《水力学》第四章 有压管中的恒定流.
水力学基本概念
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。
工程流体水力学第四章习题答案
第四章 理想流体动力学和平面势流答案4－1 设有一理想流体的恒定有压管流，如图所示。
已知管径1212d d =，212d D =，过流断面1-1处压强p 1>大气压强p a 。
试按大致比例定性绘出过流断面1-1、2-2间的总水头线和测压管水头线。
解：总水头线、测压管水头线，分别如图中实线、虚线所示。
4－2 设用一附有液体压差计的皮托管测定某风管中的空气流速，如图所示。
已知压差计的读数h ＝150mmH 2O ，空气的密度ρa =1.20kg/m 3，水的密度ρ =1000kg/m 3。
若不计能量损失，即皮托管校正系数c =1，试求空气流速u 0。
解：由伯努利方程得2002s a a p u p g g gρρ+= 00a 2()s p p u g gρ-=（1） 式中s p 为驻点压强。
由压差计得 0s p gh p ρ+=0s p p gh ρ-= （2）联立解（1）（2）两式得0a a 10002229.80.15m/s 49.5m/s 1.2gh h u gg g ρρρρ===⨯⨯⨯= 4－3 设用一装有液体（密度ρs =820kg/m 3）的压差计测定宽渠道水流中A 点和B 点的流速，如图所示。
已知h 1 =1m ，h 2 =0.6m ，不计能量损失，试求A 点流速u A 和B 点流速u B 。
水的密度ρ =1000kg/m 3。
解：（1）1229.81m/s 4.427m/s A u gh ==⨯⨯= （2）由伯努利方程可得22A AA u p h g gρ+= （1）22B BB u p h g gρ+= （2）式中A h 、A p 和B h 、B p 分别为A 点和B 点处的水深和驻点压强。
由（1）、（2）式可得2222A B A BA B p p u u h h g g gρ-=+-- （3） 由压差计得，22ρρρρ--++=A A s B B p gh gh gh gh p ，所以220.82A BA B p p h h h h gρ-=+-- (4) 由（3）式、（4）式得2222 4.427(10.82)0.6(10.82)0.8922229.8B A u u h g g =--=--=⨯ 29.80.892m/s 4.18m/s B u =⨯⨯=。
有压管中的恒定流PPT课件
v
1
dl
2gz0
通过管道的流量： QcA 2gz0
流量系数
c
1
l d
它反映了沿程阻力和局部阻力对管道输水
能力的影响。
z0 ——作用水头，指上、下游水位差加上 游行进流速的流速水头。
——局部阻力系数，包含出口损失
出口1
以上讨论中同时考虑了管道的沿程损失及 局部水头损失，是按短管计算的情况。
若局部水头损失及流速水头可以忽略,按长
例：用虹吸管自钻井输水至集水池。虹吸 管长l=lAB+lBC=30+40=70m，
d=200mm。钻井至集水池间的恒定水位 高差H=1.60m。又已知λ=0.03，管路进
口120°弯头90°弯头及出口处的局部阻力 系数分别为：
ζ1=0.5，ζ2=0.2，ζ3=0.5，ζ4=1.0。
（试1）求流: 经虹吸管的流量；
五、对于一个已知管道尺寸、水头和流量 的管道，要求确定管道各断面压强的大小
根据能量方程，管路中任意断面处 的测压管水头为：
p
v2
(z)i H0(hf hj)0i2g
即管路中任意断面i处的测压管水头等于总水头
H0减去该断面以前的沿程水头损失与局部水头损 失，再减去该断面的流速水头。把各断面的测压
管水头连接起来，就得到整个管路的测压管水头
第6章 有压管中的恒定流
水力学及河流动力学
以上各章中讨论了液体运动的基本规 律，导出了水力学的基本方程——连续 方程、能量方程及动量方程，并阐述了 水头损失的计算方法，应用这些基本原 理即可研究解决工程中常见的水力计算 问题，如有压管道中的恒定流、明渠恒 定流及水工建筑物的水力计算等。本章 讨论的重点是有压管中恒定流的水力计 算。
《水力学课后习题答案第四版(吴持恭)
水力学课后习题答案0 绪论0.1 ρ＝816.33kg/m 3 0.2 当y =0.25H 时Hu dy dum 058.1≈ 当y=0.5H 时Hu dy dum 84.0≈ 0.4 f = g0.5 h 的量纲为[L] 0.6 F f ＝184N0.7 K=1.96×108N/m 2 dp=1.96×105N/m 21 水静力学1.1 Pc=107.4KN/m 2 h=0.959m1.2 P B -P A =0.52KN/m 2 P AK =5.89KN/m 2 P BK =5.37KN/m 21.3 h 1=2.86m h 2=2.14m 内侧测压管内油面与桶底的垂距为5m ，外侧测压管内油面与桶底的垂距为4.28m 。
1.4 Pc=27.439KN/m 2 1.5 P M =750.68h KN/m 2 1.6 P 2-p 1=218.05N/m 21.7 γ=BA Br A r B A ++1.8 P=29.53KN 方向向下垂直底板 P ＝0 1.9 W=34.3rad/s W max =48.5rad/s1.10 a=Lh H g )(2-1.12 当下游无水 P ξ=3312.4KN(→) P 2=862.4KN(↓)当下游有水 P ξ=3136KN(→) P 2=950.6KN(↓) 1.13 T=142.9KN1.14 当h 3=0时T=131.56KN 当h 3=h 2=1.73m 时 T ＝63.7KN 1.15 0－0转轴距闸底的距离应为1.2m1.16 P=4.33KN L D =2.256m(压力中心距水面的距离) 1.17 P=567.24KN1.19 P ＝45.54KN 总压力与水平方向夹角φ＝14º28´ 1.20 P ξ=353KN P ζ=46.18KN 方向向下 1.21 H=3m 1.22 δ=1.0cm 1.23 F=25.87KN (←)2 液体运动的流束理论2.1 Q=211.95cm 3/s V ＝7.5cm/s 2.2 h w =3.16m 2.3γ2p =2.35m2.4 P K 1=63.8KN/m 2 2.5 Q=0.00393m 3/s 2.6 Q=0.0611m 3/s 2.7 μ=0.985 2.8 Q=0.058m 3/s2.9 S 点相对压强为－4.9N ／cm 2，绝对压强为4.9N/cm 2 2.10 V 3=9.9m/s Q=0.396m 3/s 2.11 R ξ=391.715KN(→)2.12 R=3.567KN 合力与水平方向夹角β＝37º8´ 2.13 R ξ=98.35KN(→) 2.14 R ξ=2988.27KN(→) 2.15 R ξ=1.017KN(←) 2.16 R ξ =153.26KN(→)2.17 α=2 34=β2.18 F=Rmv 22.19 Q=g 2μH 2.5 2.20 F=C d L222ρμ2.21 m p A44.2=γm p B44.4=γ2.22 Q 1=+1(2Q cos )α )cos 1(22α-=QQ 2.23 R=2145KN α=54º68´ 2.24 m=3.12kg2.25 T 充＝24分34秒 T 放＝23分10秒3. 液流型态及水头损失3.1 d 增加，Re 减小 3.2 R e =.8>2000 紊流 3.3 R e =64554>500紊流 3.4 cm 0096.00=δ 3.5320=u v 当时v u x = h y m 577.0≈ 3.6 Q3min1654.0m =/s 20/24.33m N =τ3.7 当Q=5000cm 3/s 时，Re=19450紊流2.00=∆δ 光滑管区027.0=λ当Q ＝20000cm 3/s 时 Re=78200紊流775.00=∆δ 过渡粗糙区026.0=λ当Q ＝cm 3/s 时 Re=紊流1.70=∆δ 粗糙区 023.0=λ若l ＝100m 时Q ＝5000 cm 3/s 时 h f =0.006m Q=2000 cm 3/s 时 h f =0.09m Q ＝ cm 3/s 时 h f =7.85m 3.8 λ＝0.042 3.9 n=0.011 3.10 ξ=0.29 3.11 Q=0.004m 3/s 3.12 ∆h=0.158m 3.13 Z=11.1m3.14 ξ=24.74 有压管中的恒定流4.1 当n=0.012时Q=6.51 m3/s 当n=0.013时Q=6.7m3/s当n=0.014时Q=6.3 m3/s4.2 当n=0.0125时Q=0.68 m3/s 当n=0.011时Q=0.74 m3/s当n=0.014时Q=0.62 m3/s=0.0268 m3/s Z=0.82m4.3 Qm ax4.4 当n=0.011时H=7.61 m 当n=0.012时H=7.0 m4.5 H t=30.331m=5.1m4.6 n取0.012 Q=0.5 m3/s hm axv＝21.5m水柱高4.7 n取0.0125时HA4.8 Q1=29.3L/s Q2=30.7L/s ∇=135.21m4.9 H=0.9m4.10 Q2=0.17 m3/s Q3=0.468 m3/s4.11 Q1=0.7 m3/s Q2=0.37 m3/s Q3=0.33 m3/s4.12 H1=2.8m=10.57KN/m24.13 Q=0.0105 m3/s PB4.14 Q1=0.157 Q25 明渠恒定均匀流5.1 V=1.32m/s Q=0.65 m3/s5.2 Q=20.3 m3/s5.3 Q=241.3 m3/s5.4 h=2.34m5.5 h=1.25m5.6 b=3.2m5.7 b=71m V=1.5 m/s大于V不冲＝1.41 m/s 故不满足不冲流速的要求5.8 当n=0.011时i=0.0026 ∇=51.76m当n=0.012时i=0.0031 当n=0.013时i=0.0036当n=0.014时i=0.00425.9 i=1/3000 V=1.63m/s<V允满足通航要求5.10 n=0.02 V=1.25m/s5.11 当n=0.025时b=7.28m h=1.46m当n=0.017时b=6.3m h=1.26m当n=0.03时b=7.8m h=1.56m5.12 h f=1m5.13 Q=4.6 m3/s5.14 Q=178.2m3/s5.15 h m=2.18m b m=1.32m i=0.000365.162∇=119.87m Q1=45.16m3/s Q2=354.84 m3/s6 明渠恒定非均匀流6.1 V w=4.2m/s Fr=0.212 缓流6.2 h k1=0.47m h k2=0.73m h01=0.56m> h k1缓流h02=0.8m> h k2缓流6.3 h k=1.56m V k=3.34m/s V w=5.86m/s h k > h0缓流V w>V缓流6.5 i K=0.00344> i缓坡6.7 L很长时，水面由线为C0、b0 b2型。
有压管道恒定流
第四章 有压管道恒定流第一节 概述前面我们讨论了水流运动的基本原理,介绍了水流运动的三大方程,水流形态和水头损失,从第五章开始,我们进入实用水利学的学习,本章研究有压管道的恒定流.一. 管流的概念1.管流是指液体质点完全充满输水管道横断面的流动，没有自由水面存在。
2.管流的特点.①断面周界就是湿周，过水断面面积等于横断面面积；②断面上各点的压强一般不等于大气压强，因此，常称为有压管道。
③一般在压力作用而流动.1.根据出流情况分自由出流和淹没出流管道出口水流流入大气，水股四周都受大气压强作用，称为自由出流管道。
管道出口淹没在水面以下，则称为淹没出流。
2.根据局部水头损失占沿程水头损失比重的大小，可将管道分为长管和短管。
在管道系统中，如果管道的水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重很小（占沿程水头损失的5%～10%以下），在计算中可以忽略，这样的管道称为长管。
否则，称为短管。
必须注意，长管和短管不是简单地从管道长度来区分的，而是按局部水头损失和流速水头所占比重大小来划分的。
实际计算中，水泵装置、水轮机装置、虹吸管、倒虹吸管、坝内泄水管等均应按短管计算；一般的复杂管道可以按长管计算。
3. 根据管道的平面布置情况，可将管道系统分为简单管道和复杂管道两大类。
简单管道是指管径不变且无分支的管道。
水泵的吸水管、虹吸管等都是简单管道的例子。
由两根以上管道组成的管道系统称为复杂管道。
各种不同直径管道组成的串联管道、并联管道、枝状和环状管网等都是复杂管道的例子。
工程实践中为了输送流体，常常要设置各种有压管道。
例如，水电站的压力引水隧洞和压力钢管，水库的有压泄洪洞和泄洪管，供给城镇工业和居民生活用水的各种输水管网系统，灌溉工程中的喷灌、滴灌管道系统，供热、供气及通风工程中输送流体的管道等都是有压管道。
研究有压管道的问题具有重要的工程实际意义。
有压管道水力计算的主要内容包括：①确定管道的输水能力；②确定管道直径；③确定管道系统所需的总水头；④计算沿管线各断面的压强。
有压管道恒定流
第四章 有压管道恒定流第一节 概述前面我们讨论了水流运动的基本原理,介绍了水流运动的三大方程,水流形态和水头损失,从第五章开始,我们进入实用水利学的学习,本章研究有压管道的恒定流.一. 管流的概念1.管流是指液体质点完全充满输水管道横断面的流动，没有自由水面存在。
2.管流的特点.①断面周界就是湿周，过水断面面积等于横断面面积；②断面上各点的压强一般不等于大气压强，因此，常称为有压管道。
③一般在压力作用而流动.1.根据出流情况分自由出流和淹没出流管道出口水流流入大气，水股四周都受大气压强作用，称为自由出流管道。
管道出口淹没在水面以下，则称为淹没出流。
2.根据局部水头损失占沿程水头损失比重的大小，可将管道分为长管和短管。
在管道系统中，如果管道的水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重很小（占沿程水头损失的5%～10%以下），在计算中可以忽略，这样的管道称为长管。
否则，称为短管。
必须注意，长管和短管不是简单地从管道长度来区分的，而是按局部水头损失和流速水头所占比重大小来划分的。
实际计算中，水泵装置、水轮机装置、虹吸管、倒虹吸管、坝内泄水管等均应按短管计算；一般的复杂管道可以按长管计算。
3. 根据管道的平面布置情况，可将管道系统分为简单管道和复杂管道两大类。
简单管道是指管径不变且无分支的管道。
水泵的吸水管、虹吸管等都是简单管道的例子。
由两根以上管道组成的管道系统称为复杂管道。
各种不同直径管道组成的串联管道、并联管道、枝状和环状管网等都是复杂管道的例子。
工程实践中为了输送流体，常常要设置各种有压管道。
例如，水电站的压力引水隧洞和压力钢管，水库的有压泄洪洞和泄洪管，供给城镇工业和居民生活用水的各种输水管网系统，灌溉工程中的喷灌、滴灌管道系统，供热、供气及通风工程中输送流体的管道等都是有压管道。
研究有压管道的问题具有重要的工程实际意义。
有压管道水力计算的主要内容包括：①确定管道的输水能力；②确定管道直径；③确定管道系统所需的总水头；④计算沿管线各断面的压强。
水力学基本概念
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。
2 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）4 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。
7 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。
8 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9 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。
《水力学》课程复习思考题
《水力学》课程复习思考题《水力学》课程复习思考题绪论1、什么叫水力学？2、水力学的基本原理和计算方法是否只适用于水？3、水利工程中经常遇到的水力学问题有哪些？4、为什么说水力学是水利类各专业一门重要的技术基础课？5、水力学的发展简史主要经历可那几个阶段？6、水力学的正确研究方法是什么？7、水力学中实验观测方法主要有哪三个方面？8、近代水力学的系统理论是怎样建立的？9、水力学中液体的基本特征是什么？10、引入连续介质假定的意义是什么？11、液体质点有何特点？12、为什么说研究液体的物理性质是研究液体机械运动的出发点?13、密度是如何定义的？它随温度和压强如何变化？14、容重是如何定义的？它随哪些因素变化？15、比重的概念？16、密度和容重之间有何关系？17、水力学中，水的密度、容重计算值是如何确定的？18、何谓液体的粘滞性？其主要成因是什么？它对液体的运动有何意义？19、牛顿内摩擦定律的内容是什么？20、空气与水的动力粘滞系数随温度的变化规律是否相同？试解释原因。
21、试证明粘滞切应力与剪切变形角速度成正比？22、何谓牛顿流体？非牛顿流体包括那几类？23、表面张力的概念？其产生的原因是什么？24、为什么较细的玻璃管中的水面呈凹面，而水银则呈凸面？并且水会形成毛管上升，而水银则是毛管下降？25、试证明每增加一个大气压，水的体积只缩小二万分之一？26、理想液体和实际液体有何区别？27、静止液体是否具有粘滞性?28、液体内摩擦力与固体内摩擦力在性质上有何区别？29、运动液体与固体边界之间存在摩擦吗？30、作用于液体上的力按表现形式可以分为几类？各是什么？按物理性质又可分为哪些？第一章水静力学1、水静力学的任务是什么？2、为什么可以应用理论力学中的刚体平衡规律来研究水静力学？3、研究水静力学的目的有哪些？4、静水压力的特性是什么？试加以证明。
5、液体静力学基本方程的推导及各种表达形式的意义？6、什么是等压面？重力作用下等压面必须具备的充要条件是什么？7、什么是绝对压强、相对压强、真空及真空度？8、Cpz=+γ中的p是绝对压强还是相对压强？9、常用的压强量测仪器有哪些？10、压强的表示方法有几种？其换算关系怎样？11、从能量观点说明Cpz=+γ的意义？12、绘制压强分布图的理论依据及其绘制原则是什么？13、压强分布图的斜率等于什么？什么情况下压强分布图为矩形？14、作用于平面上静水总压力的求解方法有哪些？各适用于什么情况？15、怎样确定平面静水总压力的大小、方向及作用点？16、在什么情况下，压力中心与受压面形心重合？17、压力体由哪几部分组成？压力体内有水还是无水，对静水总压力沿铅垂方向分力的大小和方向有何影响？18、曲面静水总压力的大小、方向、作用点如何确定？19、二向曲面静水总压力的计算方法如何推广的空间曲面？20、水静力学的全部内容对理想液体和实际液体都适用吗？第二章液体运动的流束理论1、简述拉格朗日法和欧拉法的基本内容？2、拉格朗日变数和欧拉变数各指什么？3、何谓恒定流与非恒定流？举例说明。
土木工程师-专业基础(水利水电)-水力学-有压管中恒定均匀流计算
土木工程师-专业基础（水利水电）-水力学-有压管中恒定均匀流计算[单选题]1.如图1-4-1所示为坝身下部的三根泄水管a、b、c，其管径、管长、上下游水位差均相同，则流量最小的是（（江南博哥））。
[2014年真题]图1-4-1A.a管B.b管C.c管D.无法确定正确答案：A参考解析：忽略速度水头进行计算。
三根泄水管中a管为自由出流，其流量计算公式为：式中，μc为管道流量系数，即b、c管为淹没出流，其流量计算公式为：式中，流量系数μc的计算公式为：短管在自由出流和淹没出流的情况下，流量系数计算公式虽然形式上不同，但是，在管道其他参数及布置完全相同的条件下，流量系数的数值是相等的。
因为在淹没出流时，μc的计算公式中的分母根号式下虽然比自由出流情况下少了一项l，但淹没出流的∑ζ项却比自由出流的∑ζ项多了一个出口局部水头损失系数ζ出，在淹没出流情况下，若下游水池较大，出口局部水头损失系数ζ出＝1.0。
因此其他条件相同时，流量系数μc实际上是相等的。
需注意的是两者的水头不同。
自由出流时总水头是上游水面至管道出口断面中心的距离；淹没出流时总水头是上下游水位差。
因此a管的作用水头最小，流量最小。
[单选题]2.三根等长、等糙率的并联管道，沿程水头损失系数相同，直径d1:d2:d3＝1:1.5:2，则通过的流量比Q1:Q2:Q3为()。
[2017年真题]A.1:2.25:4B.1:2.756:5.657C.1:2.948:6.349D.1:3.75:8正确答案：C参考解析：并联管道分流点与汇流点之间各管段水头损失皆相等。
根据：hf＝S0Q2l；R＝d/4，列出比式，得：Q1:Q2:Q3＝d18/3:d28/3:d38/3＝1:2.948:6.349。
式中，hf为管段水头损失；l为管道长度；S0称为比阻；R为水力半径；d为管道直径；C为谢才系数。
[单选题]3.三根等长，等糙率的并联管道，沿程水头损失系数相同，半径比为r1:r2:r3＝1:1.2:1.5，则通过的流量比为()。
水力学第四章
第四章 思考题:4-1：N-S 方程的物理意义是什么？适用条件是什么？物理意义：N-S 方程的精确解虽然不多，但能揭示实际液体流动的本质特征，同时也作为检验和校核其他近似方程的依据，探讨复杂问题和新的理论问题的参考点和出发点。
适用条件：不可压缩均质实际液体流动。
4-2 何为有势流?有势流与有旋流有何区别?答:从静止开始的理想液体的运动是有势流. 有势流无自身旋转,不存在使其运动的力矩.4—3 有势流的特点是什么？研究平面势流有何意义？有势流是无旋流，旋转角速度为零。
研究平面势流可以简化水力学模型，使问题变得简单且于实际问题相符，通过研究平面势流可以为我们分析复杂的水力学问题。
4-4.流速势函数存在的充分必要条件是流动无旋，即xu y u yx ∂∂=∂∂时存在势函数，存在势函数时无旋。
流函数存在的充分必要条件是平面不可压缩液体的连续性方程，即就是0=∂∂+∂∂yu x u yx存在流函数。
4—5何为流网，其特征是什么？绘制流网的原理是什么 ？流网：等势线（流速势函数的等值线）和流线（流函数的等值线）相互正交所形成的网格 流网特征：（1）流网是正交网格（2）流网中的每一网格边长之比，等于流速势函数与流函数增值之比。
（3）流网中的每个网格均为曲线正方形 原理:自由表面是一条流线，而等势线垂直于流线。
根据入流断面何处流断面的已知条件来确定断面上 流线的位置。
4-6.利用流网可以进行哪些水力计算?如何计算？解:可以计算速度和压强。
计算如下：流场中任意相邻之间的单宽流量∆q 是一常数。
在流场中任取1、2两点，设流速为，，两端面处流线间距为∆m1，∆。
则∆q=∆m1=∆，在流网中，各点处网格的∆m 值可以直接量出来，根据上式就可以得出速度的相对变化关系。
如果流畅中某点速度已知，就可以其他各点的速度。
流畅中的压强分布，可应用能量方程求得。
z1++=++当两点位置高度z1和为已知，速度，u2已通过流亡求出时，则两点的压强差为-=-+-如果流畅中某一点压强已知，则其他个点压强均可求得4.7利用流网计算平面势流的依据是什么？（参考4.6的解释）4-8流网的形状与哪些因素有关？网格的疏密取决于什么因素？答：流网由等势线和流线构成，流网的形状与流函数φ（x,y）和流速势函数ψ(x,y)有关；由∆q=∆ψ=常数，∆q=u1∆m1=常数，得两条流线的间距愈大，则速度愈小，若间距愈小，则速度愈大。
水力学 第四章课后题答案
4.7 水平突然扩大管路，如图所示，已知：直径 d1=5cm，直径d2＝10cm，管中流量Q＝20l/s，试 求：U形水银比压计中的压差读数Δh。
解：以管轴中心线为基准面，写1－1，2－2断面
的能量方程
p1
g
1v12
2g
p2
g
2v22
2g
hj
p1 p2 v22 v12 (v1 v2 )2
（2）经2分钟流入量水箱的水量为0.329m3。试 求弯管的局部水头损失系数ζ值。
解：流量 Q V 0.329 0.00274m3 / s
T 120
v Q 1.4m / s
A
hf
l d
v2 2g
0.6m
hj hw hf 0.629 0.6 0.029m
hj
v2 2g
2ghj v2
4.1 雷诺数的物理意义？为什么可以判别流态？说明由层流到湍流的物理过程。
答：在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数。Re=UL/ν .其中U为速度特 征尺度,L为长度特征尺度,ν为运动学黏性系数.
P116.P118 4.2 层流有什么特点？如何判别？ 答：P116,雷诺数判别 4.3 何谓粘性底层？它的厚度对沿程水头损失有何影响？ 答：在湍流中，紧靠固体边界附近的地方，因脉动流速很小，由脉动流速产生 的附加切应力也很小，而流速梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态 基本上属于层流。因此湍流中不是整个液流都是湍流，在紧靠固体边界表面有一 层极薄的层流层存在，该层流层就叫粘性底层。
0
1
0.023
[2 lg(3.7 d )]2
求出的λ值与假设相符合
通过上述计算说明同一个管径的水管中流过不同 的流量Q，其管壁可以是光滑区，或过渡粗糙区， 也可以是粗糙区。
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4-1 简单管道水力计算的基本公式
简单管道：指管道直径不变且无分支的管道。
简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流。
一、自由出流
对1-1断面和2-2断面 建立能量方程
v0 称为行近流速
H
1v02
2g
2v2
2g
hw12
令 H 1v02
2g
H0
且因
hw12 hf hj
流的粗糙区或过渡粗糙区。可近似认为当v＜1.2m/s时，
管流属于过渡粗糙区，hf约与流速v的1.8次方成正比。故
当按常用的经验公式计算谢齐系数C求hf应在右端乘以修
正系数k，即
H
hf
k
Q2 K2
l
管道的流量模数K，以及修正系数k可根据相关手册资料
得到。
11
12
13
例4-1 一简单管道，如图4-3所示。长为800m，管径 为0.1m，水头为20m，管道中间有二个弯头，每个弯头的 局部水头损失系数为0.3，已知沿程阻力系数λ＝0.025，试 求通过管道的流量。
Z
l d
淹
注：1 自＝淹 8
以上是按短管计算的情况。如按长管的情况，忽略
局部水头损失及流速水头损失。有
H
hf
l
d
v2 2g
水利工程的有压输水管道水流一般属于紊流的水力粗糙
区，其水头损失可直接按谢齐公式计算，用 8g 则
C2
H
8g C2
l d
v2 2g
8gl C 2 4R
Q 0.0703 3.14 0.12 19.6 20 0.01093 m2 / s
4
15
(二)计算沿程损失及局部损失
v Q 0.01093 1.39m / s
管中流速
A 3.14 0.12
4
流速水头 v 2 1.39 2 0.0989 m
2g 19.6
沿程损失
计算如下例所示。
18
例4-2 由水塔沿长度L为3500m，直径d为300mm的 新铸铁管向工厂输水（见图）。设安置水塔处的地面高程 zb为130.0m，厂区地面高程zc为110.0m，工厂所需水头Hc 为25m。若须保证工厂供水量Q为85l/s，求水塔 高度（即 地面至水塔水面的垂直距离）。
Q2 2gA2
Q2 A2C2R l
令 K AC
R
，即得 H
hf
Q2 l 或
K2
QK J
9
K AC R Q K J
当J 1时，K＝Q
故，在水力学中K称为流量模数或特性流 量。它综合反映了管道断面形状、尺寸及边 壁粗糙对输水能力的影响。
10
给水管道中的水流，一般流速不太大，可能属于紊
1
长管是指水头损失以沿程水头损失为
主，其局部损失和流速水头在总损失中所 占的比重很小，计算时可以忽略不计的管 道；
短管是局部损失及流速水头在总损失 小占有相当的比重(例如，局部损失及掩 速水头大于沿程损失的5％)，计算时不能 忽略的管道。
水泵的吸水管、虹吸管、混凝土坝内的
压力泄水管都应按短管计算；只有长度较 大而局部损失较小的管道才能按长管计算。
第四章 有压管中的恒定流
有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的作用。 有压管中的恒定流：有压管中液体的运动要素不随时间 而变。 管道根据其布置情况可分为：简单管道与复杂管道。 复杂管道又可分为：串联管道、并联管道、分叉管道、 均匀泄流管道。 根据hf与hj两种水头损失在损失中所占比重的大小，将 管道分为长管及短管两类。
0.01093
长管计算，误差很小。
17
4-2 简单管道水力计算的基本类型
对恒定流，有压管道的水力计算 主要有下列几种。 一、输水能力计算
已知管道布置、断面尺寸及作用水头时，要求确 定管道通过的流量。计算如上节例题。
二、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。
14
（一）先将管道作为短管，求通过管道流量。根据
（4-4）式并且不考虑行近流速水头，则 Q c A 2gH
c
1
1
l d
局部损失共包括进口损失和弯头损失。进口局部损失
系数 e 0.5
故
c
1
1 0.025 800 0.5 2 0.3
0.1
1 0.0703 202 .10
3
故
H0
2v，管道的总水头将全部消耗于管道的 水头损失和保持出口的动能。
因为沿程损失
hf
l d
v2 2g
局部水头损失
hj
v2 2g
有
H 0
( 2
l d
) v2
2g
4
取 2 1
则
H0
(1
l d
)
v2 2g
管中流速
v
16
（三）按长管计算管道所通过的流量
根据 Q K H K AC R
l
C
8g
8 9.8
1
55.9m 2
/s
0.025
Q 3.14 0.12 55.9 0.1 20 0.01097 m3 / s
4
4 800
故按长管计算与短管计算所得流量相差0.00004m3/s， 相对误差为 0.0004 0.36% 。由此可见，将上述管道按
v
1
l d
2gz0
通过管道的流量为
Q vA c A 2gz0
式中，
c
1
l d
称为管道系统的流量系数。
当忽略掉行近流速时，流量计算公式为
Q c A 2gz 7
相同条件下，淹没出流还是自由出 流流量系数值是相等的。
比较
水头
c
自由出流 淹没出流
H
1
l d
自
1
1
l d
2gH0
通过管道流量
Q
1
A
1
l d
2gH0 c A
2gH0
式中
c
1
1
l d
称为管道系统的流量系数。
当忽略行近流速时，流量计算公式变为 Q c A 2gH
5
二、淹没出流
管道出口淹没在水下称为淹没出流。 取符合渐变流条 件的断面1-1和2-2 列能量方程
z 1v02
2g
2
v
2 2
2g
hw12
因 v2 0 则有
z0
z 1v12
2g
hw12
在淹没出流情况下，包括行进流速的上下游水位
差z0完全消耗于沿程损失及局部损失。
6
二、淹没出流
因为
hw12 h f
hj
(
l d
) v2 2g
整理后可得管内平均流速
hf
l d
v2 2g
0.025 800 0.0989 0.1
19.79m
局部损失
hf
v2 2g
(0.5 2 0.3) 0.0989
0.109 m
故沿程水头损失占总水头的百分数为
h f 19.79 0.989 98.9% H 20
所以该管道按长管计算就可以了。