：了解水击概念、水击现象、传播过程；理解水击分类依据；理解水击波速与两类水击的计算。EXIT110有压管中的非恒定流 81当阀门突然完全关闭时则得相应的水头增量上式常称为儒可夫斯基公式，可用来计算阀门突然关闭或开启时的水击压强。EXIT压力钢管水击波传播速度可取1000m/s。若阀门突然关闭使流速从6m/s减小到0，引起的水头增量达近600m水头，相当于60个大气压。可见水击压强巨大。 82a0是不受管壁影响时，水击波的传播速度；也就是声波在液体中的传播速度。声波在空气中的传播速度约为340m/s。a0值与液体的压强及温度有关，当水温在10℃左右，压强为1~25个大气压时，a0为1435m/s。EXIT整理可得：。δ为管壁厚度。若管道为绝对刚体，则水击波的最大传播速度为： 12液体运动的流场理论本章学习要求：了解流场、速度、加速度的概念；理解流线与迹线的微分方程；理解微团运动的基本形式：平移、线变形、角变形和旋转；了解有涡流、无涡流、速度环量和涡通量的概念；了解液体运动的连续性方程；了解理想液体和实际液体的运动微分方程。EXIT84 10、流线、迹线和等势线在任何条件下都有的性质是（）A、流线与等势线正交B、流线与等势线重合C、流线与迹线重合D、迹线与等势线正交 本章学习基本要求：掌握流速势函数和流函数及其特性；了解势流叠加原理及其应用。EXIT14恒定平面势流87 无涡流：液体质点不存在绕自身轴旋转的流动，满足无涡流存在流速势函数，满足对给定时刻t，有： XOY平面的平面流，其流线方程式为若上式左边是某一函数的全微分，则上式就可积分，即14.1恒定平面势流的流速势及流函数14.1.1流函数及其性质求解平面流就是要求解水流的流动场和流动图形，流线反映了平面流的流动图形。或写作EXIT5函数叫做平面流的流函数。 本章学习基本要求：理解渗流的基本概念和渗流的阻力规律；理解集水廊道和单井的水力计算方法；理解井群的计算原理。EXIT115渗流 本章学习基本要求：理解相似原理及相似现象；理解不同相似特征的相似条件；了解不同相似特征的相似比尺计算方法；了解水工模型相似准则及相似条件。EXIT118相似原理和模型试验基础 EXIT1 EXIT1'