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1、第 1 章概论内容提要本章主要介绍水力学的定义及研究内容。同时介绍了连续介质模型、波体的特征及主要物理力学性质和作用在波体上的力。1.1 液体的连续介质模型液体是由无数没有微观运动的质点组成的没有空隙存在的连续体,并且认为表征液体运动的各物理量在空间和时间上都是连续分布的。在连续介质模型中,质点是最小单元,具有“宏观小” 、 “微观大”的特性 。 1.2 液体的主要物理性质液体的主要物理性质有质量和重量、易流性、黏滞性、压缩性、表面张力等。液体单位体积内所具有的质量称为液体的密度,用 表示。一般情况下,可将密度视为常数，水银的密度 p=13600 kg/m3。2.黏滞性易流性: 液体受到切力后
2、发生连续变形的性质 。黏滞性：液体在流动状态之下抵抗剪切变形的性质。切力、黏性、变形率之间的关系可由牛顿内摩擦定律给出3压缩性液体受压后体积减小的性质称为液体的压缩性。用体积压缩系数来衡量压缩性大小，K 值越大，液体越难压缩。4表面张力表面张力是液体自由表面在分子作用半径一薄层内，由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力。通常用表面张力系数来度量，其单位为 N/m。1.3 作用于液体的力(1)无论是处于静止或运动状态都受到各种力的作用，这些力可以分为两类。表面力：作用在液体的表面或截面上且与作用面的面积成正比的力，如压力 P、切力 F。表面力又称为面积力。质量力：作用在脱离体内每个液体
3、质点上的力，其大小与液体的质量成正比。如重力、惯性力。对于均质液体，质量力与体积成正比，故又称为体积力。第 2 章水静力学内容提要水静力学研究液体平衡（包括静止和相对平衡）规律及其在工程实际中的应用。其主要任务是根据液体的平衡规律，计算静水中的点压强，确定受压面上静水压强的分布规律和求解作用于平面和曲面上的静水总压力等。2.1 静水压强及其特性在静止液体中，作用在单位面积上的静水压力定义为静水压强，用字母 p 表示。单位是 N/m2(或 Pa)，kN/m 2(或 kPa)。静水压强具有两个特性：(1)静水压强的方向垂直指向作用面；(2)静止液体中任一点处各个方向的静水压强的大小都相等，与该作用
4、面的方位无关。2.2 液体平衡微分方程1欧拉液体平衡微分方程在静止液体内部，若在某一方向上有质量力的存在，那一方向就一定存在压强的变化；反之亦然。2液体平衡微分方程的全微分形式dp=(f xdx+fydy+fzdz)该式表明：当液体所受的质量力已知时，可求出液体内的压强 p 的具体表达式。3等压面及其特性定义：在互相连通的同一种液体中，由压强相等的各点所组成的面称为等压面。等压面方程为 fxdx+fydy+fzdz=0等压面的特性：等压面上任意点处的质量力与等压面正交。2.3 重力作用下静水压强的分布规律1水静力学基本方程在重力作用下，对于不可压缩的均质液体，静止液体的基本方程为z+P/pg=
5、c 方程表明：当质量力仅为重力时，静止液体内部任意点的 z 和 P/pg 两项之和为常数。P=P0+pgh 该式表明：在静止液体内部，任意点的静水压强由表面压强加上该点所承受的单位面积的小液柱的重量组成。2绝对压强、相对压强，真空压强静水压强的两种表示：绝对压强、相对压强，绝对压强：以设想没有任何气体存在的绝对真空为计算零点所得到的压强称为绝对压强，以 Pabs表示。相对压强：以当地大气压强 Pa为计算零点所得到的压强称为相对压强，又称计示压强或表压强，以 pr表示。相对压强与绝对压强之间的关系为：Pr=Pabs-Pa真空压强：如果某点的绝对压强小于大气压强，其相对压强为负值，则认为该点出现了
6、真空。某点的真空压强以 Pv 表示：Pv=Pa-P真空的大小除了以真空压强 Pa表示外，还可以用真空高度 hv表示。定义为：hv= Pv/pg2.4 重力和惯性力同时作用下的液体平衡 研究相对平衡液体主要解决两个问题，一是等压面的形状，特别是自由液面的形状；二是液体中各点压强的计算。2.5 作用于平面上的静水总压力1解析法静水总压力的大小：任意形状平面上的静水总压力 P 等于该平面形心点的压强 Pc 与平面面积 A 的乘积。静水总压力的方向：静水总压力 P 的方向垂直指向受压面。静水总压力的作用点：y c2矩形平面静水压力压力图法实际工程中常见的受压面大多是矩形平面，对上、下边与水面平行的矩形
7、平面采用压力图法求解静水总压力及其作用点的位置较为方便。上式表明：矩形平面上的静水压力等于该矩形平面上压强分布图的面积乘以宽度所构成的压强分布体的体积。这一结论适用于矩形平面与水面倾斜成任意角度的情况。矩形平面上静水总压力 P 的作用线通过压强分布体的重心（也就是矩形半宽处的压强分布图的形心） ，垂直指向作用面，作用线与矩形平面的交点就是压心 D。对于压强分布图为三角形的情况，其压力中心位于水面下 2h/3 处。2.6 作用于曲面上的静水总压力1静水总压力的大小曲面静水总压力水平分力：故静水总压力的水平分力的大小、方向和作用点均可用前述的解析法或压力图法求解。曲面静水总压力铅垂分力：用压力体来
8、求压力体是由以下各面组成：(1)曲面本身；(2)通过曲面周界的铅垂面 5 (3)自由液面或其延续面。可用如下法则判别 Pz的方向：(1)如压力体和对曲面施压的液体在该曲面的两侧，则 Pz方向向上；(2)如压力体和对曲面施压的液体在该曲面的同侧，则 Pz方向向下。求得 Px 和 Pz 后，根据合成定理，作用于曲面上的静水总压力为分压力的平方和。2静水总压力的方向静水总压力 P 与水平面之间的夹角口为：Tan=P z/Px求得 角后，便可定出 P 的作用线方向。3静水总压力的作用点将 Pr 和 P：的作用线延长，交于一点，过该点作与水平面交角为口的直线，它与曲面的交点 D 就是静水总压力的作周点。
9、对于圆柱面，则不必求出该点，可直接通过圆心作与水平面交角为 的直线，它与曲面的交点就是静水总压力的作用点。第 3 章液体一元恒定总流基本原理内容提要本章首先介绍描述液体运动的两种方法和液体运动的基本概念，再从运动学和动力学角度出发，建立液体运动所遵循的普遍规律。即从质量守恒定律建立水流的连续方程，从能量守恒定律建立水流的能量方程，从动量定理建立动量方程，并利用三大方程解决工程实际问题。3.1 描述液体运动的两种方法1拉格朗日法此法引用固体力学方法，把液体看成是一种质点系，并把流场中的液体运动看成是由无数液体质点的迹线构成。每一质点运动都有其运动迹线，由此可进一步获得液体质点流速加速度等运动要素
10、的数学表达式。综合每一质点的运动状况，即可获得整个液体的流动状况，即先从单个质点入手，再建立流场中液流流速及加速度的数学表达式。对时间求一阶和二阶偏导数，在求导过程中 a，b，c 视为常数，便得到该质点的速度和加速度在 x，y，z 轴方向的分量2欧拉法欧拉法以液体运动所经过的空间点作为观察对象，观察同一时刻各固定空间点上液体质点的运动，综合不同时刻所有空间点的情况，得到整个流体的运动，故欧拉法亦称为流场法。欧拉法可把运动要素视做空间坐标(x，y，z)与时间坐标 t 的连续函数。自变量z、y、z、t 亦称为欧拉变数。对 xyzt 求偏导，即可到加速度的表达式。3.2 液体运动的几个基本概念1恒定
11、流与非恒定流：用欧拉法表达液体运动时，可把液体运动分为恒定流与非恒定流两大类。液体流动时空间各点处的所有运动要素都不随时间而变化的流动称为恒定流。2一元流、二元流与三元流：液体的运动要素是三个坐标变量的函数，这种运动称为三元流3流线与迹线4流管5断面平均流速6均匀流和非均匀流：各质点的流速矢量沿程不变称为均匀流7渐变流与急变流：渐变流是流速沿流线变化缓慢的流动；此时流线近乎平行，且流线的曲率很小。渐变流的极限就是均匀流。急变流是流速沿流线急剧变化的流动；此时流线的曲率较大或流线间的夹角较大，或两者皆有之。8系统和控制体所谓系统是指由确定的连续分布的众多液体质点所组成的液体团（即质点系） 。所谓
12、控制体是指相对于某个坐标系来说，有液体流过的固定不变的任何体积。3.3 恒定流动的连续方程3.4 恒定流的能量方程水力坡度：单位长度流程上的水头损失定义为水力坡度，用 J 表示。测管坡度：单位长度流程上测管水头值称为测压管坡度，用 Jp表示。式中的负号，是因为当测压管水头沿程减小时，为使 J，J p为正值，故取负号。能量方程的应用条件是：(1)液体是不可压缩的，流动是恒定的。(2)质量力只有重力。(3)所取过水断面必须取在均匀流或渐变流断面上，但两断面之间可以是急变流。(4)两个过水断面之间没有外界的能量从控制体内加入或支出。如果有外界能量加入（如水泵）或从内部支出能量（如水轮机） ，则恒定总
13、流能量方程应改写。3.5 恒定总流动量方程动量方程的应用条件：液流必须是恒定流；液体是不可压缩的；所取的控制体中，有动量流进和流出的控制面，必须是均匀流或渐变流过水断面，但期间可以是急变流。用动量方程解题时，应注意以下几点：(1)在选取控制体时，应适当选取控制面的位置，以满足是均匀流或淅变流断面的条件；(2)分析作用在控制面上和控制体中的所有作用力；(3)选取直角坐标系（注意其方向，以简化计算） ，分别写出分量形式的方程，注意式中力和动量投影的正负号。3.6 空化与空蚀的概念空化：在常温下，当局部压强降低到一定程度时，水质点将汽化形成微小气泡存在于水流中，将此现象称为空化（亦称为空穴或气穴）
14、。第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失内容提要 本章重点讨论有关水头损失的分类、水头损失的有关规律和水头损失的计算，介绍层流和紊流的有关概念。4.1 水头损失的分类水头损失分为沿程水头损失 hf，和局部水头损失 hj两大类。4.2 液体运动的两种流态层流和紊流液体质点以平行而不相混杂的方式流动，这种流动称为层流。液体质点的轨迹极为紊乱，水质点相互混杂和碰撞，这种流动称为紊流，又称湍流。1沿程损失 hf，和平均流速 v 的关系对于圆管中的液体流动，h f与 vm的关系如下。层流：h fV 1，说明 hf与 v 的 1 次方成比例。紊流：h fv 1.75-2.0，说明 hf与 v 的 1.752
15、.0 次方成比例。2流态的判别雷诺(Reynolds)数下临界雷诺数可以表示为 Rec。经过在圆管中的反复试验，下临界雷诺数 Rec比较固定，其值约为 Rec=2300。这样，可以用水流的雷诺数与临界雷诺数的大小关系进行比较判别流态。当水流雷诺数小于临界雷诺数时，为层流；反之为紊流。雷诺数的物理意义可理解为水流的惯性力和黏滞力之比。对于小雷诺数，意味着黏滞力的作用大，黏滞力对液流质点运动起抑制作用，当雷诺数小到一定程度，呈层流状态；反之，呈紊流状态。非圆管中流动的液流也有层流和紊流，也有相应的雷诺数和临界雷诺数。如明渠水流的雷诺数，其特征长度可用水力半径 R 来表征。水力半径定义为过水断面面积
16、 A 与湿周 的比值。4.3 均匀流基本方程对圆管中的均匀流，不同半径处的平均切应力可用下式表示，称为均匀流基本方程：=gRJ均匀流基本方程对管流和明渠水流均适用，对层流和紊流也均适用。切应力沿径向 r 呈线性分布，这一分布规律对层流和紊流都适用。4.4 层流运动1圆管均匀层流(1)流速分布圆管层流的流速分布是以管轴为中心的旋转抛物面，称为抛物线形的流速分布。(2)流量 Q(3)断面平均流速 v(4)沿程损失 hf 及沿程水头损失系数(5)动能校正系数和动量校正系数可见层流的动能校正系数和动量校正系数都比 1 大得多，表明层流流速在断面上的分布很不均匀。2二元明渠均匀层流(1)流速分布(2)流量和断面平均流速(3)沿程损失 hf及沿程水头损失系数4.5 沿程水头损失的一般公式从分析层流运动导出计算 hf 的一般公式为 2flvhd
