水力学第四讲.ppt

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水力学第4章

n
1/6 1/6.6
1/7
1/8.8
α β
1.077 1.065 1.058 1.039 1.027 1.023 1.020 1.013
V/Vmax 0.791 0.807
0.817 0.850
>2 ╳ 106 1/10
1.031 1.011 0.866
2019/10/24
4.8 量纲分析和相似理论
x
x0

f (x0 ) f '(x0 )
f (x) x 2 log x 9.8021 x 0.8686 ln x 9.8021
f '(x) 1 0.8686 x
选初值x0=6。迭代值为：6，7.961777706，7.996832646，
7.996299004，7.996299005
指数行列式不等于零。 4.用这3个基本物理量与其余的任一个物理量组成一个无
量纲数
(Q1)a (Q2 )b (Q3)c q
2019/10/24
例4-11 管道水流。管段的压强差Δp与管段长
度l, 平均流速V，水的密度ρ ，动力粘度μ，
管道直径D，绝对粗糙度Δ有关。试用π定理决定本流动现象的无量纲数，并列出Δp与其他物理量关系的一般表达式。
第四章流态和水头损失
4.1 水头损失的分类流体从截面1运动到截面2,机械能减少:
z1

p1 g
1
V12 2g

z2

p2 g
2
V22 2g
z1

p1
g

1
V12 2g

z2

p2
g

2024年度水力学全套课件

2024/2/3
37
水跃现象及其消能措施
2024/2/3
水跃现象
当急流遇到障碍物或突然扩大的过水断面时，水面会急剧升高，形成水跃现象。水跃区域内水流紊乱，能量大量消耗。
消能措施
为减小水跃现象对渠道的不利影响，可采取消能措施，如设置消力池、消力坎等，使水流在消能设施内充分扩散和消耗能量。
计算方法
从起点开始，逐段计算各管段的水头损失和流量，累加得到总水头损失和流量。
2024/2/3
注意事项
需考虑管道局部水头损失对计算结果的影响。
31
并联管道的水力计算
计算方法
根据并联管道的特点，先求出各管段的流量，再累加得到总流量。
2024/2/3
并联管道特点
各管段水头损失相等，总流量等于各管段流量之和。
2024/2/3
27
05
有压管道中的恒定流
2024/2/3
28
有压管道的特点与分类
特点
水流受压，流速分布不均，存在水头损失；管道对水流有约束作用，水流方向明确。
分类
根据管道材料可分为金属管、非金属管和复合材料管；根据管道用途可分为输水管、配水管和排水管等。
2024/2/3
29
简单管道的水力计算
2024/2/3
02
总压力的计算方法
通过求解液体对曲面的压强分布积分得到总压力，需考虑曲面的形状和
方位。
03
总压力的应用
用于计算液体对弧形闸门、船舶等曲面结构的作用力。
14
03
水动力学基础
2024/2/3
15
描述液体运动的方法
2024/2/3
宏观描述
通过观察液体整体的运动状态，如流速、流向等来描述。

水力学PPT精品课程课件全册课件汇总

⑵专门水力学：为各种工程实践服务
第一章绪论
二、水力学和流体力学
水力学：以水为研究对象，在理论上遇到困难时，通过观测和实验的方法来解决问题。
流体力学：以一般流体（液体和气体）为研究对象，偏重于从理论概念出发，掌握流体运动的基本规律，但解决实际工程时，会遇到很大的困难，在应用上受到一定的限制。
第一章绪论
4、牛顿内摩擦定律：
du FA dy
du F A dy
单位面积上的力，称为切应力τ。
F du A dy
μ——液体性质的一个系数，称为粘性系数或动力粘性系数（单位：N· S/m2) 运动粘性系数：
ν
单位：米2/秒（m2/s)
第一章绪论
对液体来说，温度升高，则μ降低， μ
第一章绪论
三、单位：表征物理量的大小。
国际单位制（SI）：米、秒、公斤。
第一章绪论
§1-4 液体的主要物理性质
一、液体的密度：ρ
1、均质液体单位体积内所含的质量即： M-----均质液体的质量 M

V
V-----该质量的液体所占的体积
国际单位：公斤/米3 （ kg/m3）
工程单位：公斤· 秒2/米4 （kg · s2/m4）
第一章
§1-1 绪论
绪论
§1-2 液体的连续介质模型
§1-3 量纲、单位
§1-4 液体的主要物理性质 §1-5 作用在流体上的力
第一章绪论
§1-1绪
一、水力学的定义：
论
水力学是研究液体的运动规律，以及如何运用这些规律来解决工程实际问题的科学。
水力学包括： ⑴水力学基础：
主要是研究液体在各种情况下的平衡运动规律，为研究的方便起见，该内容又分为流体静力学和流体动力学。

水力学 (完整版)PPT

2020/4/5
16
第一章绪论
1.3 作用在液体上的力
1.3.1 表面力定义
表面力是作用于液体的表面上的力，是相邻液体或其他物体作用的结果，通过相互接触面传递。
表面力按作用方向可分为：压力：垂直于作用面。切力：平行于作用面
lim p
P
A0 A
lim
T
A0 A
2020/4/5
17
第一章绪论
2020/4/5
1
第一章绪论
第1章绪论第2章水静力学第3章液体运动学第4章水动力学基础第5章流动阻力和水头损失第6章量纲分析与相似原理第7章孔口、管嘴出流和有压管流第8章明渠均匀流第9章明渠非均匀流第10章堰流及闸孔出流第11章渗流
2020/4/5
2
第一章绪论
11
第一章绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
2020/4/5
12
第一章绪论
19th century
Navier (1785-1836) & Stokes (1819-1905)
N-S equation
viscous flow solution
Reynolds (1842-1912) 发现紊流（Turbulence）提出雷诺数（ReynoldsNumber）
2020/4/5
13
第一章绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)

2024版水力学ppt课件

结果分析
根据计算结果，分析管道的水力性能是否满足设计要求，提出改进建议。
21
减少流动损失措施探讨
优化管道设计
通过合理布置管道走向、减少弯头数量、选用合适的管径等措施
降低沿程损失和局部损失。
采用高效节能设备
选用低阻力阀门、高效水泵等设备降低流动损失。
2024/1/25
加强管道维护管理
定期清洗管道内壁、更换损坏的管道附件等措施保持管道畅通，减少流动阻力。
03
特性比较
恒定流具有稳定的流动特性，便于分析和计算；非恒定流的流动特性复杂多变，需要采用动态分析方法。
15
流线、迹线和染色线概念辨析
流线
在某一瞬时，流场中每一点都与速度矢量相切的曲线。流线反映了该瞬时流场中速度的分布状况。
2024/1/25
迹线
某一质点在流动过程中不同时刻所在位置的连线。迹线反映了该质点在流动过程中的运动轨迹。
判别方法
通过计算雷诺数Re来判断流动类型。当Re小于临界雷诺数Rec时，流动为层流；当 Re大于Rec时，流动为湍流。
2024/1/25
14
恒定流与非恒定流特性比较
01
恒定流
流场中各点的流速、压强等流动参数不随时间变化，即流动处于稳定状态。
2024/1/25
02
非恒定流
流场中各点的流速、压强等流动参数随时间变化，即流动处于不稳定状态。
7
02 流体静力学分析
2024/1/25
8
静止液体中压强分布规律
液体内部压强随深度的增加而增大。
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。
2024/1/25
在同一深度，液体向各个方向的压强相等。

计算水力学--5洪水波(第4课)

要精确了解实际流动，必须求解动力波方程。水文学上较常用的简化方法马斯京干法是在出流与槽蓄量单一函数关系的假定下导出的，是运动波的差分解。这种假定在流域上游的水流运动与实际基本符合，有足够的精度。在流域下游，特别在平原河口地区，流动受上游来流和下游潮位的联合作用，由于受下游水位的顶托，流动不是自由出流，上述假定不复存在，实际流动的模拟应该由动力波方程来描述，即必须直接求解圣维南方程组。圣维南方程组的求解只能通过数值方法。
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§1. 洪水波—运动波一、运动波
Q uA u A A
波速
波速系数
A u 1 u A
一般情况下流速随水深增加而增加，所以有η≥1, 即，在一般情况下，波速总是大于断面平均流速u。
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回顾：
方程的其他形式
• Z，Q为因变量
漫洪滩地的处理
• 动量校正系数 • 调蓄滩地宽度
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回顾：
S-V方程的定解条件
边界条件的组合
缓流流态时：需要给定一个上边界条件、
一个下边界条件以及两个初始条件
急流流态时：需要给定两个上边界条件以及两个初始条件，不需要给定下边界条件
§1. 洪水波—运动波运动波三个重要特征
(1) 它只有一族向下游的特征线，所以下游的任何扰
动不可能上溯影响到上游断面的水流情况。
(2) 不论波形传播过程中是否变形，但其波峰保特不
变，没有耗散现象。
(3) 当波形发生变化时，不可避免地会发生运动激波。
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§1. 洪水波—惯性波一、惯性波

水力学课件.ppt

水工建筑物的渗流问题水工建筑物的过水能力问题
前进
水力学的主要研究课题：
作用于建筑物表面上静水总压力在压管中的恒定流明渠恒定流堰流及闸孔出流泄水建筑物下游的水流衔接与消能渗流
前进返回
连续介质的假说
假设液体是一种连续充满其所占据空间的毫无空隙的连续体。水力学所研究的液体运动是连续介质的连续流动。意义：使描述液体运动的一切物理量在空间和时间上连续，故可利用连续函数的分析方法来研究液体运动。
A线为牛顿液体，当液体种类一定、温
B
度一定时，η=const ，切应力与剪切
τ
C
变形速度成正比
A B线是理想宾汉液体，如泥浆、血浆等
D C线是伪塑性流体，如尼龙、橡胶的溶液、
η 1
颜料、油漆等
O
du/dy D线膨胀性流体，如生面团、浓淀粉糊等
（4）液体的粘滞性是液体运动产生能量损失的主要根源实际液体与理想液体的概念
单位质量力
若一质量为M的均质液体，作用于其上的总质量力为F，则所受的
单位质量力为
f ， F与加速度有一样的量纲[L/T2]
M
若总质量力F在空间坐标上的投影分别为Fx、Fy、Fz、，单位质量
力在相应坐标上的投影为fx、fy、fz，则有
X Fx ,Y Fy , Z Fz MMM
返回
具体说：是以数学、物理、理论力学为基础，采用理论分析与实验研究的方法，研究液体平衡和机械运动的规律及其实际应用。
水静力学按液体的存在形式
水动力学
基本原理按研究的内容
工程应用
前进返回
实际工程中的水力学问题
前进
水对水工建筑物的作用力问题水工建筑物的渗流问题

水力学4

测压管水头线的定性分析
1
V0≈0
p g
O 1
H
V2 2g
则
H
hf

Q2 K2
L
简单管道水力计算的基本类型
当管道布置、断面尺寸及作用水头已知时，要求确定管道通过的流量。当已知管道尺寸和输水能力时，计算水头损失；即要求确定通过一定流量时所必须的水头。
管线布置已定，当要求输送一定流量时，确定所需的断面尺寸。
对一个已知管道尺寸、水头和流量的管道，要求确定管道各断面压强的大小。
前进
有压管中的恒定流
有压管道无压管道
有压流无压流
简单管道复杂管道
简单管道
串联管道
并联管道
长管短管
水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头在总损失中所占比重很小，计算时可以忽略的管道
局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽略的管道
自由出流淹没出流
主要内容：
简单管道水力计算的基本公式简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算特例——虹吸管及水泵串联管道的水力计算并联管道的水力计算
简单管道水力计算的基本公式
1
1
自由出流
2 H 淹没出流
Z
O
2 O
O 1
O 2
按短管计算时：Q c A 2gH
其中
c
1
1

l d

1 2
Q c A 2gZ
c
1

l d

按长管计算时：
H
hf

l d
V2 2g
或
ห้องสมุดไป่ตู้

2024年度-水力学教程(第五版)全套教学课件pptx

特点概述
明渠具有自由表面，水流受重力作用，沿程水头损失以沿程摩阻为主，局部损失较小。
24
明渠均匀流基本公式推导过程
03
均匀流定义
基本公式
推导过程
明渠中水流流速、水深等水力要素沿程不变的流动。
谢才公式、曼宁公式，用于计算明渠均匀流的流速、流量等水力要素。
基于水流连续方程、能量方程和动量方程，结合明渠均匀流的特性进行推导。
25
断面单位能量线绘制技巧分享
单位能量线定义
表示单位重量水体所具有的总机械能沿程变化的曲线。
绘制步骤
确定控制断面，计算各断面单位能量并标注，用光滑曲线连接各点。
技巧分享
合理选择控制断面，注意标注单位能量的量纲和符号，保持曲线光滑连续。
26
水力最优断面设计思路探讨
水力最优断面定义
01
在给定流量和渠道底坡条件下，使过水断面面积最小或湿周最
要点二
短管水力计算
短管内的沿程损失和局部损失计算，总水头损失的计算方法。
20
管道局部损失产生原因及计算方法
局部损失产生原因
流速分布改变、流动方向改变、流动截面变化等引起的能量损失。
局部损失计算方法
通过实验确定局部阻力系数，利用公式计算局部损失。
21
管道系统优化设计原则
经济性
在满足使用要求的前提下，尽量降低管道系统的投资和运行费用。
度大小相等。
02
流管
在流场中，由一组流线所围成的管状区域。
03
流束
单位时间内通过某一过流断面的流体体积。
15
恒定流与非恒定流判别依据
恒定流
流场中各空间点上流体质点的物理量（如速度、压强、密度等）不随时间变化。

水力学第四章层流、紊流,液流阻力和水头损失

雷诺数Re 相对粗糙度
或相对光滑度 d d
vd Re

2 gdh f lv
2
Transportation College, Southeast University
尼古拉兹实验(人工粗糙管)
Lg（100λ）
过渡粗糙壁面, f (Re, ) d 称为紊流过渡粗糙区
1 , 1 , 1 , 1 d 30 61 .2 120 25
64
Transportation College, Southeast University5、沿程水头损失的一般公式
试验和量纲分析， τ0与动能有一定的关系沿程阻力系数 f (VR , ) 1
2 k V o
2 o gR J hf J l
1 1 1 或摩阻流速， u 或 8 9 10

流速分布的对数公式：
ux 5.75u lg y C
Transportation College, Southeast University
六、沿程阻力系数的变化规律
尼古拉兹实验装置
L V2 hf d 2g
hf
L V2 或 hf 4R 2 g
1、圆管均匀层流流速分布切应力： du dy 另依均匀流沿程水头损失
gR ' J g 与切应力的关系式有：
r J 2
当r ro时u 0得C gJ 2 ro 4v
所以有
du r gJ 2 g J du grJ dr 积分得u r C 2 4 v dr 2 gJ 2 2 所以流速分布： u (ro r ) 4v
一、水头损失的物理概念及其分类

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2u y y 2
2u y z 2
)
( ux uy uz ) duy
3 y x y z dt
fz
1
p z
v(
2u z x 2
2u z y 2
2u z z 2
)
( ux uy uz ) duz
3 z x y z dt
5 粘性不可压缩流体 Navier-Stokes方程
• 4 能量方程应用 • 毕托管原理（测流速）
h
H C
u
B
能量方程
pB
g
0
pC
g
0
uC2 2g
，得 uC
2 pB pC
静压强方程 pB p0 gH gh ， pC p0 gH ，
z
2
x y
dx dy dz
全微分形式
d (W
p
u2 2
)
2
ux
uy
uz
x y z
积分条件：（1） ux 0, u y 0, uz 0 。流体静止
（2） dx dy dz ，流线方程 ux uy uz
（3） x 0, y 0,z 0 ，无旋流动
（4） dx dy dz ，涡线方程 x y z
fx
1
p x
v(2ux x 2
2u x y 2
2ux ) z 2
dux dt
fy
1
p y
v(2u y x 2
2u y y 2
2u y z 2
)
du y dt
fz
1
p z
v(
2u z x 2
2uz y 2
2u z z 2
)
duz dt
§4-3 理想流体及实际流体恒定元流的能量方程（Bernoulli方程）
fx
W x
,
fy
W y
,
fz
W z
§4-3 理想流体及实际流体恒定元流的能量方程（Bernoulli方程）
• 1理想流体恒定元流的能量方程
在（1 不可压缩；2 理想流体；3 恒定流；4 质量力有势。）以上条件下
(W
p
u2 )
2 uy
uz
x
2
y z
(W
p
u2 )
2 uz
ux
y
2
z x
(W p u 2 ) 2 ux u y
p 是断面压强作用使流体沿测压管所能上升的高度，称为压强水头，表示压力
g
作功所能提供给单位重量流体的能量，称为单位压能。
u 2 是以断面流速 u 为初速的铅直上升射流所能达到的理论高度，称为流速水头， 2g
表示单位重量流体的动能，称为单位动能。
hW 是两断面间的能量损失。
§4-3 理想流体及实际流体恒定元流的能量方程（Bernoulli方程）
• 1理想流体恒定元流的能量方程
fx
1
p x
u x t
x
u2 (
2
)
2( yuz
zuy )
理想流体
0则
fy
1
p y
u y t
(u2 ) y 2
2( z u x
xuz )
fz
1
p z
u2(xu y
y
u
x
)
恒定流 ux u y uz 0 t t t
质量力有势，势函数 W，
（5） x y z k ，螺旋流动（涡线和流线相重合）
ux uy uz 积分得 W p u 2 常数
2
在只有重力作用下能量方程 gz p u 2 常数（伯努利方程） 2
对任意两点 z1
p1
g
u12 2g
z2
p2
g
u22 2g
§4-3 理想流体及实际流体恒定元流的能量方程（Bernoulli方程）
• 3解释能量方程中各项意义
Hp
z
p
g
表示断面测压管水面相对与基准面的高度，称为测压
管水头，表明单位重量流体具有的势能称为单位势能。
H z p u 2 称为总水头，表明单位重量流体具有的总能量， g 2g
称为单位总能量。
§4-3 理想流体及实际流体恒定元流的能量方程
（Bernoulli方程）
u y y
2 3
( ux
x
u y y
uz z
)
pzz
p
2
uz z
2 3
( ux
x
u y y
uz z
)
3 实际流体运动微分方程（应力表示） • 粘性可压缩（实际）流体运动微分方程
fx
1
pxx x
1
( yx
y
zx
z
)
dux dt
fy
1
p y y y
1
( xy
x
zy
z
)
duy dt
第四章流体动力学
§4-1 理想流体运动微分方程—Euler运动微分方程 • 1 理想流体动压强的特性 • ①理想流体动水压强的方向沿着作用面的内法线
方向。 • ②理想流体动水压强的大小与作用面方位无关，
各方向大小相等，只是位置坐标和时间的函数。 • 理想流体动水压强与静压强相同。
§4-1 理想流体运动微分方程—Euler运动微分方程 • 2 Euler运动微分方程：
• 2实际流体恒定元流的能量方程
• 考虑能量损失
z1
p1
g
u12 2g
z2
p2
g
u22 2g
hW 12
§4-3 理想流体及实际流体恒定元流的能量方程（Bernoulli方程）
• 3解释能量方程中各项意义
z 是断面对于选定基准面的高度，称为位置水头，表示单位重量流体的位置势能，
称为单位位能。
fz
1
pzz z
1
( xz
x
yz )
y
duz dt
4 实际流体运动微分方程（速度表示）
• 粘性可压缩流体运动微分方程
fx
1
p x
v(
2u x x 2
2u x y 2
2u x z 2
)
( ux uy uz ) dux
3 x x y z dt
fy
1
p y
v(
2u y x 2
用微元体建立运动与力的关系
fx
1
p x
dux dt
fy
1
p y
du y dt
fz
1
p z
duz dt
静止条件下简化为 Euler 平衡方程
§4-2 实际流体运动微分方程和Navier-Stokes方程 • 1 实际流体质点应力分析 • 九个应力分量
pxx yx zx xy pyy zy xz yz pzz
第一下标为作用面方向
第二下标为应力方向
§4-2 实际流体运动微分方程和NavierStokes方程
• 2 实际流体运动基本微分方程（切应力表示）
• 六个独立应力分量,理想流体压强 pt
xy
yx
( ux
y
u y x
)
zx
xz
( uz
x
u x z
)
zy
yz
( uz
y
u y z
)
pxx
pt
2
ux x
pyy
pt
2
u y y
pzz
pt
2
uz z
平均压强
p
pxx
pyy 3
pzz
pt
2 ( ux
3 x
uy y
uz ) z
理想流体压强
pt
p
2 3
( ux
x
u y y
uz z
)
正压强
pxx
p 2
ux x
2 3
( ux
x
u y y
uz z
)
pyy
p 2