水力学课件
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水力学经典教学课件PPT(83张)
水面激起一微小波动，波高h，波以速度vw从右向左
传播。观察微波传播： 波形所到之处将带动水流运 动，流速随时间变化，是非恒定流，但可化为恒定流。
vw
∆h
h
• 选动坐标随波峰运动，假想随波前进来观察渠 中水流相对于动坐标系 波静止渠中原静止水
体以波速vw从左向右流动，整个水体等速度
向右运动，水流为恒定流，水深沿程变化，是 非均匀流。
临
界
流
v c, 急 流
一般断面渠道静水中波速c为
c gA/B gh
• 将一块石子投入静水中，水面以投石点为中心 产生一系列同心圆，其以一定速度离开中心向
四周扩散
vw
vw’
• 将石子投入等速运动的水流中，则波传播速度 是水流流速与波速向量和。当水流流速小于波 速（v < vw）时，微波向下游传播的绝对速度 为（v + vw），向上游传播的绝对 v
vw+ v
• 当水流的流速等于波速（v= vw）时，微波向
下游传播的绝对速度是 2 vw。
2 vw
• 当水流流速大于波速（v > vw）时，微波只向 投石点下游传播，对上游的流动没有影响。
vw + v
• 一平底矩形断面水渠，水体静止，水深为h，水中有
一个直立的平板。用直立平板向左拨动一下，板左边
弗劳德（Froude）数的物理意义：
v
v2
Fr 2
gh 2gh
表示过水断面单位重量液体平均动能与平均 势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水 流的平均动能所占的比例愈大。
[Fr]
[惯性力] [重力]
表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关 系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流 时，重力对水流起主导作用。
传播。观察微波传播： 波形所到之处将带动水流运 动，流速随时间变化，是非恒定流，但可化为恒定流。
vw
∆h
h
• 选动坐标随波峰运动，假想随波前进来观察渠 中水流相对于动坐标系 波静止渠中原静止水
体以波速vw从左向右流动，整个水体等速度
向右运动，水流为恒定流，水深沿程变化，是 非均匀流。
临
界
流
v c, 急 流
一般断面渠道静水中波速c为
c gA/B gh
• 将一块石子投入静水中，水面以投石点为中心 产生一系列同心圆，其以一定速度离开中心向
四周扩散
vw
vw’
• 将石子投入等速运动的水流中，则波传播速度 是水流流速与波速向量和。当水流流速小于波 速（v < vw）时，微波向下游传播的绝对速度 为（v + vw），向上游传播的绝对 v
vw+ v
• 当水流的流速等于波速（v= vw）时，微波向
下游传播的绝对速度是 2 vw。
2 vw
• 当水流流速大于波速（v > vw）时，微波只向 投石点下游传播，对上游的流动没有影响。
vw + v
• 一平底矩形断面水渠，水体静止，水深为h，水中有
一个直立的平板。用直立平板向左拨动一下，板左边
弗劳德（Froude）数的物理意义：
v
v2
Fr 2
gh 2gh
表示过水断面单位重量液体平均动能与平均 势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水 流的平均动能所占的比例愈大。
[Fr]
[惯性力] [重力]
表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关 系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流 时，重力对水流起主导作用。
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
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
水力学课件 第一章 水静力学
§1.1 静水压强及其特征
联立上面各式代入后得：
1 2
pxyz
1 2
pnyz
1 6
xyzf x
0
1 2
p y xz
1 2
pnxz
1 6
xyzf y
0
1 2
pz xy
1 2
pnxy
1 6
xyzf z
0
联立上面各式代入后得：
1 2
pxyz
1 2
pnyz
1 6
xyzf x
0
1 2
p y xz
1 2
pnxz
§1.4 等压面
一、等压面(Isobaric Surface)：在平衡的液体中， 由压强相等的各点所组成的面叫做等压面。 等压面的重要特性是： 1.在静止的或相对平衡的液体中，等压面同时也是
等势面(Isopotential Surface)。 dp dU
2.在相对平衡的液体中，等压面与质量力正交。
条件：只适用于静止、同种、连续液体
三、气体压强计算
p p0
§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡
z
gm h z
zs
o
x
以z轴为对称轴的旋转抛物面方程：
R
o
r
x
m
F
y 1 2rBiblioteka gz C 2§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡 平衡微分方程： dp ( fxdx f ydy fzdz) 质量力：离心惯性力和重力 F m 2r, mg 单位质量力： fx 2 x, f y 2 y, fz g 自由面上压强不变为大气压： dp 0
§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡
2、圆筒中液体内任一点静水压强分布规律：
水力学(给排水基础)课件
m h 4.23m
4Q v 2 2.73m / s d
设为层流
v
2 1 1
2g
z2
p2
2v2
2g
2
hw
适用条件：恒定流动、质量力只有重力、
不可压缩流体、所取过流断面为渐变流断 面、两断面间无分流和汇流。
水力坡度
水头线的斜率冠以负号
测压管坡度
d H d hw J ds ds
dH P JP ds
称为测压管坡度
称为水力坡度
水流阻力和水头损失
分 类
沿程水头损失——在均匀流段（包括渐变流）中产生
的流动阻力为沿程阻力（或摩擦阻力），由此引起的
水头损失，与流程的长度成正比，用hf表示；
局部水头损失——在非均匀流段（流动边界急剧变化）
中产生的流动阻力为局部阻力，由此引起的水头损失，
取决于管配件的形式，用hj表示；
整个管道中的水头损失等于各段的沿程水头损失和各
两者关系：
p pabs pa
真空度（真空值）——相对压强的负值。pV
即
pV pa pabs p
静压强的量测方法： 1.弹簧金属式 量测相对压强和真空度,表中心数值 2.电测式 压力传感器、电信号 3.液位式 测压管技术（测压管、微压计、U形管）
静水压力
作用在平面上的静水总压力P 1.解析法： 总压力
P pc A
作用点位置 惯性矩: 矩形断面 圆形断面
Ic y D yc yc A
1 3 I c bh 12
Ic
64
D4
2.图解法：
静水总压力P=
4Q v 2 2.73m / s d
设为层流
v
2 1 1
2g
z2
p2
2v2
2g
2
hw
适用条件：恒定流动、质量力只有重力、
不可压缩流体、所取过流断面为渐变流断 面、两断面间无分流和汇流。
水力坡度
水头线的斜率冠以负号
测压管坡度
d H d hw J ds ds
dH P JP ds
称为测压管坡度
称为水力坡度
水流阻力和水头损失
分 类
沿程水头损失——在均匀流段（包括渐变流）中产生
的流动阻力为沿程阻力（或摩擦阻力），由此引起的
水头损失，与流程的长度成正比，用hf表示；
局部水头损失——在非均匀流段（流动边界急剧变化）
中产生的流动阻力为局部阻力，由此引起的水头损失，
取决于管配件的形式，用hj表示；
整个管道中的水头损失等于各段的沿程水头损失和各
两者关系：
p pabs pa
真空度（真空值）——相对压强的负值。pV
即
pV pa pabs p
静压强的量测方法： 1.弹簧金属式 量测相对压强和真空度,表中心数值 2.电测式 压力传感器、电信号 3.液位式 测压管技术（测压管、微压计、U形管）
静水压力
作用在平面上的静水总压力P 1.解析法： 总压力
P pc A
作用点位置 惯性矩: 矩形断面 圆形断面
Ic y D yc yc A
1 3 I c bh 12
Ic
64
D4
2.图解法：
静水总压力P=
水力学主要知识点课件
实验设备
水洞实验的主要设备包括水洞、水泵、压力计、速度测量仪等。
实验步骤
首先，开启水泵，使水流通过水洞并测量相关参数；然后，根据 测量结果计算水流的动力学特性和水力性能。
压力管实验基础
实验原理
压力管实验是通过测量压力管中的压力、流量等参数，研究水流 的压力变化和能量损失。
实验设备
压力管实验的主要设备包括压力管、水泵、流量计、压力计等。
实验设备
水槽实验的主要设备包括水槽、水泵、流量计、压力计、速度测量 仪等。
实验步骤
首先，将水槽中的水抽至一定高度，然后开启水泵，使水流通过实验 设备并测量相关参数；最后，根据测量结果计算水力学参数。
水洞实验基础
实验原理
水洞实验是通过测量水洞中的水流状态、压力等参数，研究水流 的动力学特性和水力性能。
现代水力学
20世纪中叶至今，水力学 研究领域不断扩大，涉及 水资源的开发、利用、保 护和管理等方面。
水力学的研究对象和任务
研究对象
水流的运动规律、水与边界的相 互作用以及水对物体的作用力等。
研究任务
为水利工程、土木工程、环境工 程等领域的实际应用提供理论支 持和设计依据。
水力学的应用领域
土木工程
实验步骤
首先，开启水泵，使水流通过压力管并测量相关参数；然后，根据 测量结果计算水流的压力变化和能量损失。
THANKS。
桥梁、隧道、港口、机场等工 程设施的水力学问题分析和设 计。
自然地理
研究地球上水的循环、河流、 湖泊和海洋的动力学特征。
水利工程
水库、水电站、堤防等水利设 施的设计、建设和运行管理。
环境工程
水污染控制、水资源保护、城 市排水和洪水控制等环境水力 学问题。
水洞实验的主要设备包括水洞、水泵、压力计、速度测量仪等。
实验步骤
首先，开启水泵，使水流通过水洞并测量相关参数；然后，根据 测量结果计算水流的动力学特性和水力性能。
压力管实验基础
实验原理
压力管实验是通过测量压力管中的压力、流量等参数，研究水流 的压力变化和能量损失。
实验设备
压力管实验的主要设备包括压力管、水泵、流量计、压力计等。
实验设备
水槽实验的主要设备包括水槽、水泵、流量计、压力计、速度测量 仪等。
实验步骤
首先，将水槽中的水抽至一定高度，然后开启水泵，使水流通过实验 设备并测量相关参数；最后，根据测量结果计算水力学参数。
水洞实验基础
实验原理
水洞实验是通过测量水洞中的水流状态、压力等参数，研究水流 的动力学特性和水力性能。
现代水力学
20世纪中叶至今，水力学 研究领域不断扩大，涉及 水资源的开发、利用、保 护和管理等方面。
水力学的研究对象和任务
研究对象
水流的运动规律、水与边界的相 互作用以及水对物体的作用力等。
研究任务
为水利工程、土木工程、环境工 程等领域的实际应用提供理论支 持和设计依据。
水力学的应用领域
土木工程
实验步骤
首先，开启水泵，使水流通过压力管并测量相关参数；然后，根据 测量结果计算水流的压力变化和能量损失。
THANKS。
桥梁、隧道、港口、机场等工 程设施的水力学问题分析和设 计。
自然地理
研究地球上水的循环、河流、 湖泊和海洋的动力学特征。
水利工程
水库、水电站、堤防等水利设 施的设计、建设和运行管理。
环境工程
水污染控制、水资源保护、城 市排水和洪水控制等环境水力 学问题。
水力学ppt课件
染色线
在流体中注入染色剂，形成的染色 质点在流动过程中描绘出的曲线。 染色线可以直观地显示流动状况。
一维流动和二维流动特点分析
一维流动
流动参数仅沿一个坐标方向变化，其 他两个坐标方向上的变化可忽略不计 。一维流动具有简单的流动特性和明 确的数学描述。
二维流动
流动参数沿两个坐标方向变化，另一 个坐标方向上的变化可忽略不计。二 维流动比一维流动复杂，但仍可采用 适当的数学方法进行描述和分析。
经验总结
结合实例分析，总结泄水建筑物设计的经验和教训，提出改进和优化 建议。
谢谢聆听
水力学ppt课件
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
01 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。
非均匀流现象描述
在明渠中，若水流运动要素沿程发生变化，则称为非均匀流。非均匀流可表现为水面波动、流速分布不均等现象 。
分类方法
根据非均匀流产生的原因和表现形式，可将其分为渐变流和急变流两类。渐变流是指水流要素沿程逐渐变化，而 急变流则是指水流要素在较短时间内发生显著变化。
明渠恒定非均匀流水面曲线变化规律探讨
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。
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
。
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。
在流体中注入染色剂，形成的染色 质点在流动过程中描绘出的曲线。 染色线可以直观地显示流动状况。
一维流动和二维流动特点分析
一维流动
流动参数仅沿一个坐标方向变化，其 他两个坐标方向上的变化可忽略不计 。一维流动具有简单的流动特性和明 确的数学描述。
二维流动
流动参数沿两个坐标方向变化，另一 个坐标方向上的变化可忽略不计。二 维流动比一维流动复杂，但仍可采用 适当的数学方法进行描述和分析。
经验总结
结合实例分析，总结泄水建筑物设计的经验和教训，提出改进和优化 建议。
谢谢聆听
水力学ppt课件
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
01 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。
非均匀流现象描述
在明渠中，若水流运动要素沿程发生变化，则称为非均匀流。非均匀流可表现为水面波动、流速分布不均等现象 。
分类方法
根据非均匀流产生的原因和表现形式，可将其分为渐变流和急变流两类。渐变流是指水流要素沿程逐渐变化，而 急变流则是指水流要素在较短时间内发生显著变化。
明渠恒定非均匀流水面曲线变化规律探讨
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。
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
。
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。
第二章水静力学水力学PPT课件
《水力学》精品课程多媒体课件
第二章
1
《水力学》精品课程多媒体课件
§2-1 静水压强及特性
一、静水压强定义
lim
A0
P A
N/m2 (Pa) KN/m2 (KPa)
二、特性
1、垂直指向作用面
Ⅰ
N
N
Ⅱ
Ⅱ
2、任意点上各方向p相等
用牛顿第二定律证明
F=0
① 说明该性质的含义（结合图形）
2
《水力学》精品课程多媒体课件
则该点存在真空，又称“负
压”真空度：pv pa p'
理论上：pv pa 实际中达不到。
真空高度：h v
pv
16
《水力学》精品课程多媒体课件
理论上：hv=10m；实际上：hv=7~8m 举例：
讨论分布规律：
p 2r2
（2-13）式变形为
z （2-14）
r 2g
等压面方程： 2r 2 z c
2g
可见等压面为旋转抛物面，自由面亦为等压
面，其上p=0。自由液面方程：
12
2r2
z
（2-15）
2g
《水力学》精品课程多媒体课件
由（2-15）式可知： 2 r 2
2g
表示A点处自由面高出x0y平面的
dpd(g)
积分得：
pzc（2-10）
d(z p) 0
积分得 :zp c
说明：在重力作用下，均质不可压缩液体中，各点的
(z p ) 值相等。
在自由面上：
zz0;pp0;cz0p0 9
pp0(z0 z)
pp0 h（2-11）
二、几种质量力同时作用
取坐标研究，液体相对于坐标及 处于平衡状态。属相对静止。
第二章
1
《水力学》精品课程多媒体课件
§2-1 静水压强及特性
一、静水压强定义
lim
A0
P A
N/m2 (Pa) KN/m2 (KPa)
二、特性
1、垂直指向作用面
Ⅰ
N
N
Ⅱ
Ⅱ
2、任意点上各方向p相等
用牛顿第二定律证明
F=0
① 说明该性质的含义（结合图形）
2
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则该点存在真空，又称“负
压”真空度：pv pa p'
理论上：pv pa 实际中达不到。
真空高度：h v
pv
16
《水力学》精品课程多媒体课件
理论上：hv=10m；实际上：hv=7~8m 举例：
讨论分布规律：
p 2r2
（2-13）式变形为
z （2-14）
r 2g
等压面方程： 2r 2 z c
2g
可见等压面为旋转抛物面，自由面亦为等压
面，其上p=0。自由液面方程：
12
2r2
z
（2-15）
2g
《水力学》精品课程多媒体课件
由（2-15）式可知： 2 r 2
2g
表示A点处自由面高出x0y平面的
dpd(g)
积分得：
pzc（2-10）
d(z p) 0
积分得 :zp c
说明：在重力作用下，均质不可压缩液体中，各点的
(z p ) 值相等。
在自由面上：
zz0;pp0;cz0p0 9
pp0(z0 z)
pp0 h（2-11）
二、几种质量力同时作用
取坐标研究，液体相对于坐标及 处于平衡状态。属相对静止。
水力学课件
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。
Px Pn cos(n, x) F x 0 Py Pn cos(n, y) F y 0 Pz Pn cos(n, z) F z 0
Z D Pn Px A Py C
O B Pz X
Y
第一式中
P cos(n, x) p • s •cos(n, x)
n
n
p • 1 y • z
n2
第二章 水静力学
Z D Pn Px A Py C
O B Pz X
Y
第二章 水静力学
四面体的体积 V为
Z D Pn Px A Py
V
1
6
x
•
y
•z
C
O B Pz X
Y
总质量力在三个坐标方向的投影为
Fx
1 6
•
x • y
• z X
Fy
1 6
•
x • y
• z Y
Fz
1 6
•
x • y
• z
Z
第二章 水静力学
按照平衡条件，所有作用于微 小四面体上 的外力在各坐标轴 上投影的代数和应分别为零
p n
第二章 水静力学
这样我们可以得到：
p x
p y
p z
p n
上式表明任一点的静水压强 p是
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。
Px Pn cos(n, x) F x 0 Py Pn cos(n, y) F y 0 Pz Pn cos(n, z) F z 0
Z D Pn Px A Py C
O B Pz X
Y
第一式中
P cos(n, x) p • s •cos(n, x)
n
n
p • 1 y • z
n2
第二章 水静力学
Z D Pn Px A Py C
O B Pz X
Y
第二章 水静力学
四面体的体积 V为
Z D Pn Px A Py
V
1
6
x
•
y
•z
C
O B Pz X
Y
总质量力在三个坐标方向的投影为
Fx
1 6
•
x • y
• z X
Fy
1 6
•
x • y
• z Y
Fz
1 6
•
x • y
• z
Z
第二章 水静力学
按照平衡条件，所有作用于微 小四面体上 的外力在各坐标轴 上投影的代数和应分别为零
p n
第二章 水静力学
这样我们可以得到：
p x
p y
p z
p n
上式表明任一点的静水压强 p是
水力学全套课件
明渠流动状态及判别标准
流动状态
明渠流动根据弗劳德数$Fr$的大小，可分 为缓流、临界流和急流三种状态。
VS
判别标准
当$Fr < 1$时，为缓流状态；当$Fr = 1$ 时，为临界流状态；当$Fr > 1$时，为急 流状态。其中，$Fr = frac{V}{sqrt{g times h}}$，$g$为重力加速度，$h$为水 深。
重力作用下液体平衡的应用 用于求解液体内部任一点的压强、等压面的形状等问题。
液体的相对平衡
液体的相对平衡的概念
当液体内部某点的压强发生变化时，其周围各点的压强也会相应 变化，但液体仍能保持平衡状态。
液体相对平衡的原理
基于帕斯卡原理，即密闭容器内液体任一点的压强变化将等值地传 递到液体各点。
液体相对平衡的应用
注意事项
需考虑管道阻力、水泵扬程和节点流量等因素对网络水力 计算的影响。同时，对于大型复杂的网络系统，可能需要 借助专业的水力计算软件进行求解。
06
明渠恒定流
明渠流动的特点与分类
特点
明渠流动是液体在重力作用下，具有自由表面的流动；流动过程中，液体质点不断 与空气接触并交换能量。
分类
根据流动状态，明渠流动可分为均匀流和非均匀流；根据水力要素是否随时间变化， 可分为恒定流和非恒定流。
用于解释和计算液体内部压强的变化、传递等问题。
液体作用在平面上的总压力
液体作用在平面上的总压力的概念
液体作用在某一平面上的合力称为总压力。
总压力的计算方法
通过求解液体对平面的压强分布积分得到总压力。
总压力的应用
用于计算液体对容器壁、闸门等结构的作用力。
液体作用在曲面上的总压力
01
水力学课件
03
智能化与自动化技术
智能传感器、机器学习、自动化监测等技术的应用，提高了水力学研究
的效率和精度，为水资源管理和防洪减灾提供了有力支持。
水资源短缺与水灾害问题
水资源短缺
随着全球人口的增长和经济的发展，水资源的需求日益增加 ，而可利用的水资源却日益匮乏，这给人类社会的发展带来 了严峻的挑战。
水灾害
自然灾害中，洪水、暴雨等水灾害频繁发生，给人类生命财 产安全带来了严重威胁，如何有效防范和应对水灾害是当前 亟待解决的问题。
水力学课件
• 水力学基础知识 • 水力学的基本原理 • 水力学的研究方法 • 水工建筑物的水力学 • 水污染与防治 • 水力学的发展趋势与挑战
01
水力学基础知识
水力学的发展史
01
02
03
古代水力学
古代文明中对水的利用和 认识，如灌溉、水利工程 、船舶航行等。
近代水力学
19世纪末至20世纪初，水 力学作为一门独立的学科 ，研究内容偏向于水流的 基本规律和工程应用。
水污染的来源
水污染的来源主要包括工业废水 、生活污水、农业污水、固体弃
废物渗滤液等。
水污染的危害
水污染可导致饮用水水质恶化， 引发传染病暴发，破坏水生生态 系统，影响渔业和农业产量等问
题。
水污染防治技术
污水处理技术
包括物理处理、化学处理、生物处理等。
污废水回用技术
包括膜分离技术、逆渗透技术、离子交换技术等 。
现代水力学
20世纪中期至今，水力学 研究领域不断扩展，包括 水流的动力学、水环境、 水生态等方面。
水的性质与运动形态
水的物理性质
包括密度、粘度、表面张力等， 影响水的运动和相互作用。
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§2.6 作用于曲面上的静水总压力
实际工程中有许多受压面都是曲面，如 弧形闸门，拱坝的挡水面等，而以母线 水平的二向曲面最为多见，且较为简单， 因此，我们首先分析作用在二向曲面上 的静水总压力的大小、方向和作用点。 所得结论也可推广于三向曲面。
一、静水总压力大小
作用于曲面上的静水总压力P由水平分力Px和垂 直分力Pz组成；
欧拉法把运动要素表示成空间坐标x、y、z和t的函数。
如：任一空间液体质点速度u在x、y、z方向的分量可以表示
成：
uuyx
Байду номын сангаас
ux (x, uy (x,
y, z,t) y, z,t)
uz uz (x, y, z,t)
x,y,z,t称为欧拉变数。
欧拉法
若t为常数，就描述了任意时刻各空间的流速组成的流速场；如x、y、 z是常数、t为变量，就描述了该空间上流速随时间的变化规律。
浮体的稳定性
由以上讨论知，要使船舶行驶是安全的，必须使其保持稳 定平衡，也就是说，重心C必须在定倾中心M点以下，即 m﹥e（或定倾高度m-e是正值）。
当船体倾角小于15°时：
m I0 V
I 0 ——浮面面积对其纵轴惯性矩；
V——船体的排水体积。
浮轴
稳定性概念 稳定性
第三章 液体一元恒定总流基本原理
§3.1概述
在自然界和工程实践中，液体常处于运动
状态，尽管液体的运动状态十分复杂，但液 体运动仍然遵循物体机械运动的普遍规律。
运动要素：表征液体运动的物理量称为运动
要素，如速度、加速度、动水压强等。 水动力学的基本任务就是研究这些运动要
素随时间和空间的变化规律。
§3.2 描述液体运动的两种方法
拉格朗日法（是跟追踪质点的一种方法）：
浮体的稳定性
图
当重心C低于浮心B时，船体处稳定平衡；(见 P55,2.31(b))
当重心C高于浮心B时：
定倾中心M高于重心C，处稳定平衡；(见 P56,2.32(b))
定倾中心M低于重心C，船体处不稳定平衡；(见 P56,2.32(C))
定倾中心M与重心C重合，G与不会形成力矩， 处随遇平衡。
ux
u y
uz
x
t y
t z
t
x(a, b, c, t )
t y(a, b, c, t )
t z (a, b, c, t )
t
3、加速度a（速度对时间t的一阶导数）
ax
ay
az
ux
t u y
t uz
t
2x
t 2 2 y
t 2 2z
t 2
欧拉法
欧拉法（属研究场的方法）
是研究液体质点通过各空间点时的运动特性。并不注重通 过这个空间的究竟是哪个质点以及该质点从哪里来到哪里去。
例：2.7，2.8，2.9。（P50~52）
§2.7 浮力和浮体的稳定
早在初中我们即已学过阿基米德定律— —物体在静止液体中所受浮力大小等于它所 排开的同体积的液体的重量（也适用于几何 形状不规则的物体和部分浸于液体中的情 况）。
浮力——物体受到的静水总压力 浮心——浮力作用线必然通过被物体所 排开液体体积的中心（即物体浸没部分分的 中心），此中心称为浮心。
注意：压力体的体积V是可以计算Pz的一块体积，而 不论液体位于曲面那一侧及压力体内是否有液体。
求水得总压Px力和为P：z 后按力的合成原理，作用于曲面上的静
P Px2 Pz2
静水总压力的作用方向
静水总压力的作用方向
P与水平面的夹角为
tan Pz
静水总压力作用点
Px
由 Px和 Pz作用线的交点m引一与水平面夹角 为 的线与曲面交点即为所求作用点。
以液体中每一个质点为研究对象，跟踪质点，把它们在运动中的状态记 录下来，从而得出整个液体的运动情况。
1、选取一座标系，初始时刻，液体质点的起始坐标为（a,b,c），不 同质点对应不同的a、b、c，当赋予a、b、c为一组确定值后，表示所跟踪 质点确定下来，由于质点是运动的，所以任一时刻t质点在空间所处的位 置还与时间t有关系。
质点的加速度等于速度对时间的全导数，因为位置坐标（x、y、z）也
是t的函数。因此u是t的复函数，按复函数的求导法，则：
ax
dux dt
u t
ux x
dx dt
ux y
dy dt
ux z
dz dt
ux t
ux
ux x
uy
ux y
uz
ux z
同理：
ay
u y t
§2.7 浮力和浮体的稳定
浮心与重心不一定重合，只有当物体为均 质物体，而且整个物体都浸没在水中时，浮 心才与重心重合。
浮力与重力大小对比关系：
1、 Pz > G ； 2、 Pz = G ； 3、 Pz < G 。
浮体的稳定性
设计船舶、舰艇时，不但要求能浮在水 面上，而且要求有一定的稳定性，即船 舶受外力作用而倾斜后，有恢复到原来 平衡位置的能力。现以船舶的平衡状态 受到干扰后的情况，说明浮体稳定性的 判别：
浮体的稳定性
图
船体处于平衡状态时，作用力有：
G —— 船体自重及货物重量总和，作用线通 过船体及荷载总和的形心C
Pz —— 浮力，作用线通过浮心B。
G与 Pz大小相等、方向相反，作用于同一铅垂 线上，通过B和C的铅垂线O—O称为浮轴。
浮体的稳定性
图
当船体受到外力干扰发生倾斜后， 重由于力排G与开浮水力的p形z以状及发重生心改C变不，变浮，心但由是原 来的B移至B’, 过B’ 做一条铅垂轴交 浮轴于M点，该点称为定倾中心，BM 称为定倾半径，以m表示。浮心与重心 距离BC以e表示，称CM（m-e)为定倾 高度。
水平分力Px等于作用在该曲面的铅垂投影面积上 的静水总压力。二项曲面的铅直投影面是矩形平 面，故静水总压力的水平分力的大小、方向和作 用点可用前述解析法和压力图解法解。
铅的垂 重分 量力，其PZ等作于用该线曲通面过上压的力压体力的体重所心包，含方的向液铅体直 指向受压面。
压力体的绘制
压力体曲面由下列各面围成： 曲面本身； 通过曲面边界的铅垂面； 自由液面或其延长。
即质点在空间的坐标x、y、z
x x(a,b,c,t)
y
y(a, b, c, t )
式中a,b,c，t为拉格朗日变数z z(a,b, c,t)
若a,b,c为常量，t为变量，得出跟踪质点的运动轨迹，若t为常数， a,b,c为变量，得出的是t时刻各个质点在空间的分布情况。
拉格朗日法
2、速度u（质点坐标对时间t的一阶导数）
实际工程中有许多受压面都是曲面，如 弧形闸门，拱坝的挡水面等，而以母线 水平的二向曲面最为多见，且较为简单， 因此，我们首先分析作用在二向曲面上 的静水总压力的大小、方向和作用点。 所得结论也可推广于三向曲面。
一、静水总压力大小
作用于曲面上的静水总压力P由水平分力Px和垂 直分力Pz组成；
欧拉法把运动要素表示成空间坐标x、y、z和t的函数。
如：任一空间液体质点速度u在x、y、z方向的分量可以表示
成：
uuyx
Байду номын сангаас
ux (x, uy (x,
y, z,t) y, z,t)
uz uz (x, y, z,t)
x,y,z,t称为欧拉变数。
欧拉法
若t为常数，就描述了任意时刻各空间的流速组成的流速场；如x、y、 z是常数、t为变量，就描述了该空间上流速随时间的变化规律。
浮体的稳定性
由以上讨论知，要使船舶行驶是安全的，必须使其保持稳 定平衡，也就是说，重心C必须在定倾中心M点以下，即 m﹥e（或定倾高度m-e是正值）。
当船体倾角小于15°时：
m I0 V
I 0 ——浮面面积对其纵轴惯性矩；
V——船体的排水体积。
浮轴
稳定性概念 稳定性
第三章 液体一元恒定总流基本原理
§3.1概述
在自然界和工程实践中，液体常处于运动
状态，尽管液体的运动状态十分复杂，但液 体运动仍然遵循物体机械运动的普遍规律。
运动要素：表征液体运动的物理量称为运动
要素，如速度、加速度、动水压强等。 水动力学的基本任务就是研究这些运动要
素随时间和空间的变化规律。
§3.2 描述液体运动的两种方法
拉格朗日法（是跟追踪质点的一种方法）：
浮体的稳定性
图
当重心C低于浮心B时，船体处稳定平衡；(见 P55,2.31(b))
当重心C高于浮心B时：
定倾中心M高于重心C，处稳定平衡；(见 P56,2.32(b))
定倾中心M低于重心C，船体处不稳定平衡；(见 P56,2.32(C))
定倾中心M与重心C重合，G与不会形成力矩， 处随遇平衡。
ux
u y
uz
x
t y
t z
t
x(a, b, c, t )
t y(a, b, c, t )
t z (a, b, c, t )
t
3、加速度a（速度对时间t的一阶导数）
ax
ay
az
ux
t u y
t uz
t
2x
t 2 2 y
t 2 2z
t 2
欧拉法
欧拉法（属研究场的方法）
是研究液体质点通过各空间点时的运动特性。并不注重通 过这个空间的究竟是哪个质点以及该质点从哪里来到哪里去。
例：2.7，2.8，2.9。（P50~52）
§2.7 浮力和浮体的稳定
早在初中我们即已学过阿基米德定律— —物体在静止液体中所受浮力大小等于它所 排开的同体积的液体的重量（也适用于几何 形状不规则的物体和部分浸于液体中的情 况）。
浮力——物体受到的静水总压力 浮心——浮力作用线必然通过被物体所 排开液体体积的中心（即物体浸没部分分的 中心），此中心称为浮心。
注意：压力体的体积V是可以计算Pz的一块体积，而 不论液体位于曲面那一侧及压力体内是否有液体。
求水得总压Px力和为P：z 后按力的合成原理，作用于曲面上的静
P Px2 Pz2
静水总压力的作用方向
静水总压力的作用方向
P与水平面的夹角为
tan Pz
静水总压力作用点
Px
由 Px和 Pz作用线的交点m引一与水平面夹角 为 的线与曲面交点即为所求作用点。
以液体中每一个质点为研究对象，跟踪质点，把它们在运动中的状态记 录下来，从而得出整个液体的运动情况。
1、选取一座标系，初始时刻，液体质点的起始坐标为（a,b,c），不 同质点对应不同的a、b、c，当赋予a、b、c为一组确定值后，表示所跟踪 质点确定下来，由于质点是运动的，所以任一时刻t质点在空间所处的位 置还与时间t有关系。
质点的加速度等于速度对时间的全导数，因为位置坐标（x、y、z）也
是t的函数。因此u是t的复函数，按复函数的求导法，则：
ax
dux dt
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ux x
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ux y
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ux z
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ux t
ux
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uy
ux y
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同理：
ay
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§2.7 浮力和浮体的稳定
浮心与重心不一定重合，只有当物体为均 质物体，而且整个物体都浸没在水中时，浮 心才与重心重合。
浮力与重力大小对比关系：
1、 Pz > G ； 2、 Pz = G ； 3、 Pz < G 。
浮体的稳定性
设计船舶、舰艇时，不但要求能浮在水 面上，而且要求有一定的稳定性，即船 舶受外力作用而倾斜后，有恢复到原来 平衡位置的能力。现以船舶的平衡状态 受到干扰后的情况，说明浮体稳定性的 判别：
浮体的稳定性
图
船体处于平衡状态时，作用力有：
G —— 船体自重及货物重量总和，作用线通 过船体及荷载总和的形心C
Pz —— 浮力，作用线通过浮心B。
G与 Pz大小相等、方向相反，作用于同一铅垂 线上，通过B和C的铅垂线O—O称为浮轴。
浮体的稳定性
图
当船体受到外力干扰发生倾斜后， 重由于力排G与开浮水力的p形z以状及发重生心改C变不，变浮，心但由是原 来的B移至B’, 过B’ 做一条铅垂轴交 浮轴于M点，该点称为定倾中心，BM 称为定倾半径，以m表示。浮心与重心 距离BC以e表示，称CM（m-e)为定倾 高度。
水平分力Px等于作用在该曲面的铅垂投影面积上 的静水总压力。二项曲面的铅直投影面是矩形平 面，故静水总压力的水平分力的大小、方向和作 用点可用前述解析法和压力图解法解。
铅的垂 重分 量力，其PZ等作于用该线曲通面过上压的力压体力的体重所心包，含方的向液铅体直 指向受压面。
压力体的绘制
压力体曲面由下列各面围成： 曲面本身； 通过曲面边界的铅垂面； 自由液面或其延长。
即质点在空间的坐标x、y、z
x x(a,b,c,t)
y
y(a, b, c, t )
式中a,b,c，t为拉格朗日变数z z(a,b, c,t)
若a,b,c为常量，t为变量，得出跟踪质点的运动轨迹，若t为常数， a,b,c为变量，得出的是t时刻各个质点在空间的分布情况。
拉格朗日法
2、速度u（质点坐标对时间t的一阶导数）