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水力学基础

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水力学基本概念

水力学基本概念

目录绪论：1第一章：水静力学1第二章：液体运动的流束理论3第三章：液流形态及水头损失3第四章：有压管中的恒定流5第五章：明渠恒定均匀流5第六章：明渠恒定非均匀流6第七章：水跃7第八章：堰流及闸空出流8第九章：泄水建筑物下游的水流衔接与消能9第十一章：明渠非恒定流10第十二章：液体运动的流场理论10第十三章：边界层理论11第十四章：恒定平面势流11第十五章：渗流12第十六章：河渠挟沙水流理论基础12第十七章：高速水流12绪论：1 水力学定义：水力学是研究液体处于平衡状态和机械运动状态下的力学规律，并探讨利用这些规律解决工程实际问题的一门学科。

b5E2RGbCAP2 理想液体：易流动的，绝对不可压缩，不能膨胀，没有粘滞性，也没有表面张力特性的连续介质。

3 粘滞性：当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动，则质点见要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性。

可视为液体抗剪切变形的特性。

<没有考虑粘滞性是理想液体和实际液体的最主要差别）p1EanqFDPw4 动力粘度：简称粘度，面积为1m2并相距1m的两层流体，以1m/s做相对运动所产生的内摩擦力。

5 连续介质：假设液体是一种连续充满其所占空间毫无空隙的连续体。

6 研究水力学的三种基本方法：理论分析，科学实验，数值计算。

第一章：水静力学要点：<1）静水压强、压强的量测及表示方法；<2）等压面的应用；<3）压力体及曲面上静水总压力的计算方法。

DXDiTa9E3d7 静水压强的两个特性：1）静水压强的方向与受压面垂直并指向受压面2）任一点静水压强的大小和受压面方向无关，或者说作用于同一点上各方向的静水压强大小相等。

RTCrpUDGiT8 等压面：1）在平衡液体中等压面即是等势面2）等压面与质量力正交3）等压面不能相交4）绝对静止等压面是水平面5）两种互不相混的静止液体的分界面必为等压面6）不同液体的交界面也是等压面5PCzVD7HxA9 静水压强的计算公式：p=p0+10 绕中心轴作等角速度旋转的液体：11 绝对压强：以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强，称为绝对压强。

水力学ppt课件

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目录•水力学基本概念与原理•流体静力学分析•流体动力学基础知识•管内流动与损失计算•明渠恒定均匀流与非均匀流分析•堰流、闸孔出流和泄水建筑物设计原理水力学基本概念与原理水力学定义及研究对象水力学的定义研究液体在静止和运动状态下的力学规律及其应用的科学。

研究对象液体（主要是水）的平衡、运动规律及其与固体边界的相互作用。

液体性质与分类液体的性质易流动性、压缩性、黏性、表面张力等。

液体的分类按密度可分为轻质液体和重质液体；按黏性可分为牛顿液体和非牛顿液体。

静压力与动压力概念静压力静止液体作用在与其接触的某个平面上法向的总压力。

动压力运动液体作用在与其接触的某个平面上法向的总压力。

连续性方程与伯努利方程连续性方程单位时间内流入、流出控制体的质量流量之差，等于控制体内质量的变化率。

伯努利方程理想液体在重力场作稳态流动时，具有压力能、位能和动能三种形式，它们之间可以相互转化，且总和保持不变。

流体静力学分析液体内部压强随深度的增加而增大。

在同一深度，液体向各个方向的压强相等。

液体的压强与液体的密度和深度有关，密度越大、深度越深，压强越大。

静止液体中压强分布规律液体相对平衡时表面形状确定方法0102 03当液体处于相对平衡状态时，其表面形状由液面所受外力和液体内部分子间相互作用力共同决定。

若液面所受外力为重力，则液面为水平面；若液面所受外力为其他力，则液面为与该力相平衡的曲面。

通过测量液体表面形状，可以推断出液体所受外力的性质和大小。

浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力，即F 浮=G排=m排g=ρ液gV排。

浮力的产生条件是物体必须浸没在液体中，且物体下表面必须与液体接触。

浮力是液体对浸在其中的物体向上和向下的压力差，方向竖直向上。

浮力产生条件及计算方法潜水艇、气球等浮沉原理分析潜水艇通过改变自身重力来实现浮沉。

当潜水艇需要下潜时，它会向水舱注水，使自身重力大于浮力而下潜；当需要上浮时，它会将水舱中的水排出，减小自身重力，使浮力大于重力而上浮。

第一章 水力学基础.

第一章 水力学基础.
p/γ—压强水头 （z+p/γ）—测压管水头 请注意，“水头”表示单位重量液体含有的能量。
把一个圆柱形容器里的垂直水柱作 为一个隔离体，来分析它受力的平衡条 件，如图l—2所示，在这垂直水柱上作 用着以下的力：
(1)水柱自由面上的气体压力,垂直向下。 (2)容器底对水柱底面的作用力，垂直 向上。
(3)水柱本身重量，垂直向下。
3. 水流运动的分类
(1)按水流运动要素(流速、压强)与时间有无变化 关系分为：
稳定流——在流场中任一点的流速和压强不随时 间变化，仅与空间位置有关，这种水流称为稳定流 ，如水箱中水位不变而向管道中供水的水流。
非稳定流——在流场中任一点的流速、压强不仅 与空间位置有关， 而且随时间而变化，这种水流称 为非稳定流。
运动度量和时间量）称为运动粘度。 流体的粘度主要与温度有关，而与压力的关系不大。
一般液体的随温度的升高而减少，而气体的则随温度的 升高而增大，两者变化趋势相反。
粘度为零的流体称为理想流体（实际并不存在）。 遵循牛顿内摩擦定律的流体（气体及绝大多数纯净液 体）称为牛顿流体。另外的称为非牛顿流体。
1.2 动 水 力 学
在给水排水工程中，所遇到的绝大部分问题是 涉及到水的运动问题，例如，水经常要用管道和渠 道来输送；在水处理构筑物中，水的净化也离不开 在水池中沿着一定方向(垂直、水平，倾斜)的缓慢流 动或渗流运动；某些工业设备的用水冷却，要采用 水的循环系统来实现等。因此，动水力学是本专业 学习水力学的重点。
实验表明： 1、由于流体粘滞性，与平板直接接触的流体质点将 与平板一起移动而无滑移，与上板接触的流体质点其速 度为U，与下板接触的流体质点则速度为0，两板之间的 速度分布为直线分布。 2、比值F/A与U/h成正比。即 F U

903水力学基础

903水力学基础

903水力学基础摘要：一、水力学基础概述1.水力学的定义2.水力学的研究对象3.水力学的重要性和应用领域二、水力学基本概念1.流体2.流体静力学3.流体动力学三、流体运动基本方程1.连续性方程2.动量守恒方程3.能量守恒方程四、流体运动的分类1.层流与紊流2.不可压缩流体与可压缩流体3.高速与低速流体五、水力学应用实例1.水利工程2.给排水工程3.流体力学器件正文：水力学基础一、水力学基础概述水力学是研究流体在静止和运动状态下的力学性质及其与其他物质之间的相互作用的科学。

它主要关注流体的基本物理性质，如密度、压力、速度和粘度等，并探讨流体在管道、河流、海洋等不同场景中的运动规律。

水力学在工程领域具有广泛的应用价值，如水利工程、给排水工程、流体力学器件等。

二、水力学基本概念1.流体：在物理学中，流体是指可以流动的物质，如水、空气等。

与固体相比，流体具有流动性、可塑性和不可压缩性等特点。

2.流体静力学：研究在静止状态下流体的压力分布和作用力的学科。

3.流体动力学：研究流体在运动状态下的速度、压力和能量分布规律的学科。

三、流体运动基本方程为了描述流体运动，我们需要建立流体运动的基本方程。

主要包括以下三个方程：1.连续性方程：描述流体在运动过程中质量守恒的原理。

2.动量守恒方程：描述流体在运动过程中动量守恒的原理。

3.能量守恒方程：描述流体在运动过程中能量守恒的原理。

四、流体运动的分类根据流体的性质和运动状态，流体运动可分为以下几类：1.层流与紊流：根据流体运动的有序性，流体运动可分为层流和紊流。

层流是指流体运动有序、流速均匀的现象，而紊流是指流体运动无序、流速波动较大的现象。

2.不可压缩流体与可压缩流体：根据流体是否可以压缩，流体可分为不可压缩流体和可压缩流体。

不可压缩流体是指在运动过程中不发生体积变化的流体，如水；可压缩流体是指在运动过程中可以发生体积变化的流体，如空气。

3.高速与低速流体：根据流体运动的速率，流体可分为高速流体和低速流体。

第3章-给水排水管网水力学基础

第3章-给水排水管网水力学基础
当并联管道直径相同时，等效直径：
n
d (N)m di
kqNn l
d
m N
干管配水情况
3.4.2 沿线均匀出流的简化
给水管网中的配水管沿线向用户供水，如图3.6所示。假设沿线出流是 均匀的，则管道内任意断面x上的流量可以表示为：
qx
qt
l
l
x
ql
沿程水头损失：
h f
l
k (qt
l
l
x
2y) D
或
y / D (1 cos ) / 2
2
式中，θ的单位为弧度。
过水断面面积、湿周 和水力半径依次为，
A D2 ( sin ) ，
8
D 和
2
R A D ( sin ) 4
设该管道的坡度为I，满管流时的过水断面面积、水力半径、流量和流速分别 为A0、R0、q0和v0，可得
A0 D2 / 4 ， R0 D / 4 ，
3.1.2 恒定流与非恒定流 由于用水量和排水量的经常性变化，给水排水管道中的流量和流速随时间变化，
水流经常处于非恒定流（又称非稳定流）状态。但是，非恒定流的水力计算 比较复杂，在管网工程设计和水力计算时，一般按恒定流（又称稳定流）计 算。 随着计算机技术快速发展与普及，国内外已经开始研究和采用非恒定流计算给水 排水管网，而且得到了更接近实际的结果。
hf
l v2
D 2g
式中 D──管段直径（m）；g──重力加速度（m/s2）； λ──沿程阻力系数， 8g。 C2
常用管材内壁当量粗糙度e（mm）
表3.1
3.2.3 局部水头损失计算
计算公式 ：
局部阻力系数ζ
式中，hm ──局部水头损失，m； ζ──局部阻力系数，见表3.5。

水利计算的知识点总结

水利计算的知识点总结

水利计算的知识点总结一、水力学基础知识1. 水力学概念水力学是研究水在不同情况下的流动规律和力学特性的科学。

水利计算涉及到的很多问题都与水的流动有关，因此水力学是水利计算的基础知识之一。

2. 流速和流量水流的速度和流量是水利计算中最基本的概念。

流速是指单位时间内水流过的距离，通常用米/秒来表示；流量是指单位时间内通过某一横截面的水量，通常用立方米/秒来表示。

3. 流态和水力势流态是指水流的状态，包括层流和湍流两种状态。

层流是指水流的速度分布均匀，流线平行；湍流是指水流的速度分布不均匀，有涡流和湍流。

水力势是指水流动能的高度，是水压的势函数。

4. 雨量计算雨量是指雨水的量，对于水利计算来说，雨量的准确测定非常重要。

雨量计算是通过采用不同的方法对降雨量进行测定和计算。

5. 水力计算公式水力计算公式是用来计算涉水工程中各种水力参数的公式，包括流速公式、流量公式、水压公式等。

6. 泵站水泵选择和计算泵站水泵选择和计算是用来确定泵站所需要的水泵数量、型号、流量和扬程等参数的计算。

二、水库调度和灌溉计算1. 水库调度水库调度是指根据水库存水量和需水量等因素来确定水库的放水量和放水时间。

水库调度计算需要考虑到水库的地理位置、地形地貌、水文特征和气象条件等因素。

2. 灌溉计算灌溉计算是指通过计算确定灌溉水的需水量、供水量、灌溉周期、灌溉面积等参数。

灌溉计算需要考虑到土壤的类型、植物的种类和生长周期、气候条件等因素。

三、排水和防洪计算1. 排水计算排水计算是通过计算确定排水系统的设计和运行参数，包括排水管道的尺寸、坡度、流速、流量等。

2. 防洪计算防洪计算是通过对河流、湖泊等水体的水位、流量等数据进行分析和计算，确定防洪措施和防洪工程的设计参数。

四、水力工程设计和管理1. 水力工程设计水力工程设计是指根据水利工程的需要，进行水利计算并确定工程建设的设计参数，包括设计流量、设计水位、设计堰高等。

2. 水力工程管理水力工程管理是指对水利工程的建设、维护、运行和管理进行计划和执行，并通过水利计算来进行监测和评估。

水力学基本知识

水力学基本知识

第一章水力学基本知识1.惯性：具有维持它原有运动状态的特性、质量越大，运动状态越难改变，因而惯性越大2.单位体积内液体所具有的重量称为该液体的容重（重度）3.内摩擦力f=黏滞力4.谬u：动力粘滞系数与液体性质有关5.u液体表面与底面流速差6.液体粘滞性还可用运动粘滞系数v表示v=谬u/破p7.压缩性：液体不能承受拉力，可以承受压力。

液体受压缩后体积缩小，密度增加，同时液体内部会产生压力抵抗压缩变形，这种性质被称为液体的压缩性；压力解除后消除变形，恢复原状，这种性质称为液体弹性8.表面张力：表面张力仅在液体表面存在，液体内部不存在9.连续介质假说：假设液体是一种连续充满其所占据空间毫无间隙的连续体，水力学所研究的液体运动是连续介质的连续运动10.理想液体概念：水是不可被压缩，没有粘滞性，没有表面张力的连续介质11.质量力：常见的重力和惯性力皆属于质量力，单位质量液体所受的质量力为单位质量力m第二章水力静学1.等压面：静止液体中凡压强相等的各点连接起来组成的面（平面或曲面）称为等压面2.等压面重要性质：作用于静止液体上任意一点的质量力必须垂直于通过该点的等压面3.重力液体的等压面是重力加速度g互相垂直的曲面4.所以平衡液体的自由表面是等压面，即液体静止时的自由表面是水平面，静止液体中两种不同液体的分界面是等压面5.等压面概念：相连通的两种液体6.绝对压强：以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强7.相对压强：把当地大气压作为零点计量的压强8.p’绝对压强p相对压强Pa当地大气压强9.Yh为液体自重产生压强，与水呈线性关系，沿水深的压强分布图为直角三角形10.压强分布图中各点压强方向恒垂直指向作用面，两受压面交点处的压强具有各向等值性11.z—位置高度，即计算点距计算基准面的高度，称位置水头12.p/y—压强高度测压管中水面至计算点的高度，称压强水头13.z+p/y—测压管中水面至计算点的高度，称测压管水头（单位重量液体的势能，简称单位势能）第三章水力学基础1.迹线：是单个液体质点在某一时间段内的运动轨迹线2.流线：是在某一瞬时的空间流场中，表示各质点流动方向的曲线流线上所有各点在该瞬时的厉害矢量都和该流线相切，流线不能相交和转折3.元流，总流，过水断面：充满微小流管内的液体称为元流；充满流管内的液体称为总流，总流是无数元流的总和；与元流或总流中所有流线相正交的截面称为过水断面4.流量：单位时间内通过某一过水断面的液体体积5.恒定流，非恒定流：所有水流运动要素均不随时间变化的液流称恒定流；水流任一运动要素随时间变化的液流称非恒定流6.无压流，有压流：凡过水断面的部分周线为自由表面的液流称为无压流；凡过水断面的全部周线均于固体壁面相接触的液流称为有压流7.毕托管：一种测量液体点流速的仪器8.文丘里管：测量管道中液体流量的常用仪器9.雷诺数：表征了惯性力与黏滞力的比值雷诺数Rek≈2300是一个相当稳定的数值10.层流底层：液体作紊流运动时，紧邻壁面液体层的流速很小，流速梯度很大，黏滞力处于主导地位，且质点的横向混掺受到很大约束，因此总存在有保持层流流动的薄层，称为层流底层11.紊流切应力：在紊流中的水流阻力除了粘性阻力t1外，液体质点混参和运动量交换还将产生附加的切应力t2，简称紊流的附加应力12.重力流，无压流：明渠中水流是直接依靠重力作用而产生的，称重力流；同时它具有自由表面，相对压强为零，故称为无压流13.明渠均匀流形成条件①必须是顺坡渠道i>0并在较长一段距离保持不变②必须是长而直的棱柱形渠道③渠道表面的糙率n应沿程不变④渠道中的水流应是恒定流14.水力最佳断面：矩形渠道水力最佳断面的底宽为水深的两倍即水力半径为水深的1/215.水文资料应有以下四性①可靠性②代表性③独立性④一致性16.水位观测：水位是河流最基本的水文要素12.我国统一规定用青岛验潮站的黄海平均海平面作为水准基面17.水位观测通常用水尺和自记水位计，水尺读数加水尺零点高程就是水位18.水文调查：步骤是先建立水文断面，通过洪水调查，确定各种洪水位和洪水比降，进而确定水文断面的流速和流量19.洪水调查：访问调查洪痕调查20.其他调查：其他调查主要有冰凌调查和既有涉河工程调查21.堰流和堰：在明渠流中，为控制水位或控制流量而设置构筑物，使水流溢过构筑物的流动称为堰流，该构筑物称为堰22.堰水力特性：①堰的上游水流受阻，水面壅高，势能增大;在堰顶上由于水深变小，流速变大，使动能增大，在势能转化为动能过程中，水面有下跌的现象。

水力学课件

水力学课件
1.<<水力学>> 西南交大编 高等教育出版社 2 .<<水力学>>(上,下) 清华大学编.高等教育出版社
3.<<水力学解题指导及习题集>> (第二版) 大连工 学院高等教育出版社。
第一章 绪论
§1-2 液体的连续介质模型
一、概念的建立
流体由不连续分布的大量分子组成 10-6 mm3 空气中含有大约2.71010个分子； 10-6 mm3 水中含有大约3.31013个分子。 1、概念：液体是没有空隙的，液体质点完全充满所占的空间。 “连续介质”概念的建立，使液体中的一切物理量（压强、 速度、密度等）都可视为空间坐标和时间的连续函数〔如： p=f（x，y，z，t）〕。这样就可以利用连续函数的数学分 析方法来解决液体平衡和运动的问题。
1 p 1 p dx)dydz X dxdydz 0 (p dx)dydz ( p 2 x 2 x
整理得：
同理，在x,y方向上可得：
1 p X 0 x
第二章 水静力学
1 p 0 X x 1 p 0 Y y 1 p 0 Z z
第一章 绪论
§1-5 作用在流体上的力
按物理性质分：重力、摩擦力、惯性力、弹性力、
表面张力 按隔离体的角度分：表面力和质量力 1、表面力： 作用在隔离体表面上的力， 是接触性力。 表面力可分为： 法向力P与作用面正交的应力 切应力τ与作用面平行的应力
第一章 绪论 2、质量力： 质量力是指作用在隔离体内每个液体微团上的力， 其大小与液体的质量成正比，也称为体积力， 是非接触性的力。 如：重力、惯性力。 质量力常用单位质量力来度量。
压力改变对μν的影响不大
（液体）

第四章消防水力学基础知识

第四章消防水力学基础知识

(四)膨胀性
水的体积随水温升高而增大的性质称为 水的膨胀性。根据实验，水的体积变化较小。 因此，在消防设计和火场供水中水的膨胀性 均可略去不计。
练习题：
1、水的体积随水温升高而增大的性质称为水的膨胀性。（ √ ） 2、液态水具有压缩性和膨胀性，通常状况下，二者的特性为（ A ）。 A 压缩性小，膨胀性小 B 压缩性小，膨胀性大 C 压缩性大，膨胀性小 D 压缩性大，膨胀性大 3、水的体积随水温升高而增大的性质称为水的（ C ）。 A 粘滞性 B 压缩性 C 膨胀性 D溶解性
练习题
小
1、水中含有杂质越多，电阻率越大，导电性能越差（ × ）。 2、水的导电性能与水的密度、射流形式等有关。下列说法正确的是 （ C ）。 A 杂质越少，直流射流，导电性能越大 B 杂质越少，开花射流，导电性能越大 C 杂质越多，直流射流，导电性能越大 D 杂质越多，开花射流，导电性能越大
三、水的化学性质
上海“11.15”火灾
一、水的基本特性
水有三种状态：固体、液体和气体。液体与固体的主要区 别是液体容易流动，液体与气体的主要区别是液体体积不易压 缩。 水在常温下为液体。在常压下，水温超过l00℃时，蒸发成 气体，水温下降到0℃时，即凝结成固体称为冰。
练习题 1、水有三种状态：固体，液体和气体。液体与固体的主要区别是 液体容易流动，液体与气体的主要区别是液体体积不易压缩。（√）
从表中可以看出，随着压力增加水体积变化不大。因此， 通常把水看成是不可压缩的液体，但对个别特殊情况，水的压 缩性不能忽略。如水枪开关突然关闭时，会产生一种水击现象， 在研究这一问题时，就必须考虑水的压缩性。
练习题 1、水的体积随压力减小而增加的性质称为水的压缩性。（ × ） 2、通常把水看成是不可压缩的液体。（ √ ） 3、水枪上的开关突然关闭时，会产生一种水击现象。在研究这 一问题时，就必须考虑水的（ B ）。 A 粘滞性 B 压缩性 C 膨胀性 D溶解性

水力学

水力学

常常忽略流速水头的影响，则总水头线与测压管 水头线重合。 （3）在等直径均匀流条件下，流速沿程不变，测 压管水头线与总水头线相互平行。 （4）如果系统中有水泵，发生机械能的输入，水 头线会突然的上升，总水头线的上升幅度就是 水泵的扬程。
4.恒定流连续性方程
根据质量守恒定律可以导出没有分叉的不 可压缩液体一维恒定总流任意两个过水断面的 连续性方程有下列形式。
1.5 水头和单位势能
重力作用下静水压强基本公式可表示为：
z----位置水头；单位位能。 p/γ ----压强水头；单位压能。 z+p/γ ----测压管水头；单位势能。 z+p/γ=C ----测压管水头等于常数；静止液体内各点的单
位势能相等。
因此，水静力学基本方程也可表述为：静止液体 中各点的测压管水头是常数。该方程反映了静止液体 中的能量分布规律。
上式说明：任意两个过水断面的平均流速与过水断 面的面积成反比。
对于有分叉的恒定总流，连续性方程可以表示为：
连续性方程是一个运动学方程，它没有涉及作用力 的关系，通常应用连续方程来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，它是水力学 中三个最基本的方程之一。
5.恒定流能量方程
5.1 恒定总流能量方程式 实际流体恒定总流的能量方程（对单位重流
式中： ——流体密度 g ——重力加速度 V ——浸没于流体中的物体体积
1.8 潜、浮物体平衡与稳定
潜体在倾斜后恢复其原来平衡位置的能力，称为潜 体的稳定性。按照重心C和浮心D在同一铅垂线上的相对 位置，有以下三种可能
1、重心C位于浮心D之下，潜体如有倾斜，重力G 与浮力F形成一个使潜体恢复原来平衡位置的转动力矩， 使潜体能恢复原位，这种情况的平衡为稳定平衡。

四川大学水力学第五版课后答案

四川大学水力学第五版课后答案

四川大学水力学第五版课后答案第一章：水力学基础1.1 水力学的基本概念水力学是研究水的运动规律和流动性质的一门学科。

它主要涉及水的流动、压力、流速、流量等参数的计算和分析。

1.2 水力学的分类水力学可以分为波动水力学、稳定性水力学和水动力学三个方面。

波动水力学研究的是水波的形成、传播和消失的规律。

稳定性水力学研究的是流体运动中所出现的流态变化或水流中的各部分之间的相互作用。

水动力学是一门较为综合的水力学学科，它将流体运动的研究拓展到更为广阔的领域，如流体与固体的相互作用等。

1.3 水力学基本方程水力学中的基本方程包括连续方程、运动方程和压力方程。

连续方程描述的是流体在一定时间内流动的连续性。

它的数学表达式为：$$\\frac{{\\partial \\rho}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho\\textbf{v}) = 0$$其中，$\\rho$代表流体的密度，t代表时间，$\\textbf{v}$代表流体的速度。

运动方程描述的是流体在流动过程中所受到的各种力的作用。

它的数学表达式为：$$\\rho(\\frac{{D\\textbf{v}}}{{Dt}}) = -\ abla p +\\rho\\textbf{g} + \\textbf{f}$$其中，$\\frac{{D\\textbf{v}}}{{Dt}}$代表流体的加速度，t代表压力，$\\textbf{g}$代表重力加速度，$\\textbf{f}$代表其他外力。

压力方程描述的是流体在流动过程中的压力分布。

它的数学表达式为：$$\ abla p = -\\rho\\textbf{g} - \\textbf{f}$$压力方程是根据流体的性质和流体所受的力来推导出来的。

1.4 水力学的应用水力学在很多领域中都有着广泛的应用，比如水利工程、船舶工程、液压工程等。

在水利工程中，水力学用于设计水坝、运河、抽水站等水利设施，以及防洪、引水等工程。

给水排水管网水力学基础

给水排水管网水力学基础

非满流水力计算简化措施
（1）水力计算图表 （2）借助满流水力计算公式并经过一定
旳百分比变换进行计算
（1）水力计算图表
充斥度
流速 坡 度
精 度 低， 通 用 性 差。
流量
(2)百分比变换法
假设有一条满流管渠与待计算旳非满流管渠具 有相同旳管径D和水力坡度I，其过水断面面积 为 vo，A0能，够水证力明半：径为R0，经过流量为qo，流速为
层流 Re<2023 紊流 Re>4000 过渡流 2023~4000
给水排水管网水流一般处于紊流流态 紊流流态分为三个阻力特征区：
阻力平方区 水头损失与流速平方成正比 过渡区 水头损失和流速1.75~2次方成正比 水力光滑管区 水头损失和流速1.75次方成正比
给水排水管网水流一般处于阻力平方区和过渡区
压力流与重力流
压力流输水经过封闭旳管道进行，水流阻力主要依 托水旳压能克服，阻力大小只与管道内壁粗糙程度 有关、管道长度和流速有关，与管道埋设深度和坡 度无关。
重力流管渠中水面与大气相通，非满流，水流阻力 依托水旳位能克服，形成水面沿水流方向降低。
给水多压力流，排水多重力流； 长距离输水重力流，排水泵站出水管、倒虹管压力
1.273 0.1 0.42 0.587
1.36
非满流管渠水力计算措施
其他组合情况p55
3.4 管道旳水力等效简化
采用水力等效旳原理，将局部管网简化成简朴 旳形式。
多条管道串联或并联，等效为单条管道； 管道沿线分散出流或入流，等效为集中出流或
入流； 泵站多台水泵并联工作能够等效为单台水泵。
kq n Dm
l 或h f
sf qn
k, n, m 指数公式参数

水力学第3章

水力学第3章
Z1 p1

2 2 u1 p2 u2 Z2 hw 2g 2g
z为单位重量液体的势能（位能）。 u2/2g为单位重量液体的动能。 p/为单位重量液体的压能（压强势能）。
• z+p/=该质点所具有的势能。 • z+p/+ u2/2g=总机械能 • hw'为单位重量的流体从断面1-1流到2-2 过程中由于克服流动的阻力作功而消耗 的机械能。这部分机械能转化为热能而 损失，因此称为水头损失。
0
Δh
h1
h2
动 压 管
A-A
静 压 管
A
1
2
例3 试证明图中所示的具有底坎的矩形断面 渠道中的水流是否有可能发生．
（a） 假设这种水流可以发生 证：
以0-0为基准面，列1-1， 2-2断面能量方程：
p1 1V12 p2 2V22 Z1 Z2 hw12 2g 2g
Q3 Q1 Q2
Q3 Q1 Q2 Q1
Q1 Q2 Q3
Q3 Q2
对于有分叉的恒定总流，连续性方程可以表示为： ∑Q流入=∑Q流出 连续性方程是一个运动学方程，它没有涉及作用 力的关系，通常应用连续方程来计算某一已知过水断 面的面积求断面平均流速或者已知流速求流量，它是 水力学中三个最基本的方程之一。
二、迹线和流线 迹线是液体质点运动的轨迹，它是某一个质 点不同时刻在空间位置的连线。 流线是某一瞬间在流场中画 出的一条曲线，这个时刻位于 曲线上各点的质点的流速方向 与该曲线相切。 对于恒定流，流线的形状不随时间而变化， 这时流线与迹线互相重合；对于非恒定流，流 线形状随时间而改变，这时流线与迹线一般不 重合。
Q dQ udA

水力学的基础理论和应用

水力学的基础理论和应用

水力学的基础理论和应用水力学是一门研究流体运动学及力学的学科，涉及范围广泛，是工程系学生必修课程之一。

水力学的基础理论包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等，而在实际应用中，水力学涉及到各个领域，如水力发电、水利工程、污水处理、海洋工程等。

一、水力学基础理论1.1 质量守恒定律质量守恒定律是指在任何一个封闭系统内，流入该系统的流体总质量等于流出该系统的流体总质量，即质量不会消失和增加。

这一定律是水力学中最基础、最重要的定律之一。

在水力学中，质量守恒定律被应用在研究各种管道、渠道、河流、湖泊等工程问题中。

1.2 动量守恒定律动量守恒定律是指流体在运动中动量的总量不会因为外力的作用而发生改变。

动量守恒定律中包括牛顿第二定律，即单位时间内的总动量的变化等于给流体的力的总和。

在水力学中，动量守恒定律应用于研究液体在管道、渠道、泵站等各个工程设施中的运动规律，可以帮助工程师们更好地设计和优化工程设施。

1.3 能量守恒定律能量守恒定律是指在任意封闭系统中，能量总量保持不变。

在水力学中，能量守恒定律被广泛应用于研究液体在运动中的各种能量变化，包括流体动能、重力势能、压力能等。

二、水力学应用2.1 水力发电水力发电是指利用水流动能转化成机械能，再经由电机转化成电能的一种发电方式。

水力发电是目前世界上最主要的可再生能源之一。

水力学在水力发电中有着重要的应用，例如研究水轮机的性能、水电站的设计和优化、水利工程的管理等。

2.2 水利工程水利工程主要包括各种输水设施，如水库、堤坝、渠道、闸门等，以及水文测量、水资源利用、防洪减灾等方面的工程设施。

水力学在水利工程中有十分广泛的应用，如研究闸门开启规律、计算水库泄洪流量、优化渠道设计、预测洪水发生概率等.2.3 污水处理污水处理是指将自然界中的废水通过处理使其符合国家和地方的环保标准后排入自然界或再利用。

水力学在污水处理中被广泛应用，如设计污水处理厂中的管道和泵站、计算流量和压力等。

第四章 消防水力学基础知识

第四章 消防水力学基础知识

第二节 水的灭火作用
稀释作用
水是一种良好的溶剂，可以稀释可燃物浓度而导 致可燃蒸气量减少，使燃烧减弱。
分离作用
经灭火器具（尤其是直流水枪）喷射形成的水流 有很大的冲击力，这样的水流遇到燃烧物时，将 使火焰分离，这种分离作用一方面使火焰“端部” 得不到可燃蒸气的补充，另一方面使火焰“根部” 失去维持燃烧所需的热量，使燃烧中止。
第三节 消防射流
消防射水器具
（一）消防水枪 • 由单人或多人携带和操作的以水作为灭火剂的喷 射管枪。根据射流形式和特征可分为直流、喷雾、 开花、多用水枪等。 1. 直流水枪 • 喷射密集充实水流的水枪，具有射程远、水量大、 冲击力强等优点。 • 适用于远距离扑救一般固体物质火灾、冷却装置、 储罐等。
（二）水的汽化热
单位体积的水由液体变成气体需要吸收的热量。
1L100℃的水，变成100℃的水蒸气，需要吸收 2264kJ热量，即水的汽化热为2264kJ / (kg· 。 ℃) ？ 水的汽化热很大，将水喷洒到火源处，水将吸收 大量热迅速汽化成蒸汽，因此具有良好的冷却降 温作用。 1L水变成水蒸气后体积扩大1725倍。水蒸气占据 燃烧区空间，具有隔绝空气的窒息灭火作用。当 水蒸气占燃烧区体积达35%时，火焰就将熄灭。
第三节 消防射流
（4）扑灭不同建筑物火灾对水枪充实水柱要求：
• 建筑高度不超过100m的高层民用建筑，不应小于10m； • 高层工业建筑和建筑高度超过100m的高层民用建筑，不
• •
• • •
应小于13m； 甲、乙类厂房，层数超过6层的公共建筑和层数超过4层的 厂房（仓库），不应小于10m； 高架仓库和体积大于25000m3的商店、体育馆、影剧院、 会堂、展览建筑，车站、码头、机场建筑等，不应小于 13m； 一般性的低层建筑，不应小于7m； 地下工程，不应小于10m； 停车库、修车库，不应小于10m；
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状态方程
为了正确模拟气体的水力学特性，需要在各种条件下气体各 项物理属性的变化和它们之间的关系。这些物理属性主要是指：
· 气体的密度 · 压缩系数 · 粘度 · 热容 · 比热 · 比热比 · 热值
求解这些参数的方程称为状态方程。
有很多种状态方程，它们的区别是：需要的数据多少不同， 求解计算的难易程度不同，精度不同。
BWRS AND Peng的比较
Peng方程的优点是：
– 在较大的压力、温度范围内都比较精确。 – 在相变区或相变区附近也比较精确。 – 可以作气体组分跟综。 – 计算量少于BWRS。
Peng方程的缺点是：
– 需要输入气体的全部组分 – 不能使用PLS提供的用户自定义属性
BWRS方程的优点是：
– 在很大的压力、温度范围内都很精确（优于Peng）。 – 在相变区或相变区附近也比较精确。 – 可以作气体组分跟踪。 – 可以处理含有较多非碳氢化合物的气体。
– 不包括焓的特性使其可直接计算CP and CV Enthalpy Departure Function allows Calculation of CP and CV
Direct
BWRS状态方程
范德瓦尔斯方程、SRK方程、和Peng方程的共同问题是 对分子间作用力考虑不够充分，以至在介质密度很高时不 够准确。BWRS方程考虑了更多的修正，因而也引入了更多 的参数。
NX-19和AGA-8
NX-19和AGA-8都是靠对大量输气管道的实测数据进行研究 产生的纯经验公式。
AGA-8又包含两个公式：一个是用详细特征法产生的公式， 另一个是用总体特征法产生的公式。
SRK方程
自范德瓦尔斯之后又出现了很多状态方程，它们用不 同的参数表示实际气体与理想气体的区别，各有自己的 适用范围。SRK方程是其中一个，同时它又是对RK方程 的改进：
10’
1000 ft3 = 1mcf (mille cubic feet)
at 14.696 psia
状态方程
理想气体的状态方程: 通用气体状态方程为:
P = ρRT P = ZρRT
范德瓦尔斯状态方程
Van-der-Walls Equation:
P
=
RT V−
b
−
a V2
理想气体没有考虑实际气体中分子的大小和分子间的作 用力，范德瓦尔斯状方程中b是对分子体积作出的修正，a 是对分子间作用力作出的修正。
Z-factor is function of Pressure,Temperature and Various Component Properties – 不包括焓的特性使其可直接计算CP and CV Enthalpy Departure Function allows Direct Calculation of CP and CV
气体在管内流动，随着压力下降，密度逐渐变小，流速 不断增大。同时气体在管道流动过程中还要气体与周围介 质进行热交换，温度会逐步降低，在管道的未段趋近于甚 至低于周围介质的温度。特别是在不稳定流动的情况(输 气管大多数处于不稳定流动状态）下，更导致压力、流量 和温度的变化。
因此，描述气体管内流动状态的主要参数有：压力P、
– 与压缩系数的立方比例
Cubic EOS (Function is proportional to Z3)
– 压缩系数是压力温度和各组分特性的函数
Z-factor is function of Pressure,Temperature and Various Component Properties
vTx )
=
−T
⎧ ⎨ ⎩
∂P ∂T
⎫ ⎬ ⎭
ρ
vx
+
ρ
(f) 2(Di )
v
3
−
(4U w ) Di
(T
− Tg )
其中：
L x t A ρ P v h
管道长度 距离 时间 管道横断面积 气体密度 气体压力 气体流速 管道高程
g
重力加速度
f
摩阻系数
Di
管道内径
T
气体温度
Tg
地温
Uw 总传热系数
Cv 气体热容
+ cρ 3
T2
1+ γρ 2
e−γρ 2
BWRS状态方程
– 需要气体组分数据Requires Gas Compositional Data – 基于扩展的范德瓦尔斯方程Based on Extension to
Van-der-Walls Equation – 有１１个参数Eleven Parameter EOS – 压缩系数是压力温度和各组分特性的函数
管道模拟的理论基础 和主要公式和参数选取设定
TGNET强化班
提纲
• 气体在管道内流动的基本方程 •连续性方程 •运动方程 •能量守恒方程 •状态方程 •Sarem •NX-19和AGA-8 •SRK •Peng •BWRS
• Knot • 摩阻系数 • 热力计算 • 粘度计算
管道内气体流动的基本方程
摩阻公式 基本方程式中的摩阻系数可用以下公式计算：
Weymouth Colebrook White AGA (fully turbulent) AGA (partially turbulent)
Panhandle A Panhandle B
1
1
= 151.5.19092 ∗ D 6
fM
1 fM
=
−2
引入的参数越多，考虑的因素越多，适用的范围越宽。 求解的难度和求解计算量也越大。BWRS 是一个复杂的有 多达11个参数状态方程。
P
=
ρRT
+
⎜⎛ ⎝
Bo
RT
−
A0
−
C0 T2
+
D0 T3
−
E0 T4
⎟⎞ρ 2
⎠
+ ⎜⎛bRT ⎝
−
a
−
d T
⎟⎞ρ 3
⎠
( ) +α⎜⎛ a + d ⎟⎞ρ 6 ⎝ T⎠
∑ ∑ 压缩系数。
5
Z=
m=0
5 n=0
Amn
Pm
⎛⎝⎜
2
P1r4−.815⎞⎠⎟
Pn
⎛⎝⎜
2Tr − 1.9
4
⎞⎠⎟
有效压力范围是： 有效温度范围是：
0.1 ≤ Pr ≤ 14.9 1.05 ≤ Tr ≤ 2.9
其中对比压力和对比温度是基于虚拟临界压力和虚拟临 界温度的近似值。以相对密度为基础计算虚拟临界值，用 Wichert 和 Aziz 关系式矫正CO2对虚拟临界值的影响。
P
=
RT V −b
+
V
2
a + bV
SRK方程的应用比较广泛，而且有多种变形。
Peng
范德瓦尔斯方程在一定范围内已经能比较接近的描述
实际气体的性质，但是它没有考虑温度和偏心因子的影 响，因而适用范围有限，Peng-Robinson 是在考虑了上述 因素后由范德瓦尔斯方程派生出的方程：
P
=
RT V −b
状态方程比较
• 复杂性 Complexity
– BWRS最复杂 BWRS Most Complex – Sarem最简单 Sarem Least Complex
• 计算速度 Speed
– Sarem最快 Sarem is Fastest – BWRS最慢 BWRS is Slowest
• 适用范围 Use
−
V
2
+
aα
2 bV
− b2
Peng-Robinson方程的适用范围是：
0.1MPa < P < 100MPa 115o K < T < 670o K
Peng-Robinson
– 需要气体组分数据Requires Gas Compositional Data
– 基于扩展的范德瓦尔斯方程Based on Extension to Van-der-Walls Equation
密度ρ、流速v 和温度T。求解有关参数的方程主要是：
• 连续性方程， • 运动方程， • 能量守恒方程 • 气体状态方程。
连续性方程
连续性方程： ( Aρ)t + ( Aρv) x = 0
其中：
0 ≤ x ≤ L;t ≥ 0
( Aρ )t + ( Aρv) x = 0
L 管道长度 x 距离 t 时间 A 管道横断面积
阻力平方区 Fully Turbulent
只与管壁粗糙度有关 Depends only on Roughness
水力光滑区 Smooth Flow
只与雷诺数有关 Depends only on Reynolds Number
混合摩擦区 Partially Turbulent
与管壁粗糙度和雷诺数相关 Depends on both Roughness and Reynolds Number
BWRS方程的缺点是：
– 需要输入气体的全部组分 – 计算量最大，因而速度最慢。 – 不能使用PLS提供的用户自定义属性
状态方程比较
• 理想气体状态方程的精度肯定是不够的。 • 纯经验公式如，SAREM、NX-19、AGA-8在它们的适
用范围内（指美国输气管道的压力、温度、组分范围） 是最准确的。其中AGA公式常常是法定的计算公式。 • SRK、Peng和BWRS方程有更宽的适用范围。它们甚 至还可用于液态烃和气、液平衡计算。它们常常是模拟 计算使用的公式。在纯经验公式适用的范围内，上述公 式也可使用。因为它们的差异，远小于其它不确定因素 （例如管道沿线的温度）引起的差异。