《水力学知识点总结讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水力学知识点总结讲解（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、水力学知识点总结讲解水力学学习指南央广播电视大学水利水电工程专业（专科）同学们，你们好！这学期我们学习的水力学是水利水电工程专业重 要的技术基础课程。通过本课程的学习，要求大家掌握水流运动的基本 概念、基本理论和分析方法,;能够分析水利工程一般的水流现象;学会 常见的工程水力计算。今天直播课堂的任务是给大家进行一个回顾性总结，使同学们在复 习水力学时，了解重点和难点，同时全面系统的复习总结课程内容，达到 考核要求。第一章绪论（一）液体的主要物理性质1. 惯性与重力特性:掌握水的密度P和容重Y;描述液体内部的粘滞力规律的是牛顿内摩擦定律： 下面我们介绍水力学的两个基本假设：水静力学包括静水压强和
2、静水总压力两部分内容。通过静水压强 和静水总压力的计算，我们可以求作用在建筑物上的静水荷载。（一）静水压强：主要掌握静水压强特性，等压面，水头的概念，以及静水压强的计算 和不同表示方法。（它是静水压强计算和测量的依据）p=p 0+Yh 或其：z 位置水头，p/Y 一压强水头（z+p/Y）测压管水头 请注意，水头表示单位重量液体含有 的能量。4.压强的三种表示方法:绝对压强p,相对压强p ,真空度p v , f它们之间的关系为：p=p-p ap v =|p|（当p 0时p v存在）f相对压强:p二Yh,可以是正值，也可以是负值。要求掌握绝对压 强、相对压强和真空度三者的概念和它们之间的转换关系。
3、1pa（工程大气压）=98000N/m 2=98KN/m 2下面我们讨论静水总压力的计算。计算静水总压力包括求力的大 小、方向和作用点，受压面可以分为平面和曲面两类。根据平面的形状: 对规则的矩形平面可采用图解法，任意形状的平面都可以用解析法进行 计算。（一）静水总压力的计算1）平面壁静水总压力（1）图解法:大小:P=Qb, Q一静水压强分布图面积方向：垂直并指向受压平面作用线：过压强分布图的形心，作用点位于对称轴上。c pz =+Ydy du ut =静水压强分布图是根据静水压强与水深成正比关系绘制的，只要用 比例线段分别画出平面上俩点的静水压强，把它们端点联系起来，就是 静水压强分布图。(
4、2) 解析法:大小:P=p c A, p c 一形心处压强方向：垂直并指向受压平面作用点D :通常作用点位于对称轴上，在平面的几何心之下。求作用在曲面上的静水总压力P，是分别求它们的水平分力P x 和铅垂分力P z ,然后再合成总压力P。(3) 曲面壁静水总压力1) 水平分力：P x =p c A x =Yh c A x水平分力就是曲面在铅垂面上投影平面的静水总压力，它等于该投 影平面形心点的压强乘以投影面面积。要求能够绘制水平分力P x的 压强分布图，即曲面在铅垂面上投影平面的静水压强分布图。2铅垂分力：P z二YV,V-压力体体积。在求铅垂分力P z时,要绘制压力体剖面图。压力体是由自由液
5、面 或其延长面，受压曲面以及过曲面边缘的铅垂平面这三部分围成的体积。当压力体与受压面在曲面的同侧，那么铅垂分力的方向向下；当压 力体与受压面在曲面的两侧，则铅垂分力的方向向上。3合力方向：a=arctg下面我们举例来说明作用在曲面上的压力体和静水总压力。例5图示容器左侧由宽度为b的直立平面AB和半径为R的1/4 圆弧曲面BC组成。容器内装满水,试绘出AB的压强分布图和BC曲面上的压力体剖面图及水平 分力的压强分布图，并判别铅垂作用力的方向，铅垂作用力大小如何计 算？(2)对曲面BC ,水平分力的压强分布如图所示，水平分力 P X =1/2yH+y(H+R )Rb :压力体是由受压曲面、过受压曲
6、面周界作的铅垂面、向上或向下 与自由表面或它的延长面相交围成的体积。因此，以1/4圆弧面BC为 底(闪动 曲面)，以曲面两端点向上作铅垂线，与水面线相交，围成压力 体。由于与水接触的受压面与压力体在曲面BC的同一侧，因此铅垂作 用力的方向是向下的。铅垂方向作用力的大小：F z = yV=y(H+R)R -1/4nR 2 b第三章液体运动基本概念和基本方程这一章主要掌握液体运动的基本概念和基本方程，并且应用这些基 本方程解决实际工程问题。下面我们首先介绍有关液体运动的基本概 念：（一）液体运动的基本概念1. 流线的特点：反映液体运动趋势的图线。流线的性质:流线不能相交;流线不能转折。2. 流动的
7、分类非恒定流均匀流:过水断面上恒定流非均匀流渐变流急变流在均匀流和渐变流过水断面上，压强分布满足：x z P P液流cp z =+Y另外断面平均流速和流量的概念要搞清。（二）液体运动基本方程1. 恒定总流连续方程v 1A 1= v 2A 2,Q=vA 利用连续方程，已知流量可以求断面平均流速，或者通过两 断面间的几何关系求断面平均流速。2. 恒 定 总 流 能 量 方 程J二一水力坡度，表示单位长度流程上的水头损失。能量方程是应用最广泛的方程,能量方程的最后一项h w是单位重 量液体从1断面流到2断面的平均水头损失，在第四章专门讨论它的变 化规律和计算方法，(1) 能量方程应用条件：恒定流，只
8、有重力作用，不可压缩渐变流断面，无流量和能量的出入(2) 能量方程应用注意事项：三选:选择统一基准面便于计算选典型点计算测压管水头:选计算断面使未知量尽可能少(压强计算采用统一标准)(3) 能量方程的应用：它经常与连续方程联解求：断面平均流速，管道压强，作用水头 等。文丘里流量计是利用能量方程确定管道流量的仪器。毕托管则是利用能量方程确定明渠(水槽)流速的仪器。当我们需要求解水流与固体边界之间的作用力时，必须要用到动量 方程。3. 恒 定 总 流 动 量 方 程SF x 二pQ (B2 v 2x B1 v 1x )投影形式EF y =pQ (B2 v 2y -B1 v 1y )SF z 二pQ
9、 （B2 v 2z -B1 v 1z ）B一动量修正系数，一般取B=1.0式：SF x、SF y、SF z是作用在控制体上所有外力沿各坐标 轴分量的合力,V 1i ,V 2i是进口和出口断面上平均流速在各坐标轴 上投影的分量。动量方程的应用条件与能量方程相似，恒定流和计算断 面应位于渐变流段。应用动量方程特别要注意下面几个问题：（2）动量方程应用注意事项：a）动量方程是矢量方程，要建立坐标系。（所建坐标系应使投影分 量越多等于0为好,这样可以简化计算过程。）b）流速和力矢量的投影带正负号。（当投影分量与坐标方向一致为 正，反之为负）c）流出动量减去流入动量。2112A A v v =w h g
10、 v p z g v p z +=+222222221111ayay（）uBuBp122-二SQ F Ypz +d）正确分析作用在水体上的力，一般有重力、压力和边界作用力（作用在水体上的力通常有重力、 压力和边界作用力）e）未知力的方向可以任意假设。（计算结果为正表示假设正确，否则假设方向与实际相反）通常动量方程需要与能量方程和连续方程联合求解。下面我们举例说明液体动量方程的应用：例3水平床面河道上设一弧形闸门，闸前渐变流断面1的水深为H ,闸下收缩断面2的水深h c ,闸门段水头损失为1断面流速水头的 1.2倍，求水流对弧形闸门的作用力F ?解：根据题意，求水流对边界的作用力，显然要应用动量
11、方程求解， 由于流速流量未知，首先要利用连续方程和能量方程把动量方程的所需 的流速v、流量Q计算出来。）解：（1）连续方程（2）能量方程求p 2 （建立11，22断面的能量方程）取河床水平面为基准面，代表点选在水面，则p 1=p 2=0,水头损失 h w =1.2v 21/2g.取 a1=a2=1.0Q=v 1A 1=V 1XBXH（3）用动量方程求水流对弧形闸门的作用力（取包括闸门段水体进行示力分析，建立图示坐标，因水体仅在X方 向有当动量变化，故设闸门对水体的反作用力为水平力R x，方向如图 所示，作用在水体上的重力沿x方向为零）x方向的动量方程：P 1- P 2- R x = pQ （v
12、 2-v 1） R x = P 1 - P 2 -pQ （v 2-v 1）对于所取的两渐变流断面:P 1=1/2yH 2B ； P 2=1/2vh c 2B水流对弧形闸门的作用力F与R x大小相等，方向相反，作用在水 体上）下面我们简单介绍液体运动三元流分析的基础。（三）三元流分析的基础*（不做考试要求）液体微团运动的基本形式：平移、线变形、角变形、旋转2. 有旋流动与无旋流动的区别。当3x =3y =3Z =0,为无旋流动或称有势流动。3, 平面势流的特点满足无旋条件：二0一存在势函数e 1125）（v hH v v ch g v p z g v p z +=+22222222111laya
13、y)v g v h g v H - =+=+)(21y x u x y u z d d -d d = 3满足连续方程：0 第四章流态与水头损失在讨论恒定总流能量方程时我们曾经介绍过，水头损失h w是非常 复杂的一项内容，我们将就讨论水头损失以及与水头损失有关的液体的 流态。(一)水头损失的计算方法1. 总水头损失： h w = Sh f + Sh j (1)沿程水头损失: 达西公式圆管入一沿程水头损失系数R 一水力半径圆管(2)局部水头损失5 一局部水头损失系数从沿程水头损失的达西公式可以知道，要计算沿程水头损失，关键 在于确定沿程水头损失系数入。而入值的确定与水流的流态和边界的 粗糙程度密切
14、相关。下面我们就首先讨论液体的流态。(二)液体的两种流态和判别(1) 液体的两种流态：雷诺实验层流一液体质点互相不混掺的层状流动。h f V 1.0紊流一存在涡体质点互相混掺的流动。h f V 1.75-2当流速比较小的时候，各流层的液体质点互相不混掺，定义为层 流。当流速比较大的时候，各流层内存在涡体，并且流层间的质点互相 混掺，定义为紊流。那么液体的流态怎样进行判别呢？(2) .流态的判别：雷诺数Re , k =2000流态的判别的概化条件:Re Re k 紊流判别水流流态的雷诺数是重要的无量纲数，它的物理意义表示惯性 力与粘滞力的比值。3. 圆管层流流动(1) 断面流速分布特点：抛物型分
15、布，不均匀：(2)沿程阻力系数:=d d yy u+d d x x u gR l h f 242u入二vR e R u=v d u=Re v u 2max=Re 64二入 xA R =gd l h f 22u 入二4d R =vR 4 二u层流流动的沿程水头损失系数入只是雷诺数的函数，而且与雷诺 数成反比。那么紊流入是怎么计算的呢？首先要了解一下紊流的特 性。4.紊流运动特性(1) 紊流的特征一液层间质点混掺，运动要素的脉动(2) 紊流内部存在附加切应力：(3 )紊流边界有三种状态：紊流：当Re较小 6 水力粗糙；当R e介于两者之间过渡区(4)紊流流速分布(紊流流速分布比层流流速分布更加均匀)对数流速分布n=1/7当 Re 105通过尼古拉兹实验
