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1、第六章 水力水文学认知,水力学是研究液体的运动规律，以及如何运用这些规律来解决工程实际问题的科学。,主要是研究液体在各种情况下的平衡运动规律，为研究的方便起见，该内容又分为流体静力学和流体动力学。,定义：静止的水对单位受压面施加的压力。,受压面上的平均静水压强,静止的水对受压面施加的压力,受压面的面积,当 取无限小时，可认为是点压强。,2.1 水流分类,静水压强的特性：,（1）垂直性 静水压强的方向与受压面垂直，指 向作用面。,某一点静水压强的大小与作用面的方位无关。,（2）等值性 静止液体内部任意一点各方向的静水压强的数值均相等。,静水压强的方向与作用面的内法线方向重合。,重力作用下的M点的
2、静水压强,某点M的静水压强,水表面的压强，若水面与大气相连通则取 98 KPa,水的重度，及水单位体积的重力，通常取 9.8 KN/m3,点M到液面的铅垂距离,上式说明：,2、在静止的液体中，压强随深度线性规律变化,1、静止液体中任一点的压强 等于表面压强与从该点到液体自由表面的单位面积上的液柱重量之和,应用上式，便可以求出静止液体中任一点的静水压强, 绝对压强：以“真空状态”为零（基准）起算的。用P表示。, 相对压强：在实际工作中，一般建筑物表面均作用着大气压强Pa，这种以当地大气压强为零(基准）起算的压强为相对压强。用P表示。,绝对压强永远为正值，最小值为零。,相对压强可正可负，如果液体有
3、自由表面，并且液面与大气相连，此时液面的相对压强为0Pa ，绝对压强为98 Kpa,怎样来描述整个液体的运动规律呢？,流场法：通常采用以不同液体质点通过固定的空间点的运动情况来了解整个流动空间内的流动情况，即着眼于研究各种运动要素的分布场。,例如：涵洞中的水流，最重要的是掌握水流经过涵洞不同位置时的流速、动水压强的大小，就可以满足工程设计的需要。,流线：某一瞬间的空间流场中，表示该瞬时各质点流动方向的曲线。流线是液体质点运动的趋势线，表示所有各质点在该瞬时的流速方向都和该流线相切。 流线不能相交，不能转折。,（1）恒定流与非恒定流,水流的运动要素：水力学中把表征液体运动状态的各种物理量（如流速
4、、流向、加速度、压强等）称为水流的运动要素。,恒定流：水流的运动要素不会随时间改变。如 平水期和枯水期 非恒定流：水流的运动要素随时间改变。如 洪水期,（2）均匀流与非均匀流,按水流的运动要素（主要是流速）是否随空间位置而变化，水流又可分为均匀流和非均匀流两类。,均匀流：位于同一流线上各质点的流速大小和方向均相同的液流。如 断面形状与大小沿程不变的渠道,非均匀流：如 液流在断面形状或大小变化的渠道中流动,非均匀流：分为渐变流和急变流两种。如果总流的流线接近彼此平行，称为渐变流；否则称为急变流。,渐变流与急变流,（3）有压流与无压流,有压流：受外界压力作用而流动的液体 。如 自来水管、水电站的压
5、力管中的水流,无压流：在自身的重力作用下流动的液流，又称自由流或明渠流。如 渠道、河流以及未充满管道排水管中水流,2.2 水力要素,（1）过水断面：与总流的流线垂直正交的横断面。用A表示,单位：m2。,非均匀流中，过水断面是曲面； 均匀流中，过水断面是平面。,过水断面A,（2）流量：单位时间内通过某一过水断面的液体体积。 用Q表示。单位：（m3/s）、（l/s）,（3）断面平均流速：某一时刻通过某一断面的液体质点 的平均速度。以 表示，单位:m/s 。,流量、过水断面面积与断面平均流速之间的关系为：,（4）湿周：液流过水断面和固体边界接触的周界线长 用 表示。单位：m,（5）水力半径：过水断面
6、面积与湿周之比称为水力半 径，以 表示，单位：m。,水力半径、过水断面面积及湿周一般通称为水力三要素，这三者的关系为：,恒定流的连续性方程是质量守恒定律的一种特殊形式。,根据质量守恒定律，在连续不可压缩液体恒定总流中，任意两个过水断面所通过的流量相等。,根据能量守恒定律，恒定总流的能量方程既是描述液体运动时各种机械能之间及机械能与其他形式的能量之间相互转换的关系：,反映了恒定流中沿流各点的位置高度z、压强p和流速 v之间的变化规律。,z为单位重量液体的位能（水头）。,v2/2g为单位重量液体所具有的平均动能。,p/为单位重量液体的压能（压强水头或单位压能）,z+p/ 为单位重量液体所具有的平均
7、势能。,E 为单位重量液体所具有的总能量，即总机械能，称为总比能或总水头,hw 为单位质量液体从过水断面1流至断面2所散失的平均机械能，称单位能量损失，或称水头损失。,1.水流必须是恒定流；,2.作用于流体上的力只有重力；,恒定总流的能量方程的应用条件,4.两过水断面之间流量保持不变，期间没有流量加入与分出。,3.两过水断面之间水流符合渐变流条件；,天然河道、人工渠道、未充满管道统称为明渠。明渠中流动的液体称为明渠流。,当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。,相对压强为“0”,明渠均匀流：指明渠中水深、断面平均流速、断面流速分布等沿流
8、程不变。,（1）明渠的底坡,明渠底坡：指沿水流方向单位长度内的渠底高程降落值，以符号i表示。,i等于渠底线与水平线夹角的正切，即i=tan。,i 0 底坡沿程降低者顺坡、正坡,i = 0 底坡沿程不变者平坡,i 0 底坡沿程增高者逆坡、负坡,坡底类型,（2）明渠均匀流产生的条件, 明渠中的水流必须是恒定流； 流量沿程不变。即，无水流的汇入、汇出； 底坡和糙率沿程不变的长而直的棱柱形正坡渠道； 渠道中没有建筑物的局部干扰（如，闸、坝等建筑物）。,（3）明渠均匀流的计算公式,在实际工程中，在明渠中大量存在的是非均匀流。但对于顺直的正坡明渠，只要有足够的长度，总要形成均匀流的趋势（离开渠道进口、出口
9、或建筑物一定距离的渠段）。 天然河道一般为非均匀流，个别较顺直整齐、糙率基本一致的断面，河床稳定的河段，也可视为均匀流段。,（4）允许流速,允许流速：是为了保持渠道安全稳定运行在流速上的限制。, 渠道中的流速应小于不冲允许流速V，以保证渠道免遭冲刷。 V与渠道建筑材料的物理特性(如上渠中土壤的种类、护面情况）和渠道水深有关。, 渠道中的流速应大于不淤流速V，以保证水流中悬浮的泥沙不淤积在渠槽中。 V与水流条件及挟沙特性等多方面的因素有关。,2.3 正常水深与临界水深,1、正常水深：明渠中流动的水流恰好为均匀流时的水深为正常水深，通常用 表示,正常水深与水的流量、过水断面形状尺寸、糙率、底坡有关。,2、断面比能与临界水深,以O-O为基准面，总能量为：,基准面选在O-O，即该过水断面最低点处：,即为以明渠渠底最低点所在的水平面作为计算基准面，计算得到的单位能量，称为断面比能。,当流量、断面形状、尺寸给定以后，可看出 仅是 的函数，从图中我们知道存在断面比能最小值，此时对应的水深为临界水深，以 表示。,与断面的形状尺寸及流量有关，而与渠道的底坡、糙率无关。,Thank you!,
