《水力学》第一章 水静力学

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。

第一章 水静力学水静力学的任务是研究液体的平衡规律及其工程应用。

液体的平衡状态有两种：一种是静止状态，即液体相对与地球没有运动，处于静止状态。

另一种是相对平衡，即所研究的整个液体相对于地球在运动，但液体相对于容器或液体质点之间没有相对运动，即处于相对平衡状态。

例如，等速直线行驶或等加速直线行驶小车中所盛的液体，等角速度旋转容器中所盛的液体。

本章的核心问题是根据平衡条件来求解静水压强的分布规律，并根据静水压强的分布规律来确定各种情况下的静水总压力。

即先从点、再到面，最后对整个物体确定静水总压力的大小、方向、作用点。

水静力学是解决水利工程中水力荷载问题的基础，同时也是今后学习水动力学的必要知识。

从后面章节的学习中可以知道，即使水流处于运动状态，在有些情况下，动水压强的分布规律也可认为与静水压强的分布规律相同。

第一节 静止压强及其特性一.静水压强的概念.在静水中有一受压面，其面积为ΔA ，作用其上的压力为ΔP ,则该微小面积上的平均静水压强为A P p ∆∆=，当ΔA →0时，平均压强的极限就是点压强，),,(0lim z y x A P A p p ==∆∆→∆，这也说明了静水压强是关于空间位置坐标的函数。

静水压强的单位有三种表示方法：（1）用应力的单位表示，即N/m 2或kN/m 2；（2）用大气压强的倍数表示；（3）用液柱高度表示。

静水压力并非集中作用于某一点，而是连续地分布在整个受压面上，它是静水压强这一分布荷载的合力。

静水压强反映的是荷载集度。

今后的学习中将重点掌握如何根据静水压强的分布规律推求静水总压力。

由于水利工程中有时习惯将压强称为压力，故水力学中就将静水压力称为静水总压力，以示区别。

游泳胸闷,木桶箍都说明静水压力的存在。

二.静水压强的特性1>方向 垂直指向受压面，用反证法说明。

2>大小 静水中任何一点各个方向的静水压强大小都相等。

n z y x p p p p === 而),,(z y x p p =三.绝对压强 相对压强1> 绝对压强以设想的没有大气压存在的绝对真空状态为零点计量得到的压强称为绝对压强，以p ab 或p ＇来表示。

绪论1、密度是指单位体积液体所含有的质量 量纲为[M/L3]，单位为kg/m32、容重是指单位体积液体所含有的重量 量纲为[F/L3]，单位为N/m3一般取ρ水=1000 kg/m3，γ水=9800N/m3=9.8kN/m3第一章 水静力学1、静水压强的特性：①静水压强垂直指向受压面②作用于同一点上各方向的 静水压强的大小相等2、3、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，用p ′表示（绝对压强恒为正值）相对压强——以当地大气压作为零点计量的压强，用p 表示。

（相对压强可正可负） 4、真空——当液体中某点的绝对压强小于当地大气压强pa ， 即其相对压强为负值时，称为水力意义上的“真空”真空值（或真空压强）——指绝对压强小于大气压强的数值，用pk 来表示 5、压强的单位：1个工程大气压=98kN/㎡ =10m 水柱压=735mm 水银柱压6、压强的测量①测压管②U 形水银测压计③差压计7、静水压强分布图的绘制规则：1.按一定比例，用线段长度代表该点静水压强的大小 2.用箭头表示静水压强的方向,并与作用面垂直 8、平面的静水总压力的计算 ①图解法②解析法9、作用于曲面上的静水总压力（投影） 第二章 液体运动的流束理论1、迹线——某液体质点在运动过程中，不同时刻所流经的空间点所连成的线。

流线——是指某一瞬时，在流场中绘出的一条光滑曲线，其上所有各点的速度向量都与该曲线相切。

/流管——由流线构成的一个封闭的管状曲面 微小流束——充满以流管为边界的一束液流总流——在一定边界内具有一定大小尺寸的实际流动的水流，它是由无数多个微小流束组成2、水流的分类（1）按运动要素是否随时间变化①恒定流——运动要素不随时间变化②非恒定流——运动要素随时间变化（2）按同一流线上各质点的流速矢是否沿流程变化①均匀流——同一流线上流速矢沿流程不发生变化②非均匀流 a 、渐变流b 、急变流 3、均匀流的重要特性（1）过水断面为平面，且过水断面的形状和尺寸沿程不变(2) 同一流线上不同点的流速应相等，从而各过水断面上的流速分布相同，断面平均流速相等(3) 均匀流（包括非均匀的渐变流）过水断面上的动水压强分布规律与静水压强分布规律p z C gρ+=0p p ghρ=+相同，即在同一过水断面上各点的测压管水头为一常数推论：均匀流（包括非均匀的渐变流）过水断面上动水总压力的计算方法与静水总压力的计算方法相同。

高等学校教材HYDRAULICS 水力学李大美杨小亭主编武汉大学出版社第一章绪论§1-1 水力学的任务与研究对象水力学（Hydraulics）是介于基础课和专业课之间的一门技术基础课，属力学的一个分支。

主要研究以水为主的液体平衡和机械运动规律及其实际应用。

一方面根据基础科学中的普遍规律，结合水流特点，建立基本理论，同时又紧密联系工程实际，发展学科内容。

一、水力学的任务及研究对象水力学所研究的基本规律，主要包括两部分：1.液体的平衡规律，研究液体处于平衡状态时，作用于液体上的各种力之间的关系，称为水静力学；2.液体的运动规律，研究液体在运动状态时，作用于液体上的力与运动之间的关系，以及液体的运动特性与能量转化等等，称为水动力学。

水力学所研究的液体运动是指在外力作用下的宏观机械运动，而不包括微观分子运动。

水力学在研究液体平衡和机械运动规律时，须应用物理学和理论力学中的有关原理，如力系平衡定理，动量定理，能量守恒与转化定理等，因为液体也同样遵循这些普遍的原理。

所以物理学和理论力学知识是学习水力学课程必要的基础。

二、液体的连续介质假定自然界的物质具有三态：固体、液体和气体。

固体：具有一定的体积和一定的形状，表现为不易压缩和不易流动；液体：具有一定的体积而无一定形状，表现为不易压缩和易流动；气体：既无一定体积，又无一定形状，表现为易压缩和易流动。

液体和气体都具有易流动性，故统称流体。

流体分子间距较大，内聚力很小，易变形（流动），只要有极小的外力（包括自重）作用，就会发生连续变形，即流体几乎没有抵抗变形的能力。

所谓液体的连续介质假定，就是认为液体是由许多微团——质点组成（每个质点包含无穷多个液体分子），这些质点之间没有间隙，也没有微观运动，连续分布在液体所占据的空间。

即认为液体是一种无间隙地充满所在空间的连续介质（Continuum）。

三、水力学的应用领域水力学在实际工程中有广泛的应用，如农业水利、水力发电、交通运输、土木建筑、石油化工、采矿冶金、生物技术以及信息、物资、资金等流动问题，都需要水力学的基本原理。

东北农业大学网络教育学院水力学网上作业题第一章水静力学一、判断题1.静止液体（或处于相对平衡状态）液体作用在与之接触的表面上的水压力称为静水压力。

（√）2.静水压力只能是垂直的压力（√）3.任意一点静水压力的大小和受压面方向有关，或者说作用于同一点上各方向的静水压强大小不相等。

（×）4.当边界压强增大或减小时，液体内任意点的压强也相应地增大或减小但数值未定。

（√）5.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。

（√）6.一个工程大气压为107kPa。

（×）7.当物体淹没于静止液体中时，作用于物体上的静水总压力等于该物体表面上所受静水压力的总和。

（√）8.若物体在空气中的自重为G，其体积为V，若时，物体会上浮。

（√）9.固体分子的距离小，因此其内距离小。

（×）10.固体具有惯性，液体和气体不具有惯性。

（×）11.地球对物体的引力称为重量。

（×）12.液体做层流运动时，同一层的流速相同，相邻层的流速也相同。

（√）13.理想液体是假设的，并不真实存在，用其计算时，要进行适当的修正。

（√）14.任意受压面上的平均压强等于该受压面形心处的压强。

（√）二、选择题1.某点的相对压强为—39.2kPa，则该点的真空高度为：AA.4mHB.6mC.3.5mD.2m2.密闭容器内自由液面绝对压强，液面下水深2m处的绝对压强为：BA.19.6kPaB.29.4kPaC.205.8kPaD.117.6kPa3.相对压强的起点是指：CA.绝对真空B.一个标准大气压C.当地大气压D.液面压强4.绝对压强与相对压强、当地大气压、真空度之间的关系是：CA. B. C. D.5.用U形水银压力计测容器中某点水的相对压强，如已知水和水银的重度分别为 A及，水银压力计中水银液面差为，被测点至内测低水银液面的水柱高为，则被测点的相对压强应为：A. B. C. D.6.如图垂直放置的矩形平板，一侧挡水，该平板由置于上、下边缘的拉杆固定，则拉力之比应为：DA.1/4B.1/3C.1/2D.16题图7.图示容器，面积，，容器中水对底面积上的作用力为：CA.98NB.24.5NC.9.8ND.1.85N8.图示垂直置于水中的矩形平板闸门,宽度b=1m，闸门高h=3m，闸门两侧水深分别为,，闸门所受总压力为：BA.29.4kNB.132.3kNC.58.8kND.73.5kN8题图9. 图示垂直置于水中的矩形平板闸门,宽度b=1m，闸门高h=3m，闸门两侧水深分别为,，总压力作用点距闸门底部的铅直距离为: AA.2.5mB.1.5mC.2mD.1m10.图示圆管所受到的单位长度上静水总压力垂直分力的大小是: AA.17.3kNB.34.7kNC.52kND.69.4kN11. 图示圆弧形闸门,半径R=2m,门宽3m，其所受静水总压力的大小为：DA.109.49kNB.58.8kNC.92.36kN D83.8kN12、图示圆弧形闸门,半径R=2m,门宽3m，总压力与水平线之间的夹角为: A11题图9题图A.65.1°B.77.3°C.57.52°D.32.48°13、图示有压水管，断面1及2与水银压差计相连，水管水平，压差计水银面高差，该两断面之压差为：AA.37.04kPaB.39.98kPaC.46.3kPaD.28.65kPa13题图14、图示空气管道横断面上的压力计液面高差h=0.8m，该断面的空气相对压强为：BA.9.0kPaB.8.4kPaC.7.8kPaD.-7.84kPa12题图14题图15、如图所示半径为2m 的受水压的球体，由两个半球用螺栓连接而成，测压管液面与球顶部高差为2m ，则螺栓所受到的总压力为：AA.328.4kNB.50.265kNC.16.32kND.128.3kN15题图16.流体动力粘度的单位是( B )A.Pa·sB.m2/sC.N/m2D.N·s17.某流体的运动粘度v=3×10-6m2/s,密度ρ=800kg/m3,其动力粘度μ为( B)。

水力学复习大纲主要结合PPT所讲内容及课后作业。

绪论连续介质、理想液体、牛顿内摩擦定律、μ、质量力、表面力。

第一章水静力学静水压强基本计算公式、作用在曲面上的静水总压力的计算、压力体与静水压强分布图的绘制。

第二章液体运动的流束理论三个方程的应用。

第三章液流型态及水头损失雷诺试验、雷诺数、沿程、局部水头损失的计算、水力光滑面。

0．绪论0.3 液体的主要物理性质0.4 连续介质和理想液体的概念0.5 作用于液体上的力1 水静力学1.1 静水压强及其特性1.3 等压面1.4 重力作用下静水压强的基本公式1.5 几种质量力同时作用下的液体平衡1.6 绝对压强与相对压强1.7 压强的测量1.8 压强的液柱表示法，水头与单位势能1.9 作用于平面上的静水总压力1.11 作用于物体上的静水总压力，潜体与浮体的平衡及其稳定性思考题习题掌握静水压强的特性，压强的表示方法及计量单位，掌握液体平衡微分方程与水静力学的基本方程，掌握液柱式测压仪的基本原理，能熟练计算作用在平面上的静水总压力。

理解潜浮体的平衡与稳定。

重点：液体平衡微分方程与水静力学的基本方程。

难点：液体的相对平衡，作用在平面的力。

2 液体运动的流束理论2.2 液体运动的一些基本概念2.3 恒定总流的连续性方程2.4 恒定总流的能量方程2.5 恒定总流的动量方程基本要求：了解液体运动的基本规律及研究液体运动规律的一般方法，掌握液体的主要物理性质。

理解液体运动的两种方法—拉格朗日法和欧拉法，了解液体微团运动的基本形式，能判别有涡流与无涡流，理解平面势流中流函数与势函数的求解方法，牢固掌握恒定总流连续性方程、连续性微分方程、理想液体元流的能量方程与实际液体总流的能量方程、恒定总流动量方程。

了解不可压缩气体的能量方程。

重点：液体的主要物理性质。

水动力学理论基础。

难点：实际液体的运动微分方程，恒定总流伯诺里方程，恒定总流动量方程。

3 液流型态及水头损失3.1 水头损失的物理概念及其分类3.2 液流边界几何条件对水头损失的影响3.5 圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算3.7 沿程阻力系数的变化规律3.8 计算沿程水头损失的经验公式――谢齐公式基本要求：掌握流动阻力与水头损失的概念与产生原因，理解实际液体的两种流动型态—层流与紊流，掌握均匀流的基本方程、圆管层流与紊流沿程阻力及沿程水头损失的计算方法，掌握局部阻力及局部损失的分析与计算。

第一章 水静力学考点一 静水压强及其特性1、静水压强的定义：静止液体作用在受压面每单位面积上的压力称为静水压强。

2、静水压强的特性：（1）静水压强垂直于作用面，并指向作用面的内部； （2）静止液体中任一点处各个方向的静水压强大小相等。

考点二 几个基本概念1、绝对压强：以绝对真空为零点计量得到的压强，称为绝对压强，以abs p 或 p ’ 表示；2、相对压强：以当地大气压作为零点计量的压强，称之为相对压强，用p 表示。

3、真空与真空度：（1）真空现象：如果p ≤0，称该点存在真空； （2）真空度：指该点绝对压强小于当地大气压的数值。

p p p p a k =-='4、相对压强与绝对压强之间的关系：a p p p -='5、压强的表示方法：1 （atm ）＝ 10 (mH 2O) ＝ 98000 (N/m 2) ＝ 98 (kN/m 2) =736（mm 汞柱）考点三 液体平衡微分方程式（Euler 方程）绝对压强计算基准面p’Np1、微分方程：液体平衡微分方程式，是表征液体处于平衡状态时作用于液体上的各种力之间的关系式。

2、综合表达式——压强差公式 ：）＝z Z y Y x X z zpy y p x x p p d d d (d d d d ++=∂∂+∂∂+∂∂ρ ）＝z Z y Y x X p d d d (d ++ρ 3、积分结果 ：若存在一个与坐标有关的力势函数U (x ,y ,z )，使对坐标的偏导数等于单位质量力在坐标投影，即⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧∂∂=∂∂=∂∂=z U Z y U Y x UX 可得U z Z y Y x X z zUy y U x x U p d d d d (d d d d ρρ=++=∂∂+∂∂+∂∂）＝U p d d ρ＝积分上式得到： C U p +ρ＝ 或者 )(00U U p p -+ρ＝ 式中， 为自由液面上的压强和力势函数。

考点四 等压面1、定义：静止液体中压强相等的点所组成的面称为等压面。

《水力学》实验指导编者：水力学课程组二O 年月绪言一、实验的意义和目的：水力学是一门技术科学，它是力学的一个分支，水力学是以水为主要研究对象。

依据水力学的特点，水力学实验就更有它的重要性。

我们知道水力学问题，是个错综复杂的问题，它的复杂性就在于影响它的因素很多。

不只是由理论分析所能解决。

有不少水力学公式都是通过实验而总结出来的。

在某些场合，实验就成为解决问题的主要途径。

因此，水力学实验，无论对从事理论研究或对解决生产实际问题都具有极其重要的意义。

水力学教学实验的目的主要有以下几个方面：1、观察流动现象，扩大感性认识，提高理论分析的能力。

2、验证力学原理，测定经验系数值，以巩固所学的理论知识。

3、学会使用实验室的基本量测仪器，掌握一定的实验技能。

4、培养分析实验数据、整理实验成果及编写实验报告的能力。

5、培养严谨踏实的科学作风以及爱护国家财产的良好品德。

二、学生实验守则：1、实验前必须认真进行预习预习时应仔细阅读实验指导书及有关的教材资料，明确实验的目的、要求和相关的实验原理，了解操作步骤和有关的仪器设备，做到心中有数，并列绘出实验需要的表格。

2、严肃认真进行实验到实验室后必须保持安静，不得谈笑喧哗，不准吸烟，不准乱动与本实验无关的设备。

实验前应先组成小组，由小组长负责召集本组同学讨论试验步骤及量测项目，并进行分工轮换，以便有条不紊和协调一致地进行实验。

实验时应按指导书的要求，全神贯注地按步骤进行操作，并注意多观察水流现象，多思考分析问题，及时记录实验原始数据。

3、保持良好的科学作风实验时，应尊重原始实验数据，不得任意更改。

实验后，应进行必要的检查和补充，经指导教师同意后，方能离开实验室。

实验课程完成后，应及时整理实验数据，绘制所要求的关系曲线和认真编写实验报告，按时上交批改。

4、遵守规章制度，爱护国家财产实验时必须遵守实验室各项规章制度，服从教师和实验人员的指导，严格遵守操作规程，如发生事故或损坏设备，应立即向指导教师和实验人员报告，查清责任，按学校有关规定赔偿和处理。