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1、第 1 章 绪论1 水力学的研究对象以水为代表的液体的平衡和机械运动的规律及其在工程中的应用。包括：水静力学 水动力学2 液体流动的基本特征（自己整理）物质的三态（固体、液体、气体）3 连续介质假定假定液体质点之间没有空隙，液体质点连续充满所占的空间，其物理性质和运动要素都是连续分布的。水力学中认为液体是易流动、不可压缩、均匀等向的连续介质。4 国际单位制（SI）和工程单位制1.量纲和单位量纲：表示物理量性质的属性。如：长度L，时间 T，质量M，力F分为基本量纲和诱导量纲两种单位：量度各种物理量数值大小的标准。如：长度可用 mm, m, km 等表示。任何一个物理量的量纲可用三个基本量纲的指数
2、乘积来表示：x= L T M 5 国际单位制和工程单位制的差别和换算关系差别：所选的基本量纲不同，从而诱导量纲不同 国际单位制度（SI）: 基本量纲选 L、T、M 诱导量纲：如果长度、时间、质量的单位采用：m 、 s、 kg, 则：力的单位：kg m/s 2 工程单位制：基本量纲选L、T、F 诱导量纲：如果长度、时间、力的单位采用：m 、 s、 kgf, 则：质量的单位：kgf s2/m6 液体的主要物理性质1.惯性、质量和密度设液体质量为 m,加速度为 a，则惯性力为F= - ma液体单位体积内所具有的质量称为密度，用 表示。均质液体： =m/v非均质液体：2.万有引力、重量、容重物体之间相
3、互具有的吸引力称为万有引力。地球对物体的引力称为重力（或重量 G） G= mg液体单位体积内所具有的重量称为容重，用 表示。均质液体： =G/v非均质液体：3.粘滞性和粘滞系数在运动状态时，液体质点之间或流层之间就存在相对运动，此时，液体质点之间或流vm0livG0lim层之间会抗拒相对运动而产生质点之间的内摩擦力，内摩擦力做功而消耗有效机械能。液体的这种特性称为粘滞性。表征液体粘滞性质的系数称为粘滞系数。包括动力粘滞系数（ ）和运动粘滞系数（ ） 。7 牛顿内摩擦定律：液体沿某一固体表面作平行直线运动，在有相对运动的相邻两层液体的交界面上，将产生内摩擦力，内摩擦力与液体性质有关，并与流速剃度
4、和液体接触的面积 A成正比，与接触面的正压力无关。主学表达式为： ： 动力粘滞系数, 单位：N s/m 2是流速梯度 （ grade u）设 代表单位面积上的内摩擦力（粘滞切应力） ，则：指液体质点的剪切变形速度。液体粘滞性的大小可用：动力粘滞系数（ ）和运动粘滞系数（ ）表示。 的单位：N s/m2，含力（ N ）的因素，属动力学的量，因此称动力粘滞系数。它随温度变化而变化：（Poiseuille 经验公式） 的单位 m2/s, 只有长度、时间量纲，属运动学的量，因此称为运动粘滞系数。8 牛顿流体和非牛顿流体符合牛顿内摩擦力定律 的液体称为牛顿流体。不符合牛顿内摩擦力理论的液体称为非牛顿流体
5、。非牛顿流体的切应力为：9 压缩性和压缩系数液体受压后体积缩小，其内部将产生一种企图恢复原状的内力（弹性力）与所受压力维持平衡。压力撤除后，液体可立即恢复原状，这种性质称为液体的压缩性或弹性。体积压缩系数（k）体积弹性系数（K）:两者互为倒数10 理想液体和作用于液体上的力1 理想液体的概念dpVk1/KdyuAFdyu dyuAFdyuayk)(0201.37.18tt 理想液体是指液体是不可压缩的、没有粘滞性、没有表面张力、均质、各向同性的连续介质。2 作用于液体上的力 按作用点的不同分为：表面力和质量力1.表面力作用于液体的表面，并与受作用的表面面积成正比的力。平均压强 p： 单位面积上
6、的平均压应力单位面积上的平均切应力：点的压应力（点压强）： 点的切应力：2.质量力作用于液体的每一个质点，并与受作用的液体质量成比例的力，如重力、惯性力等。第二章 水静力学静水压强的概念：在静水中有一作用面，面积为A ，其上作用压力为P，当面积缩小为一点时，平均压强P/A 的极限值。特性一静水压强的方向和作用面的内法线方向一致。特性二作用于同一点上各方向的静水压强大小相等等压面定义：同种类、连通的液体中，由压强相等的各点所组成的面叫等压面。静水压强公式物理意义：在质量力仅限于重力的静止液体中，任一点的静水压强 p 都等于自由表面压强 p0与从该点到液体自由表面单位面积上的液柱重量 rh 之和。
7、静水压强的表示方法：(1)以应力表示：单位用单位面积上的作用力来表示，如 N/m2, kN/m2,Pa,kPa。（2）以液柱高度表示 单位：任何一点的静水压强可以换算为任何一种容重的液柱高度表示。（3）以大气压强的倍数表示 单位：如果某点压强为 147 kN/m2 ,可表示为 1.5 pat水头：如果将重量为 G 的物体从基准面移到高度 z 的位置，所做的功是 G z，使 G 重量的物体获得了位能 G z。对单位重量的物体，其位能是 G z G。因此， z 表示单位重量液体从某一基准面算起所具有的位置势能，简称位能。 水力学中习惯用“水头”代替高度，所以 z 又称为位置水头或水头。（2）压强水
8、头和压能静止液体的各点都具有压强势能。APFpA0limAF0limAp0limrhp0 表示单位重量液体以相对压强计算时所具有的压强势能，简称压能，也称测压管高度。在水力学中称为压强水头或压头（3）测压管水头和势能单位重量液体的位能与单位重量液体的压能之和 z+p/r 称为测压管水头。表示单位重量液体的势能，简称单位势能。静止状态下作用在建筑物整个受压面上的水压力，称为静水总压力。1 绝对压强以设想的不存在任何气体的“完全真空”（或绝对真空）作为计算零点的压强称为绝对压强，以符号 pabs 表示。标准大气压 1 patm=101325N/m2 (绝对压强)工程大气压 1 pat=98000N
9、/m2 (绝对压强)2 相对压强以当地大气压强为计算零点的压强称为相对压强。又称计示压强或表压强。 用 pr 表示。相对压强与绝对压强的关系：pr= pabs- patpabs = pr + pat3 真空压强Pabs pat ,则 pr0,称正压。Pabs4000, lgRe3.6,液流进入紊流区，沿程阻力系数取决于层流底层厚度 与绝对粗糙度的相对关系。流动分为水力光滑区、第二过渡区和水力粗糙区。水力光滑区以直线 II 表示，是一条包络线。水力光滑区的沿程水头损失系数 只与水流的雷诺数 Re 有关，绝对粗糙度不起作用。普朗特-尼古拉兹公式：勃拉休斯公式： (适用于 Re1000） 。2、孔口
10、、管嘴恒定出流的基本公式（1）薄壁小孔口的自由出流流速系数 设孔口断面面积为 A，收缩断面面积为 AC , 为收缩系数为孔口流量系数薄壁孔口的收缩系数 流速系数流量系数（2）薄壁小孔口的淹没出流gHVQC2064.098.7026gvHc)1(2000HvC2gAVAQ 0021gHvcC1c C 收缩系数 一般取 0.62流速系数流量系数（3）圆柱形外管嘴的恒定出流管嘴局部损失系数，一般取 0.5管嘴流量系数，管嘴流量系数，由此可见，管嘴和孔口出流的基本公式形式完全相同，但管嘴的流量系数比孔口大。在相同作用水头下，同样断面面积的管嘴过流能力比孔口大，因此，工程上常用管嘴作泄流水管。3、有压管
11、道的恒定流（1）短管是指沿程水头损失和局部水头损失均不可忽略不计的管路，一般 l/dQl 或 Ql=0 时，沿程均匀泄流时，流速沿程变化，水力坡度 J 也沿程变化。第六章 明渠恒定流动明渠流动是指水流在人工修建或自然形成的沟槽或河渠中的流动，它具有与大气相接触的自由表面，由于自由表面上各点的相对压强为零，所以也称为无压流动。明渠水流根据其运动要素是否随时间变化分为明渠恒定流和明渠非恒定流。根据其运动要素是否随流程变化分为明渠均匀流和明渠非均匀流。明渠非均匀流中又分急变流和渐变流。由于工程中的明渠水流一般属于紊流，其流动结构接近或处于阻力平方区，所以一般按明渠紊流阻力平方区分析计算。ltrQ22
12、)(ltrQallHltlltt /)31(22ltQk3120132kd57.0312312limkk).,(1、明渠均匀流明渠均匀流是流线为平行直线的明渠流动。由于明渠具有自由表面，所以不存在非恒定明渠均匀流，明渠均匀流必定为恒定流。一、特性：（1）过水断面形状和大小沿程不变。（2）过水断面水深、流速分布沿程不变。（3）水力坡度、测压管水面坡度以及渠底坡度三者相等。二、明渠均匀流基本公式谢才公式：由于明渠均匀流中 J=i,则K 为流量模数， C 为谢才系数，对于重要的河道，可按下式反算出糙率：三、明渠均匀流水力计算为与非均匀流区别，通常称均匀流水深为正常水深，以 h0 表示。相应于正常水深
13、的过水断面、水力半径和谢才系数分别用 A0、R 0 和 C0 表示。实际工程中常见的明渠均匀流计算问题可用均匀流基本公式来解决。已知 b、h 0、m、i、n，求 Q。由均匀流计算基本公式：对于梯形断面代入流量公式可求出 Q。2、明渠恒定非均匀流明渠非均匀流的运动要素如断面水深、平均流速、压强等沿程变化，其特点是渠道底坡线、水面线、总水头线互不平行。在明渠非均匀流中，若流线接近互相平行的直线，或流线间夹角很小，流线的曲率半径很大，这种水流称为明渠非均匀渐变流，否则称为明渠非均匀急变流。一、明渠因有和大气相接触的自由表面，故与有压流不同，具有独特的水流流态，一般明渠水流有三种流态，即缓流、临界流和
14、急流。水流流态的判别： 当 vvw 时，水流为急流，干扰波不能向上传播，只能向下传播；RJviKRAvQA61n23iv),(fQ213000iRiCv 21300iRAnv)(hbA200mx 是一个无量纲数，在水力学上称为弗汝德数（Froude） ，用符号 Fr 表示。对临界流来说，弗汝德数（Fr）正好等于 1，因此可用它来判别明渠水流的流态：Fr1 时，水流为急流。断面比能：某断面单位质量液体对水平基准面 O-O 所具有的总机械能为如果把基准面选在渠底，则单位质量液体对新基准面 O-O所具有的总机械能为Es 称为断面比能或断面单位能量。临界底坡：如果变至某一底坡，其均匀流的正常水深 h0
15、 恰好与临界水深 hc 相等，此底坡定义 为临界底坡。水面曲线：明渠非均匀渐变流的自由水面纵剖面线称为水面曲线。壅水曲线：水深沿程增加时的水面线为壅水曲线。降水曲线：水深沿程减小时的水面线为降水曲线。水面曲线形状的定性分析：当渠道断面形状、尺寸和流量一定时，渠道中的临界水深 hc 就可确定；同时，可以按明渠均匀流计算公式，求出相应的均匀流水深 h0。为了便于区分水面曲线沿流程变化的情况，一般在水面曲线的分析图上画出两条平行于渠底的直线，其中一条是距渠底为 h0 的正常水深线，另一条是距渠底为 hc 的临界水深线.这样，根据渠道底坡线、临界水深线及正常水深线，把渠道水深变化范围划分成三个不同的区域，这三个区分别称为 1 区、2 区和 3区。其中，1 区指 N-N 和 C-C 线以上的区域，其
