水力学与桥涵水文课件.ppt

'水力学与桥涵水文1 第三章水动力学第一节液体运动的基本概念建立流场中各点的运动要素（流速、动水压强等）之间的关系，以此来解决工程中遇到的实际问题。水动力学研究基本问题：流场：液体运动时占据的整个空间。2 通过研究单个液体质点在空间的运动情况，最后获得整个液体的运动规律。一描述液体运动的两种方法拉格朗日法13 单个质点运动规律复杂性、以及液体由大量液体组成，导致数学上研究困难。从实用出发，水力学中普遍采用欧拉法。单个液体质点在空间的运动轨迹。迹线4 通过研究众多液体质点通过固定空间点时，该空间点的流动参数随时间变化规律，最后获得整个流场的运动规律。欧拉法25 某时刻在流场中绘制的一条光滑曲线。曲线上各点切线的方向代表了同一时刻处于该点处的液体质点的运动方向。流线6 流线的特性：②同一时刻，流场中的各条流线不会相交。①流线为光滑的曲线。7 ③流线分布的疏密程度反映流速的大小。流线密的地方则流速大，流线疏的地方流速小。128 溢流坝流线9 根据空间点运动要素是否随时间变化来区分恒定流与非恒定流。流场中各空间点的所有运动要素均不随时间变化的水流。恒定流的运动要素仅随空间位置变化。例子：库水位不变时，引水隧洞中的水流。二水流运动的分类恒定流、非恒定流1恒定流10 流场中空间点的运动要素随时间变化的水流。非恒定流的运动要素是时间和空间的函数。实际水流严格上讲均为非恒定流。非恒定流11 流线为相互平行的直线的流动。2均匀流、非均匀流均匀流明渠均匀流管道均匀流12 包括：渐变流、急变流。流线不是相互平行直线的流动。非均匀流13 渐变流流线间夹角很小流线弯曲不大流线间夹角很小或流线弯曲不大。3渐变流、急变流14 流线间夹角很大或者流线弯明显。急变流流线间夹角很大流线弯曲明显15 有压流4有压流、无压流无压流无自由表面的水流。具有自由表面的水流。又称为明渠水流。如，河道、未充满管道中的水流。如，自来水管道中的水流。16 三水流运动的基本概念过水断面1元流的横断面为微元面，该断面上的水力要素相同。如某一点的流速就是该面上的平均流速，对压强，也是这样。横截面积无穷小的水流。元流（或微小流束）17 由无穷多个元流构成。任何一个实际的水流均为总流。总流过水断面与元流或总流的流线正交的横断面。注：过水断面不一定为平面，可以是曲面。过水断面的面积用表示。18 单位时间内，通过某一过水断面的液体体积。给定过水断面的流速分布，则断面流量：流量2断面平均流速319 过水断面上，液流与固体边界接触的周线长。湿周4水力半径520 例1：圆形断面。水流充满整个管道。计算其湿周和水力半径。解：记住：21 例2：等腰梯形过水断面。计算其湿周和水力半径。解：1边坡系数22 在恒定总流中，任取一段元流。1恒定元流连续性方程第二节恒定总流连续性方程dtdAudtdAu2211rr=2211dAudAu=根据质量守恒定律，有即23 即2恒定总流连续性方程2211dAudAu=òò=222111AAdAudAu2211VAVA=21QQ=ò==AudAAAQV124 1225 123123有分支的连续性方程26 例3-1已知、、和。求和、。解：由连续性方程，得27 第三节恒定总流的能量方程水流和其他运动的物质一样，具有动能和势能。并且，动能和势能之间可以相互转化。研究水流能量转化规律，是解决水力学问题一个重要理论基础。28 一实际液体总流的能量方程流体内某一断面上，有许多液体质点，它们的流速不同，形成某种流速分布。流体内某一液体质点，流速为，则其具有的单位动能为29 该断面上的液体质点具有的总动能为30 该断面上，单位质量的液体具有的动能为动能修正系数断面上单位质量的液体具有的动能简称为单位动能31 若断面上各点的流速相同（均匀流），则，反之，。断面的流速分布越不均匀，则越大。关于动能修正系数可见，反映了断面流速分布的不均匀性。工程计算中，为简便，对渐变流，。32 流体内某一断面上，液体具有的单位势能为流体内某一断面上，液体具有的单位动能为流体内某一断面上，液体具有的单位机械能为33 单位重量的液体由断面1流至断面2，如果无能量损失（遵循能量守恒），应有考虑到因粘滞力导致能量损失，则12基准面34 ：单位重量的液体经断面1流至断面2的平均能量损失（简称水头损失）。恒定总流的能量方程（伯诺里方程）35 计算点到基准面的位置高度；计算点到测压管内的液面的高度；几何意义二能量方程的三大意义基准面管道计算点36 计算点处，测压管内的液面到基准面的高差；基准面管道计算点37 测压管中的液面与测速管中液面的高差；测压管被测点测速管38 位置水头压强水头流速水头测压管水头总水头水力学意义39 单位位能单位压能单位动能单位势能单位机械能物理意义40 沿流程，各点水头（测压管水头、总水头等）的连线。水头线水头线的绘制三包括测压管水头连线、总水头线、流速水头线、位置水头线等。41 基准面42 或沿流程，单位长度上水头（总水头、测压管水头）的下降值。注意：水力坡度总水头线的水力坡度水力坡度、测压管坡度四43 或注意：可以大于零或小于零。测压管水头线的水力坡度44 第四节总流能量方程的应用恒定流；重力液体；各计算断面应为均匀流或渐变流断面。能量方程的适用条件一质量力只有重力时，流体能量转化才符合能量守恒定律。只有均匀流或渐变流断面条件下，。此时，可用断面上任一点位能与压能之和等于断面平均的位能与压能之和。并且。45 动能修正系数一般取为1（均匀流与渐变流条件下）。能量方程的应用要点二选好基准面。压强可以是绝对压强或相对压强，但要统一。选定计算点。46 虹吸管的原理三虹吸管：利用虹吸现象输水的管道。21上水池下水池47 在大气压和管路中负压的共同作用下，上水池的水从低处流往高处；虹吸管是利用负压工作的：上水池下水池之后，在重力的作用下，流往下水池。48 负压使溶解于液体中的空气分离出来，负压越大，分离出的空气越多，它们在管顶处集结，挤压了有效的过水断面，严重时会造成断流。但负压过大会产生副作用：为保证虹吸管能正常工作，工程上一般限制管路中最大允许真空度为7～8m。49 例3-2：虹吸管。管径d=50mm，h1=1m，h2=3m。不考虑水头损失。求管道中流量Q以及2点处的压强。32h1h2150 解题思路：选定基准面。32h1h210选定计算点。列写断面1，3能量方程列写断面2，3能量方程51 例：虹吸管。管径d=0.6m，h1=2m，h2=3.6m。不考虑水头损失。求管道中流量Q以及1、2、3、4点处的位能、压能、动能、总能量。3412h1h252 解：选定过4点的水平面为基准面。列写过1、4两点断面能量方程：列写过1、2两点断面能量方程：3412h1h2，求得，求得53 列写过3、4两点断面能量方程：3412h1h2求得54 3412h1h23.63.63.63.6003.63.6003.6–5.65.63.6–3.63.6总能量1432动能压能位能断面mmmm55 例：输水管。d1=0.4m，d2=0.2m。P1=63.7kN/m2，P2=58.8kN/m2。V1=0.8m/s。确定管道中水流方向和两断面间水头损失。解：选定通过断面1的中心的水平面为基准面。假设水流方向从断面1到断面2。列写两断面能量方程：2100代入数据，经计算故水流方向与假设水流方向相反。56 第五节恒定总流的动量方程动量方程的理论基础是质点系的动量定律：一恒定总流的动量方程质点在某一方向的动量变化，等于作用在该质点上所有外力的冲量在同一方向上投影的代数和。即即57 =其中，则流段1-2动量的增量为流段初始位置在1-2。经过后，移至位置-1258 定义，则59 动量方程为矢量式，应用时，须写成其三个投影方向上的标量式：恒定总流的动量方程60 若计算断面满足均匀流或渐变流条件，则，工程计算中常取为1。关于动量修正系数61 1、流动为恒定流。应用注意事项二恒定总流动量方程的应用3、各计算断面为均匀流或渐变流断面。2、明确脱离体；4、边界壁对隔离体作用力的方向可以随意假定。62 5、选定投影轴方向。当流速、作用力的方向与投影轴方向一致的，其值为正，反之为负；7、边界壁对隔离体的内摩擦力可以忽略不计。6、动量的增量为输出的动量减去输入的动量；63 例3-4：溢流坝。上、下游水深、。计算水流对每米宽溢流坝的作用力。1264 解：选定投影轴方向：正方向。假设溢流坝对控制体作用力。选取控制体：断面1、2之间的水体。分析控制体在方向受到各种外力。1265 其中，，对控制体，沿方向列写动量方程：1266 选取基准面，列写断面1、2能量方程：12列写断面1、2连续性方程：67 68 例：竖直弯头。d1=0.3m，d2=0.2m。P1=68.6kN/m2，Q=0.3m3/s。弯管内水体积V=0.083m3。忽略水头损失和摩擦力。求水流对弯管总作用力。12600解：选定投影轴方向：、正方向。选定基准面：平面。假设弯管对控制体总作用力的两个分力为、。069 对控制体，列写沿方向动量方程：126000列写沿方向动量方程：上述两个方程中，有3个变量：、、，故还须补充一个能量方程：联立上述三个方程，即可求解。))((60cos12012VVQRPPxx--=-+r)0(60sin201-=--zzVQGPRr70 习题P383-1，3-2，3-4，3-5，3-63-10，3-11，3-12，3-1371 3-10已知、、、、、。判断水流方向。72 解：断面1具有的总能量为选定基准面。断面2具有的总能量为再比较与大小，判断水流方向。计算点均选在断面形心处。73 3-12已知、、、。计算渠道流量。1274 解：12列写断面1-2的能量方程选定基准面。计算点均选在断面与液面的交点处。其中，75 列写断面1-2的连续性方程12其中，76 ThankYou!77'