水力学复习要点课件

水力学复习要点液体的主要物理性质液体的主要物理性质连续介质、密度、粘滞性连续介质、密度、粘滞性连续介质的假说连续介质的假说课课程程主主要要内内容容基本理论基本理论牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律水静力学水静力学水动力学水动力学液流型态与水头损失液流型态与水头损失应用部分应用部分有压管道中的恒定流有压管道中的恒定流明渠恒定流明渠恒定流堰流和闸孔出流堰流和闸孔出流2一、流体静力学 复习要点静水压强概念、特性、分布规律静水压强概念、特性、分布规律等压面的定义及特性等压面的定义及特性绝对压强、相对压强、真空度绝对压强、相对压强、真空度静水压强及静水总压力的计算静水压强及静水总压力的计算静水压强分布图的绘制静水压强分布图的绘制压力体图的绘制压力体图的绘制 31 1、静水压强特性、分布规律、静水压强特性、分布规律均匀流和非均匀渐变流过水断面动水压强分布规律 符合 静水压强分布规律方向垂直并且指向受压面方向垂直并且指向受压面各向等值性各向等值性42、等压面的定义及特性、等压面的定义及特性同一种静止相连通的流体的等压面必是水平面（只同一种静止相连通的流体的等压面必是水平面（只有重力作用下）自由表面、不同流体的交界面都是有重力作用下）自由表面、不同流体的交界面都是等压面。等压面。几何意义和能量意义几何意义和能量意义3、绝对压强、相对压强、液柱表示法、绝对压强、相对压强、液柱表示法、真空真空54、静水压强分布图的绘制中应注意的问题、静水压强分布图的绘制中应注意的问题1 1）绘制压强分布的理论依据是静水压强的两个）绘制压强分布的理论依据是静水压强的两个特性及静水压强计算的基本方程；特性及静水压强计算的基本方程；2 2）所绘的压强分布图应是）所绘的压强分布图应是 相对压强分布图。1 1）图解法仅适用于矩形受压面；）图解法仅适用于矩形受压面；2 2）图解法应先作出受压面上的压强分布图，而解）图解法应先作出受压面上的压强分布图，而解析法则不必作压强分布图。析法则不必作压强分布图。5、平面上静水总压力计算中应注意的问题、平面上静水总压力计算中应注意的问题6大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静6、曲面上静水总压力计算中应注意的问题、曲面上静水总压力计算中应注意的问题1）正确绘制Px 分布图。弄清投影面Ax的意义并找出相应曲面的Ax是至关重要的；2）正确绘制压力体剖面图。绘制压力体剖面图，实质上是按一定的方式和比例（同一点的Pz与h等长），绘制“垂直方向的压强分布图”。8例：试绘制图中例：试绘制图中abcabc曲面上的压力体。曲面上的压力体。解：因abc曲面左右两侧均有水的作用，故应分别考虑。d dd/2d/2c cb ba a水水水水9n n 考虑左侧水的作用考虑左侧水的作用ab段曲面(实压力体)bc段曲面(虚压力体)阴影部分相互抵消abc曲面(虚压力体)10n n考虑右侧水的作用考虑右侧水的作用考虑右侧水的作用考虑右侧水的作用bc段曲面(实压力体)c cb ba a11n n合成合成合成合成左侧水的作用右侧水的作用abc曲面(虚压力体)12复习题复习题水力学内容提要与习题详解n nP21P21：2.102.10n nP31P31：2.112.1113三、流体运动基本原理复习要点三、流体运动基本原理复习要点1 1、恒定流、非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变、恒定流、非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流流与急变流2 2、三大方程、三大方程方程及各项的物理意义方程及各项的物理意义方程的应用方程的应用三大方程揭示了液体一元流动的基本规律，是水力学中最基本、也是最重要的方程式。掌握三大方程的应用，是学好水力学的关键。14（1）连续方程）连续方程计算某一已知过水断面的面积和断面平均流速或计算某一已知过水断面的面积和断面平均流速或者已知流速求流量者已知流速求流量 15（2）能量方程）能量方程最重要最常用的基本方程：与连续方程联合求解可计最重要最常用的基本方程：与连续方程联合求解可计算断面上的平均流速或平均压强。与动量方程联解，算断面上的平均流速或平均压强。与动量方程联解，可以计算水流对边界的作用力。在确定建筑物荷载和可以计算水流对边界的作用力。在确定建筑物荷载和水力机械功能转换中十分有用。水力机械功能转换中十分有用。静止液体静止液体,即水静力学基本方程即水静力学基本方程16水力学的许多公式是应用能量方程推导出来的水力学的许多公式是应用能量方程推导出来的有压管流基本公式有压管流基本公式干扰波波速公式干扰波波速公式小孔口自由出流公式小孔口自由出流公式孔口淹没出流公式孔口淹没出流公式管嘴恒定出流公式管嘴恒定出流公式有压管流自由出流和淹没出流计算公式有压管流自由出流和淹没出流计算公式虹吸管和水泵装置的水力计算公式虹吸管和水泵装置的水力计算公式水跃的能量损失水跃的能量损失棱柱体明渠恒定渐变流微分方程棱柱体明渠恒定渐变流微分方程17（3）动量方程）动量方程求解水流与固体边界之间的相互作用力求解水流与固体边界之间的相互作用力 18（4）应用三大方程解题）应用三大方程解题对于具体的水力计算问题，正确地选用方程；需多方程对于具体的水力计算问题，正确地选用方程；需多方程对于具体的水力计算问题，正确地选用方程；需多方程对于具体的水力计算问题，正确地选用方程；需多方程联立求解的问题时，简捷、合理安排方程的应用次序。联立求解的问题时，简捷、合理安排方程的应用次序。联立求解的问题时，简捷、合理安排方程的应用次序。联立求解的问题时，简捷、合理安排方程的应用次序。力求做到以下四点：力求做到以下四点：力求做到以下四点：力求做到以下四点：熟悉各方程的应用条件。弄清各方程所反映的物理量与物理量之间及运动与边界之间的关系。解题前，必须先明确“求什么”，了解所求问题的性质，类型。对于各种不同类型的习题，勤作多练。1920应用能量方程时，应首先作好应用能量方程时，应首先作好“三选三选”（选断面、（选断面、选代表点、选基准面）；选代表点、选基准面）；应用动量方程时，应首先作好应用动量方程时，应首先作好“三步三步”（作脱离（作脱离体、作计算简图、取坐标系）。体、作计算简图、取坐标系）。正确、恰当地作好正确、恰当地作好“三选三选”与与“三步三步”，对于减，对于减少未知量，简化计算有着十分重要的意义，少未知量，简化计算有着十分重要的意义，关于关于“三选三选”与与“三步三步”中的有关问题中的有关问题2122“三步三步”简要归纳简要归纳 p 脱离体脱离体 1.1.脱离体是一由两渐变流断面脱离体是一由两渐变流断面“切出切出”，并，并“剥去剥去”了固定边界的水体；了固定边界的水体；2.2.脱离体的边界：脱离体的边界：脱离体两端的渐变流断面；脱离体两端的渐变流断面；固体或气体边界与液流的接触面固体或气体边界与液流的接触面 23 计算简图 1.1.计算简图是在脱离体上标出了全部作用力及流速方计算简图是在脱离体上标出了全部作用力及流速方向的示意图向的示意图2.2.作用于脱离体上的力包括作用于脱离体上的力包括 （1 1）表面力：两渐变流断面处相邻水体对脱离体的）表面力：两渐变流断面处相邻水体对脱离体的动水总压力。动水总压力。周界表面对脱离体的作用力（作用周界表面对脱离体的作用力（作用于脱离体周界表面上的动水总压力；脱离体侧表面于脱离体周界表面上的动水总压力；脱离体侧表面上的液流阻力）上的液流阻力）（2 2）质量力：脱离体内液体的重力）质量力：脱离体内液体的重力 3.3.待求未知力可先假定方向，若解出结果为正，则假待求未知力可先假定方向，若解出结果为正，则假定正确。否则，说明该力的方向与假定方向相反定正确。否则，说明该力的方向与假定方向相反 24 坐标系坐标系 1.1.坐标系一般为直角坐标系；坐标系一般为直角坐标系；2.2.坐标系的方位可以任意选取，原则上以使方程中坐标系的方位可以任意选取，原则上以使方程中未知项少为宜。应用中往往总是将一轴与某一向未知项少为宜。应用中往往总是将一轴与某一向量（力或流速）相平行；量（力或流速）相平行；3.3.坐标轴的正向可任意设定；坐标轴的正向可任意设定；4.4.坐标系应准确地标定在计算简图上（或附近）坐标系应准确地标定在计算简图上（或附近）25例例:水流通过如图水流通过如图3-223-22所示管路流入大气，已知：形测压管所示管路流入大气，已知：形测压管中水银柱高差中水银柱高差h=0.2mh=0.2m，h h1 1=0.72m H=0.72m H2 2O O，管径，管径d d1 1=0.1m=0.1m，管嘴，管嘴出口直径出口直径d d2 2=0.05m=0.05m，不计管中水头损失，试求管中流量，不计管中水头损失，试求管中流量q qv v。解：解：首先计算1-1断面管路中心的压强。列等压面方程得：则(mH2O)列1-1和2-2断面的能量方程26 由连续性方程：将已知数据代入上式，得 （m/s）管中流量 （m3/s）27例：一个水平放置的三通管，主管的直径例：一个水平放置的三通管，主管的直径D=120cmD=120cm，两支管的直径为两支管的直径为d=85cmd=85cm，分叉角，分叉角=45=45，主管过水断，主管过水断面面1-11-1处的动水压强水头处的动水压强水头p p1 1/=100m/=100m（水柱），通过的（水柱），通过的流量流量Q=3mQ=3m3 3/s/s，两支管各通过，两支管各通过1/21/2的流量。假设不计损的流量。假设不计损失，求水流对三通管的作用力。失，求水流对三通管的作用力。28解解：（1 1）运用能量方程计算断面）运用能量方程计算断面2 22 2和和3 33 3上的动水压强。上的动水压强。将上述各值和将上述各值和p p1 1/=100m/=100m（水柱）代入能量方程，可得：（水柱）代入能量方程，可得：p p2 2/=100m/=100m（水柱）（水柱）同理可得同理可得 p p3 3/=100m/=100m（水柱）（水柱）所以所以 p p2 2=p=p3 3=9.810=9.8105 5 N/m N/m2 2 29（2 2）再运用动量方程求解水流对三通管的作用力。）再运用动量方程求解水流对三通管的作用力。建立建立x x方向的动量方程：方向的动量方程：P P1 1-2P-2P2 2cos45-Rx=Qcos45-Rx=Q2 22v2v2 2cos45-Qcos45-Q1 1 v v1 1Rx Rx=P=P1 1-2P-2P2 2cos45+Qcos45+Q1 1（v v2 2cos45-vcos45-v1 1）根据三通管对称于x轴，可得，Ry=0所以水流对三通管的作用力为R=2.24105N，方向与R相反。30运动液体，由于粘性的作用和边界的影响必产生液运动液体，由于粘性的作用和边界的影响必产生液流阻力和能量损失，但流态不同（层流与紊流），流阻力和能量损失，但流态不同（层流与紊流），其液流的内部结构、流动阻力、断面流速分布以及其液流的内部结构、流动阻力、断面流速分布以及能量损失的规律等均截然不同。能量损失的规律等均截然不同。四、液流型态与水头损失复习要点四、液流型态与水头损失复习要点 1 1、层流与紊流的概念、判别、层流与紊流的概念、判别2 2、雷诺数的有关概念、物理意义、雷诺数的有关概念、物理意义3 3、均匀流沿程水头损失与切应力的关系、均匀流沿程水头损失与切应力的关系 4 4、沿程损失公式、谢才公式、沿程损失公式、谢才公式5 5、沿程阻力系数与局部阻力系数的确定、沿程阻力系数与局部阻力系数的确定31复习题复习题n nP49：3.7；3.8；3.9n nP53：3.13n nP87：4.1n nP89：4.632 1 1、有压管流的水力特征、有压管流的水力特征 2 2、自由出流与淹没出流、自由出流与淹没出流 3 3、简单管道和复杂管道的概念、简单管道和复杂管道的概念 4 4、长管和短管的区分及其计算、长管和短管的区分及其计算 5 5、虹吸管和水泵装置的计算、虹吸管和水泵装置的计算关于长管和短管的区分关于长管和短管的区分五、有压管中的恒定流五、有压管中的恒定流 33例：由高位水箱向低位水箱输水，如图所示。已知两水箱的水位差 ,输水管段的直径和长度分别为 ，沿程水头损失系数 ，阀门的局部水头损失系数为3.5，不计行近流速水头的影响。试求其输水流量并绘制其总水头线和测压管水头线。34解：两管连接处，管道突然扩大，其局部阻力系数为解：两管连接处，管道突然扩大，其局部阻力系数为由由 Q=vA得得以管轴中心线为基准面，选取渐变流断面以管轴中心线为基准面，选取渐变流断面1-11-1、2-22-2，列，列1-21-2断面能量方程：断面能量方程：将各参数值代入上述方程，得将各参数值代入上述方程，得35总水头线和测压管水头线如下图所示：总水头线和测压管水头线如下图所示：36复习题复习题n nP123：6.5？n nP127：6.1(a)37 1 1、明渠水流的特点、明渠水流的特点 2 2、明渠均匀流的特性、明渠均匀流的特性 3 3、明渠均匀流的产生条件、明渠均匀流的产生条件 4 4、水力最佳断面与允许流速的概念、水力最佳断面与允许流速的概念 5 5、明渠均匀流的基本公式及其水力计算、明渠均匀流的基本公式及其水力计算六、明渠恒定均匀流六、明渠恒定均匀流 381 1、明渠水流的三种流态及其判别、明渠水流的三种流态及其判别 2 2、微波波速、弗汝德数、断面比能、临界水深、微波波速、弗汝德数、断面比能、临界水深、临界底坡临界底坡3 3、棱柱体明渠非均匀渐变流水面曲线分析、棱柱体明渠非均匀渐变流水面曲线分析4 4、水跃和水跌概念、水跃和水跌概念5 5、水跃基本方程、水跃函数、共轭水深的计算、水跃基本方程、水跃函数、共轭水深的计算七、明渠恒定非均匀流七、明渠恒定非均匀流 39n n绘制变底坡明渠水面线的步骤：绘制变底坡明渠水面线的步骤：1 1 1 1）在底坡改变处画一条铅直线；）在底坡改变处画一条铅直线；）在底坡改变处画一条铅直线；）在底坡改变处画一条铅直线；2 2 2 2）分别画出铅直线上、下游渠道的）分别画出铅直线上、下游渠道的）分别画出铅直线上、下游渠道的）分别画出铅直线上、下游渠道的N-NN-NN-NN-N线和线和线和线和K-KK-KK-KK-K线线线线3 3 3 3）找出控制水深；）找出控制水深；）找出控制水深；）找出控制水深；4 4 4 4）定性判断水面线的趋势；）定性判断水面线的趋势；）定性判断水面线的趋势；）定性判断水面线的趋势；5 5 5 5）根据水面线唯一性原则，画出水面线，并标注名）根据水面线唯一性原则，画出水面线，并标注名）根据水面线唯一性原则，画出水面线，并标注名）根据水面线唯一性原则，画出水面线，并标注名称。称。称。称。40n 没有水跃的变坡渠道的水面联接没有水跃的变坡渠道的水面联接1 1 1 1）从缓流到急流）从缓流到急流）从缓流到急流）从缓流到急流2 2 2 2）从缓流到缓流）从缓流到缓流）从缓流到缓流）从缓流到缓流3 3 3 3）从急流到急流）从急流到急流）从急流到急流）从急流到急流41n 发生水跃的变坡渠道水面连接发生水跃的变坡渠道水面连接 当水流由急流变成缓流必发生水跃。设上游控制水当水流由急流变成缓流必发生水跃。设上游控制水当水流由急流变成缓流必发生水跃。设上游控制水当水流由急流变成缓流必发生水跃。设上游控制水深深深深 t t t t1 1 1 1(急流急流急流急流)，下游控制水深，下游控制水深，下游控制水深，下游控制水深 t t t t2 2 2 2(缓流缓流缓流缓流)。1 1 1 1）远驱式水跃）远驱式水跃）远驱式水跃）远驱式水跃(h h h ht t t t1 1 1 1)422)2)临界水跃临界水跃3)3)3)3)淹没水跃淹没水跃淹没水跃淹没水跃 43 关于液体运动的两种流态关于液体运动的两种流态 层流与紊流层流与紊流 如何判别？如何判别？雷诺数雷诺数Re 的物理意义的物理意义 关于明渠水流的两种流态关于明渠水流的两种流态 缓流与急流缓流与急流 如何判别？五种方法如何判别？五种方法 弗劳德数弗劳德数Fr 的物理意义的物理意义44l 关于水深关于水深 正常水深正常水深 临界水深临界水深l 关于底坡实际底坡实际底坡临界底坡临界底坡缓坡缓坡临界坡临界坡陡坡陡坡正坡正坡平坡平坡负坡负坡45l 关于水跃关于水跃跃前水深跃前水深跃后水深跃后水深流态的转换流态的转换l 总机械能总机械能E 与与 断面比能断面比能Es46复习题复习题n nP158：8.7n nP156：8.3n nP162：8.1；8.2；8.447l 关于作图1、静水压强分布图和压力体图、静水压强分布图和压力体图 -标出数值、方向、作用点标出数值、方向、作用点2、总水头线、测压管水头线图、总水头线、测压管水头线图 -定性升降定性升降3、水面曲线图、水面曲线图 -标出标出N-N线，线，K-K线，定性绘水面线，线，定性绘水面线，说明哪一区，哪一型说明哪一区，哪一型48关于基本公式、概念关于基本公式、概念牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律重力作用下静水压强基本公式重力作用下静水压强基本公式作用在平、曲面上的静水压力大小、方向、作用点作用在平、曲面上的静水压力大小、方向、作用点pp 三大方程三大方程-连续方程、能量方程、动量方程连续方程、能量方程、动量方程均匀流沿程水头损失公式均匀流沿程水头损失公式曼宁公式、谢才公式曼宁公式、谢才公式简单有压管道流的基本公式简单有压管道流的基本公式pp 均匀流产生的条件均匀流产生的条件pp 明渠横断面的水力要素明渠横断面的水力要素49