水力学教师备课手册

etebue · 发表于 2011-12-24 20:22

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0 绪论... 1
0.1 水力学的任务与研究对象... 1
0.1.1 概念、任务... 1
0.1.2 研究对象... 1
0.2 水力学发展... 1
0.3 液体的主要物理性质... 2
0.3.1 惯性、质量与密度... 2
0.3.2 万有引力特性与重力... 2
0.3.3 粘滞性与粘滞系数... 2
0.3.4 压缩性与压缩率、热膨胀性... 3
0.3.5 表面张力... 4
0.3.6 汽化(了解) 4
0.3.7 流动性(了解) 4
0.4 连续介质和理想液体的概念... 4
0.4.1 连续介质的概念... 4
0.4.2 理想液体的概念... 5
0.5 作用在液体上的力... 5
0.5.1 表面力... 5
0.5.2 质量力... 5
0.6 水力学的研究方法... 5
0.6.1 理论分析... 5
0.6.2 科学试验... 5
0.6.3 数值计算... 5
量纲和单位 6
1水静力学... 7
1.1 静水中压强及其特性... 7
1.1.1 静水压力与静水压强... 7
1.1.2 静水压强的特性... 7
1.2 液体的平衡微分方程式及其积分... 8
1.2.1 液体平衡微分方程式... 8
1.2.2 微分方程综合式与积分式... 9
1.3 等压面... 10
1.4 重力作用下静水压强的基本公式... 10
1.5 质量力和惯性力同时作用下的液体相对平衡... 11
1.5.1 直线等加速器皿中液体的相对平衡... 11
1.5.2 等角速旋转器皿中液体的相对平衡... 12
1. 6绝对压强、相对压强... 13
压强的二种计量基准... 13
1.7压强的测量... 14
1.8压强的三种度量... 14
1.8.1 压强的三种度量方法... 14
1.8.2 测压管高度、测压管水头、真空度... 15
1.9作用在平面上的静水总压力... 15
1.9.1 静水压强图示... 15
1.9.2 图解法（矩形平面做图法）... 15
1.9.3 解析法（公式计算法）... 16
1.10 作用在曲面上的静水总压力... 20
1.10.1 曲面总压力的水平分力... 20
1.10.2 垂直分力... 21
1.10.3 压力体... 22
1.11 浮力及物体的沉浮... 22
1.11.1 作用在物体上的静水总压力---阿基米得原理... 22
1.11.2 物体在静止液体中的沉浮... 22
1.11.3 潜体的平衡及其稳定性... 22
1.11.4 浮体的平衡及其稳定性... 22
2 液体运动的流束理论... 23
2.1描述液体运动的两种方法... 23
2.1.1. 拉格郎日法（ J. L. Lagrange）... 23
2.1.2. 欧拉法( L. Euler) 23
2.2 恒定流和非恒定流... 24
2.3 流线、迹线... 25
2.4 流管、微小流束、总流、过水断面、流量与断面平均流速... 25
2.5 一元流、二元流、三元流... 26
2.6 均匀流、非均匀流... 26
2.6.1. 均匀流... 26
2.6.2. 非均匀渐变流和急变流... 27
2.7 恒定一元流（总流）的连续性方程... 27
2.8 理想液体与实际液体恒定微小流束的能量方程... 28
2.8.1. 理想液体恒定微小流束的能量方程... 28
2.8.2. 实际液体恒定微小流束的能量方程... 30
2.9 实际液体恒定总流的能量方程... 31
2.9.1. 方程推导... 31
2.9.2. 总水头线和测压管水头线... 32
2.9.3. 恒定总流能量方程的应用条件和注意点... 32
2.10 恒定总流能量方程应用举例... 34
2.12.1 毕托管测流速... 34
2.12.2 文丘里流量计... 34
2.12.3 薄壁孔口的恒定出流... 35
2.12.4 圆柱形管嘴的恒定出流... 36
2.11 恒定总流的动量方程... 43
2.12 恒定总流动量方程应用... 44
2.12.1 弯管内水流对管壁的作用力... 44
2.12.2 水流对溢流坝面的水平总作用力... 44
2.12.3 射流对垂直固定平面壁的冲击力... 44
2.13 量刚分析与π定理... 45
2.13.1 量刚分析的基本概念... 45
2.13.2 量刚分析法之一----雷列法... 45
2.13.3 量刚分析法之二----布金汉法（π定理）... 47
3液流型态及水头损失... 50
3.1 水头损失的物理概念及其分类... 50
3.2 液流边界几何条件对水头的影响... 50
3.3 均匀流沿程水头损失与切应力关系... 50
3.4 水流运动两种型态... 54
3.4.1. 二种流态——雷诺实验... 54
3.4.2. 流态判别准则——下临界雷诺数Rek下... 54
3.4.3. 湍流形成过程的分析... 55
3.5 园管中的层流运动及其沿程水头的损失计算... 56
3.6 湍流的特征... 57
3.6.1. 湍流运动要素的脉动... 58
3.6.2. 湍流产生附加切应力... 58
3.6.3. 湍流中存在粘性底层... 60
3.6.4. 湍流使流速分布均匀化... 61
3.7 沿程阻力系数的变化规律... 62
3.8 明渠均匀流经验公式——谢才公式... 64
3.9 局部水头损失... 66
一、局部水头损失一般分析... 66
二、几种典型的局部阻力系数... 66
4 有压管中的恒定流... 69
4.1 简单管道水力计算基本公式... 69
4.1.1. 自由出流... 69
4.1.2. 淹没出流... 70
4.1.3. 长管问题... 71
4.2 简单管道水力计算基本类型... 72
4.2.1. 输水能力计算... 72
4.2.2. 已经流量Q、管径d、阻力系数λ和ξ，计算水头H（确定水箱高度或水泵扬程）... 72
4.2.3. 已经流量Q、阻力系数λ和ξ，作用水头H，计算管径d（设计管径或非园管的断面尺寸）... 72
4.2.4. 分析确定各断面压强p的变化... 73
4.3 虹吸管和水泵装置水力计算... 73
5.2.1. 虹吸管水力计算... 73
5.2.2. 水泵装置水力计算... 73
4.4 串联管路水力计算... 76
4.5 并联管路水力计算... 77
4.6 分叉管道水力计算... 78
4.7 沿程均匀泻流管道的水力计算... 78
4.8 给水管网水力计算简介... 79
4.9 有压管道中的水击... 81
一、水击现象... 81
二、水击压强计算... 83
三、水击波传播速度... 83
四、水击的预防... 83
5明渠恒定均匀流... 84
5.1 明渠的类型及对水流运动的影响... 84
5.2.1 明渠的横断面... 84
5.2.2 明渠的底坡... 85
5.2 明渠均匀流特性及其产生条件... 85
5.2.1. 明渠均匀流的水力特征... 85
5.2.2. 明渠均匀流产生的条件... 86
5.3 明渠均匀流的计算公式... 86
5.4 水力最佳断面和允许流速... 87
5.4.1 水力最佳断面... 87
5.4.2 允许流速... 88
5.5 明渠均匀流水力计算... 88
5.6 粗糙系数不同及复式断面渠道的水力计算... 91
5.6.1 断面周边粗糙系数不同的均匀流计算... 91
5.6.2 复式断面渠道的水力计算... 92
5.7 无压管道均匀流的水力计算简介... 92
5.7.1 无压管道水力要素... 92
5.7.2 无压管道水流特征... 93
5.7.3 无压管道计算问题... 93
6 明渠恒定非均匀流... 94
6.1 明渠水流的三种流态... 94
6.2 断面比能与临界水深... 97
6.2.1 断面比能、比能曲线... 97
6.2.2 临界水深... 100
6.3 临界底坡、缓坡和陡坡... 102
6.4 临界水深的一些实例... 106
6.5 明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式... 108
6.5.1 水深沿流程变化的微分方程... 109
6.5.2 水位沿程变化的微分方程式... 110
6.6 棱柱形渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线分析... 110
6.6.1 棱柱形渠道水面曲线分区... 111
6.6.2 棱柱形渠道水面曲线分析简介... 111
6.6.3 棱柱形渠道水面曲线控制断面和控制水深... 116
6.7 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算----逐段试算法... 119
6.7.1 基本计算公式... 119
6.7.2 计算方法... 120
6.8 河渠恒定非均匀流的流量与糙率计算... 123
6.8.1 流量的计算... 123
6.8.2 粗糙系数的计算... 123
6.9 河道水面曲线的计算... 123
6.9.1 试算法... 124
6.9.2 图解法... 125
6.10 弯道水流... 125
7 水跃... 126
7.1 棱柱体水平渠道的水跃基本方程... 126
7.2 棱柱形平坡渠道水跃共轭水深的计算... 127
7.2.1 水跃函数的图形... 127
7.2.2 共轭水深的计算... 129
7.3 水跃方程的实验验证... 130
7.4 棱柱体水平矩形渠道中水跃能量损失... 131
7.4.1 水跃能量损失的机理简介... 131
7.4.2 水跃段水头损失的计算... 131
7.4.3 跃后段水头损失的计算... 131
7.4.4 水跃总水头损失和水跃段损失的近似计算... 132
7.4.5 水跃的消能效率... 132
7.5 棱柱体水平渠道中水跃长度确定... 133
7.5.1 矩形明渠水跃长度公式... 133
7.5.2 梯形明渠水跃长度公式... 134
7.6 非棱柱体明渠中水跃... 134
8 堰流与闸孔出流... 135
8．1 堰流的类型及计算公式... 136
8.2.1 堰流的类型... 136
8.2.2 堰流的基本公式... 136
8．2 薄壁堰流的水力计算... 138
8.2.1 矩形薄壁堰流... 138
8.2.2 三角形薄壁堰... 138
8．3 实用堰流的水力计算... 139
8.3.1 曲线型实用堰的剖面形状... 139
8.3.2 曲线型实用堰的流量系数m. 140
8.3.3 侧收缩系数ε... 140
8.3.4 曲线型实用堰的淹没及下游护坦高程对过水能力的影响... 140
8.3.5 曲线型低堰的水力设计简介略... 140
8.3.6 折线型实用堰... 140
8．4 宽顶堰流的水力计算... 140
8．5 窄深堰流的水力计算略... 140
8．6 闸孔出流的水力计算... 140
8.6.1 底坎为宽顶堰的闸孔出流... 141
8.6.2 底坎为曲线实用堰的闸孔出流... 141
实验课... 142
实验一静水压强实验... 142
实验二雷诺实验... 143
实验三伯努力方程实验... 144
实验四沿程阻力系数测定实验... 146
复习总结... 149
0 绪论... 149
1 水静力学... 149
2 液体运动的流束理论... 152
3 液流型态和水头损失... 156
4 有压管中的恒定流... 158
5 明渠恒定均匀流... 161
6 明渠恒定非均匀流... 162
7 水跃... 164
8堰流与闸孔出流... 165
附录... １６６
附录一希腊字母表... １６６
附录二不同坡度棱柱明渠水面曲线衔接... 167