几何特性--《水力学》第六章

《水力学》教学大纲

课程代码：

课程中文名称：水力学

课程英文名称：Hydraulics

课程类别：必修

课程学分数：5学分

课程学时数：90

授课对象：

水利水电工程专业、水文水资源专业、农田水利专业、港口与航道专业

本课程的前导课程：

高等数学 理论力学 材料力学

一．教学目的和要求

水力学是水利类各专业的一门重要技术基础课，是研究液体平衡和运动规律的一门学科。

教授本课程的目的是培养学生分析和解决水力学问题的能力，使学生通过学习，掌握液体平衡和运动的一般规律和有关的基本概念及基本理论，学会必要的对于水力学问题的分析和计算的方法，初步掌握水力学实验技术，初步掌握运用计算机技术解决水力学问题的能力，为学生学好后续课程，从事本专业的技术工作、科学研究和管理工作打好必要的水力学基础。

通过本课程的学习，学生应达到下列基本要求：

1．牢固掌握和理解本课程所涉及的水力学基本概念；

2．掌握本课程的基本理论及理解所描述的水力学问题；

3．掌握本课程的基本方程及应用条件，并理解其物理意义；

4．掌握水力学基本分析方法，并具有应用所学水力学知识理解工程技术问题的能力；

5．具有独立地应用基本概念、基本理论与基本方程分析和求解从工程实际中简化出来的水力学问题的能力；

6．掌握一定液流量测的方法和技能；

7．具有一定上机计算有关水力学问题的能力。

二．课程内容与学时分配

课程内容与学时分配表

内容 讲课学时

第一章 导论 3

第二章 水静力学 7

第三章 水动力学基础 16

第四章 层流和紊流、水流阻力和水头损失 12

第五章 量纲分析和相似原理 4

第六章 恒定管流 4

第七章 明槽恒定流 12

第八章 孔口和管嘴出流、堰顶溢流和闸孔出流 6

第九章 泄水建筑物下游水流的衔接和消能 2

第十章 非恒定流 2

第十一章 渗流 4 （一） 课程内容

连续介质模型：认为液体充满一个体积时是不留任何间隙的，其中没有真空，也没有分子间隙，认为流体是连续介质

密度： ρ=m / v (kg/m3 g/cm3)

水：1.0*103 kg/m3 水银：13.6*103 kg/m3

重度γ(伽玛)=w/v w=mg γ(伽玛)= ρg

牛顿内摩擦定律：作层流运动的液体，相互邻近层间单位面积上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯度成正比，同时与液体的性质无关。

根据牛顿内摩擦定律：T=μA (du/dy) μ为比例系数，称为粘度，单位N·s/m2即Pa·s

T为液体的内摩擦力

应力：单位面积上受到的力 设τ（套）为单位面积上的内摩擦力，即粘性切应力则τ（套）=T/A=μ(du/dy)

温度、压强对粘性的影响：温度↑ 液体↓ 气体↑

压强对粘度影响很小可以忽略

牛顿流体：凡是符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，如水，空气、酒精和汽油

理想液体：是指不考虑粘性的液体

作用在液体上的力

质量力（体积力）：G=ma;mg;mw2r——与质量成正比

表面力（面积力）：切向力；压力；表面张力——与作用面积成反比

静水压强有两个重要特性：

静水压强的方向垂直指向作用面；同一点不同方向上的静水压强大小相等

设液面压强为p0,均质液体重度为γ，该点在液面以下的深度为h

P=p0+γh γ=ρg

静水压强方程式的意义：

几何意义与水力学意义

静止液体内任何一点的测压管水头等于常数，即z+p/ϒ＝C

z——位置高度（位置水头） p/ϒ——测压管高度（压强水头）

z+p/ϒ——测压管液面相对于基准面的高度。（测压管水头）

物理意义

仅在重力作用下，静止液体内任何一点对同一基准面的单位势能为一常数。

即：

单位位能： 单位压能:

单位重量的液体在某点所具有的总势能，简称单位势能：

1 知识点

第0章 绪论

1. 连续介质

2.实际流体模型

由质点组成的连续体,具有：易流动性、粘滞性、不可压缩性、不计表面张力的性质.

3.粘滞性：牛顿内摩擦定律 dydu

4.理想流体模型：不考虑粘滞性。

5.作用在液体上的力：质量力、表面力

例：1.在静水中取一六面体，分析其所受的外力：作用在该六面体上的力有 （ ）

（a）切向力、正压力 (b) 正压力

(c) 正压力、重力 (d) 正压力、切向力、重力

2.在明渠均匀流中取一六面体，其所受的外力：作用在该六面体上有 （ ）

（a）切向力、正压力 (b) 正压力

(c) 正压力、重力 (d) 正压力、切向力、重力

3. 理想流体与实际流体的区别仅在于，理想流体具有不可压缩性。 （ ）

第1章 水静力学

1.静压强的特性

(1)垂直指向受压面。

(2)在同一点各方向的静压强大小与受压面方位无关.

2.等压面：等压面是水平面的条件

3.水静力学基本方程

2. 基本概念

位置水头、压强水头、测压管水头 、绝对压强、相对压强、真空压强。 Cgpzghpp0 2 3. 静压强分布图

5.点压强的计算

利用：等压面、静压强基本方程。

解题思路：① 找等压面

② 找已知点压强

③利用静压强基本方程推求。

6 作用在平面上的静水总压力

图解法：bP

解析法：AghPc

7. 作用在曲面上的静水总压力

关键：压力体画法

以曲面为底面，向自由液面（自由液面延长面）投影，曲面、铅锤面、自由液面所包围的水体为压力体。压力体与水在同一侧为实压力体，铅锤分力方向向下。反之，为虚压力体，铅锤分力方向向上。

例 1. 流体内部某点存在真空，是指 （ ）

（a）该点的绝对压强为正值 （b）该点的相对压强为正值

《水力学》课程教学大纲

课程名称：水力学（Hydraulics)

课程类型：专业基础课;范围选修课

学 时:72学时，4.5学分

适用对象：水利水电工程、农业水利工程、给水排水工程本科

先修课程：高等数学、大学物理、理论力学

一、课程性质、目的与任务以及对先开课程要求

水力学是水利类各专业必修的一门主要专业基础课.水力学的任务是研究液体（主要是水）的平衡和机械运动的规律及其实际应用。通过本课程的学习，使学生掌握水流运动的基本概念、基本理论与分析方法，理解不同水流的特点，学会常见水利工程中的水力计算，并具备初步的试验量测技能，为学习后续课程和专业技术工作打下基础.

二、教学重点及难点

本课程教学重点:水静力学,水动力学理论基础，流动阻力与水头损失,有压管路，明渠均匀流,明渠非均匀流。

难点：液体的相对平衡，作用在平面、曲面上的力,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，紊流沿程损失的分析与计算，复杂长管的水力计算，管网的水力计算，无压圆管均匀流水力计算，断面单位能量、临界水深，恒定明渠流动的流动型态及判别标准,明渠非均匀渐变流微分方程，棱柱体渠道非均匀渐变流水面曲线的计算.

三、与其它课程的关系

学习本课程应具备高等数学中有关微分、积分、简单微分方程等高等数学基础；还应具备理论力学、材料力学中有关静力学、动力学、应力与应变、面积矩等方面的工程力学基础。后续课程为水资源管理、水工建筑物、水利工程施工与水电站。

四、教学内容、学时分配及基本要求

第一章 绪论(2学时）

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.

重点：.液体的主要物理性质

难点：液体粘性产生原因及作用 第一节 水力学的任务及其发展概况

1、水力学的任务

2、水力学发展简史

第二节 液体的主要物理性质及其作用在液体上的力

1、液体的质量和密度

2、液体的重量和容重