水力学第五章 第1次课
水力学-第5章 明渠恒定均匀流1115
通过复式断面渠道的流量，应为通过各部分流量的总和， 通过复式断面渠道的流量，应为通过各部分流量的总和，
Q = ( KⅠ + KⅡ + L + K n ) i = (∑ K i ) i7 一复式断面如图，已知bⅠ与bⅢ为6m， 一复式断面如图，已知b 6m， 10m； 1.8m； 均为1.5 1.5， bⅡ为10m；hⅠ与hⅢ为1.8m；mⅠ与mⅢ均为1.5， 2.0； 0.02及 0.0002． mⅡ为2.0；n为0.02及i为0.0002．求Q及v．
例5.6
5.6粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的水力计算 5.6粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的水力计算 5.6.1 断面周界上的粗糙度不同的明渠均 匀流的水力计算
当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时， 当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时，按照下式计算
nr =
2 n12 X 1 + n 2 X 2 X1 + X 2
A 54.37m2 R= = = 1.38m χ 39.41m
C= 1 (1.38)1/ 6 m1/ 2 / s = 35.17m1/ 2 / s 0.03 1 = 27.9m3 / s 6500
Q = AC Ri = (54.37m2 ) × (35.17m1/ 2 / s) (1.38m) × Q 27.9m3 / s υ= = = 0.51m / s > υ′′ = 0.5m / s 2 A 54.37m
（2）计算 h 为 1.5 m 时，渠道通过的流量并校核 淤积。 时的断面水力要素： 淤积。计算 h = 1.5 m 时的断面水力要素：
A = (b + mh)h = (34m +1.5×1.5m) ×1.5m = 54.37m2
水力学课件第五章
水头损失的叠加原理
总水头损失：hw=hf+ hm
工程上为了便于计算，假定沿程水头损失和局部水头损失时 单独发生作用的，互不影响，两者可以叠加。 注意： (1)局部水头损失实际上是在一定长度内发生的，为了 处理方便工程上把局部水头损失发生的地点认为是集中发生 在边界突变的断面上。 (2)把实际发生局部水头损失的流程中的沿程水头损失， 看作是未受局部水头损失而单独发生的。 (3)若两局部水头损失距离很近，用叠加法计算出的局部 水头损失会偏大，应作为整体进行试验确定hj。 (4)通常以流速水头的某一倍数表示水头损失。
2 pA umax pB 0 解： 1、求流量： 2g 2g 2 umax pB p A 汞 油 hp 2g 油
u max 19.6 2.35m / s
133.28 8.83 0.02 8.83
1 2
假设重油的流动为层流： u max 1.175 m / s
z1
O
1
G
O
P1
1
0 0
2
P2
2
z1 O
1
G
z2 x O
作用于该总流流段上的外力有： ①动水压力： P1=p1A P2=p2A ②重力：G=V= AL，在流动方向上的投影 Gx=ALsin ③摩擦阻力：T=0A'= 0 L
P
1
1
写出管轴方向的平衡方程： z 1
0 0
液体形态的判别：
雷诺从一系列试验中发现： 1）不同种类液体在相同直径的管中进行实验，所测得的临界 速度是各不相同的； 2）同种液体在不同直径的管中实验，所得的临界速度也不同。 故判定临界速度是液体的物理性质( ， )和管径( d )的函 数。
《水力学》第五章明渠恒定均匀流
(2)与电站最小水头所相应的渠中水深h为1.5m， 试计算此时渠中通过的流量为多少？在此条件下 渠道是否发生淤积(已知不淤流速 为0.5m／s)。
(3)为便于运行管理，要求绘制该渠道的水深— 流量关系曲线，(在第(1)项和第(2)项要求的流量间 绘制)。
34
解：(1)
35
解：(2)
36
解：(3)
37
2. 已知渠道的设计流量Q，底坡i，底宽b，边坡 系数m和粗糙系数n，求水深h。 例5-3 其电站引水渠，通过沙壤土地段，决定采 用梯形断面，并用浆砌块石衬砌，以减少渗漏损 失和加强渠道耐冲能力，取边坡系数m为l，根据 天然地形，为使挖、填方量最少，选用底坡i为 1/800，底宽b为6m，设计流量Q为70m3/s。 试计算渠堤高度(要求超高0.5m)。
19
3、梯形过水断面渠道的水力最佳断面
根据水力最佳断面的条件
20
3、梯形过水断面渠道的水力最佳断面
以上二式，消去db/dh，得：梯形水力最佳断面的宽深比值
因为 故
梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。
矩形断面可以看成为m＝o的梯形断面，得：
21
结论：
1）梯形水力最佳断面的宽深比仅是边
坡系数 m 的函数。
度的一个综合系数。C f (n, R) 根据
C n
1
R6 n2
1
R
1 6
n
n
C
1 1
R6
1 n
1
R6
R n R
C C n R
R对C的影响远比n对C的影响小得多,因此，根 据实际情况正确地选定粗糙系数，对明渠的计算 将有重要的意义
13
5.3 明渠均匀流的计算公式
水力学第五章 有旋流动和有势流动
定义
数。
M(x,y,z)
( x, y, z ) = + u x d x + u y d y + u z d z
M 0 ( x0 , y0 , z 0 )
u x =
x
u y =
y
u z =
z
无旋流动
ij ×u=
xy
xy
无旋流动
k
=0 z
z
等价
有势流动
u=
有势流动
u(t)
u(t+dt)
L是由确定流体质点组成的封闭线，是 一个系统，在流动中会改变位置和形状。
简要的证明
dΓ
du
dt
+ d t d l
L
d dt
+
L
u
δ
l
d
+ d t (u δ l)
L
+
L
d
t
δ
d
lL++
δu
2
du
dl
du
+ d t δ l + + u δ d t + d t δ l + + u δ u
=
( uz
u y) + ( ux
uz ) +
uy (
xy z yz x zx
ux ) = 0 y
由于涡管侧壁没有涡 通量，所以根据涡量场是 无源场可得如下结论：
结论 在同一时刻，穿 过同一涡管的各断面的涡 通量都是相同的。即同一 时刻，一根涡管对应一个 涡管强度。
回答了前面的问题
水力学第五章
有压管路的水力计算
O
2 0 v0
第一节 薄壁小孔口恒定出流
小孔口：d≤H/10；大孔口：d>H/10；
H pa
pa
2g
2 0 v0
2g
0
pc
2 c vc
2g
hw
H0
流 2 2 速 0 v0 vc ( c 0 ) 公 H 2g 2g 式 2
令： H 0 H vc 1 0 0
2 vc hw h j 0 2g
pc pa
H
0 v0
2g
C d
C
2 gH 0 2 gH 0
O
H0-作用水头；ξ 0-局部阻力系数；φ -流速系数（0.97-0.98）
流量公式：
Q v c Ac A
2 gH 0 A 2 gH 0
0.62
0.64
复杂管路都可以分解为：串联管路和并联管路两种。
hf1 hf 2 hf 3
H
q1
q2
l1 d1 Q1
l 2 d 2 Q2
l3 d 3 Q3
串联管路：总水头损失等于各分段水头损失之和；无奇点（流进、 流出）情况下，总流量等于各分流量。
H
h fi
i 1
n
i
n
Ai li Qi2
Q Qi
C
b
hc bw cb pa pc
O
1 2 2 ( 1) 2 n H0 将 1, 0.64, n 0.82 pa pc
pcv
0.756 H 0
地下水基础—第五章 包气带水的运动
毛细饱和带和饱水带虽然都被水所饱和，但是前者是在 表面张力的支持下才饱水的，所以又称为张力饱和带。
例如，井打到毛细饱和带水，土壤中虽然饱水，但由于 表面张力的作用，并没有水流入到井去，必须打到潜水面以 下才会出水。
第五章 包气带水的运动
5.1 毛细负压 5.2 支持毛细水与悬挂毛细水 5.3 包气带水水分的分布 5.4 包气带水水分的运动 5.5 小结
第五章 包气带水的运动
5.1 毛细负压 5.2 支持毛细水与悬挂毛细水 5.3 包气带水水分的分布 5.4 包气带水水分的运动 5.5 小结
5.1 毛细负压
5.1.1 毛细负压的概念
在液体表面中，每一个分子缺少了吸引它的分子，因此 势能高一些。如果表面越大，表面层内的分子数越多，其 分子势能就越大，而系统选择的是以最低能的状态存在， 因此，只要有可能液体就使表面积尽力减少，表现为收缩 的趋势，表面表现为张力。
5.4.4 包气带中支持毛细水的运动
用达西定律Vc=KI分析水由 B→B′毛细水的运动
HA= ZA+hA HB= ZB+hB
HA=0 HB=-hC
HB’=ZB’+hB’ VB’= IB’K
B’
IB’= (HA-HB’) /LA~B’
= -(ZB’-hC’) / ZB’
= hc’/ ZB – 1
O
O’
5.1 毛细负压
5.1.1 毛细负压的概念
凹液面产生的 附加压强Pc，称为 毛细压强,由于它 是一个负压强，故 又称毛细负压（图 5-2）。
5.1 毛细负压
5.1.1 毛细负压的概念
毛细管不是圆形时： 毛细管圆形且极细时：
凹形湾液面下的水，由于表面张力的作用，要比平的 液面小一个相当于Pc的压强；或者说，凹形湾液面下的水 存在一个相当于Pc的真空值。
水力学第五章 第1次课资料
vc
2gH0
物理意义：收缩断面实际液体流速vc对理想液体流速的比值。
实验测得孔口流速系数 φ = 0.97～0.98。
37
薄壁小孔口出流的各项系数
②孔口的局部阻力系数
1
1
c 0 10
可得孔口的局部阻力系数 ζ0：
0
1
2
1
1 0.97 2
1
0.06
38
薄壁小孔口出流的各项系数
③孔口的流量系数μ
0v02
2g
H H0
C
v0
d A Ac
vc
C
H0：作用水头 O
可得：
1
vc c 0 2gH0 34
1）自由出流
定义流速系数φ：
1 1 c 0 10
可得：
vc
1
c 0
2gH0 2gH0
O
pa
0v02
2g
H H0
C
v0
d A Ac
vc
C
Q vc Ac 2gH0 Ac
O
定义收缩系数ε： Ac A
简单管道是指直径和流量沿流程不变的管道；
复杂管道是指由两根以上管道组成的管道系统。可分为串联 管道、并联管道、分叉管道、沿程泄流管和管网等。
23
基本知识点 简单管道
串联管道
并联管道
24
3. 短管和长管
基本知识点
z1
p1
1v12
2g
z2
p2
2v22
2g
hw12
hw12 hf hm
短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不 计的管道；
2g 2g
Fx Fy
水力学第五章
一、圆柱形外管嘴的恒定出流
1
v H 0 00 n 2g 2g 2g 1 v 2gH n 2gH n
n
1
v
2 0 0
v
2
2
l (3 ~ 4)d
H
0 d
c
2
0
பைடு நூலகம்
c
2
n
1
Q v n 2 gH 0
n n 0.82
§5.3 短管的水力计算
1.虹吸管的水力计算
例题2
§5.3 短管的水力计算
2.水泵吸水管的水力计算 hv ，求水泵安装高度 H 。 计算内容：已知 Q、d、l吸、、 进、 弯、
例题3
例题1
在 H 孔口 H n , d 孔口 d n 及流量。 1.流速比较 条件下，试分别比较孔口和管嘴出流的流速
流体力学
主 讲：赵 超
第五章 孔口、管嘴出流和有压管路
§5.1 液体经薄壁孔口的恒定出流 §5.2 液体经管嘴的恒定出流 §5.3 短管的水力计算
第五章 孔口、管嘴出流和有压管路
常用公式 连续性方程： 伯努利方程： 损失公式：
A1v1 A2 v2
2 p1 1v12 p2 2 v2 z1 z2 hw12 g 2g g 2g
2gH0 2gH0
1
c 0
速度系数 收缩系数 流量系数
Q Ac vc A 2 gH 0 A 2 gH 0
c /
三、薄壁小孔口的 淹没出流
2 2 vc vc H1 0 0 H2 0 0 0 se 2g 2g
l 3 ~ 4 d
水力学课件第五章
紊流
管中为石油时
vd 100 2 333.3 2300 Re 0.6 ν
层流
作业
1、2
均匀流沿程水头损失与切应力的关系
沿程水头损失与切应力的关系 在管道恒定均匀流中，取总流流段1-1到2-2，各 作用力处于平衡状态：F=0。
P1
1
0 0
2
P2 2 z2
z1 z2 sin l
p1 p2 hf g g
m 13600 ( 1)hp ( 1) 0.3 4.23m 900
设流动为层流
4Q v 2.73m / s 2 d
l v 2 64 l v 2 64 l v 2 hf d 2 g Re d 2 g vd d 2 g
Re
d 1.175 0.075 979 < 2300 4 0.9 10
层流
1 2 1 Q 1.175 d 3600 1.175 3.14 0.075 2 3600 18.68m 3 / h 4 4
2、求沿程水头损失
64 64 0.0654 Re 979
T
T
u x u x u x
T
1 1 1 ' ux (ux ux )dt ux dt ux dt ux ux 0 T0 T0 T0
其它运动要素也同样处理：
1 p T 1 p T
T
pdt
0 T 0
p p p
pdt 0
脉动值说明：
—局部损失系数(无量纲)
一般由实验测定
实际液体流动的两种形态
雷诺试验
实验条件：
水力学一教案
西北农林科技大学水利与建筑工程学院教案学院名称水建学院课程名称水力学（乙）课程性质学科基础课授课教师张新燕职称副教授使用教材吕宏兴等主编《水力学》授课时数72学时课程说明：课程性质：专业基础课、必修课。
教学目的与要求：要求学生了解或掌握液体运动与平衡规律及其在工程上的简单应用。
教学内容包括两大部分：前半部分介绍液体的平衡与运动规律、后半部分介绍其工程应用。
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，为学习后续专业课程和从事专业技术工作打下基础。
课程总学时72学时，包括实验8学时和观看录像学时2学时。
教学方式：课堂讲授、实验教学、课堂讨论等，以课堂讲授为主。
考核方式：最终总成绩评定中，闭卷考试成绩占70%，实验、平时作业占30%。
实验课：每项实验由2-3名学生组成实验小组进行，实验结束需递交实验报告，由实验指导教师评定实验成绩。
具体安排第1次课（第1周） 2 学时第2次课（第1周） 2 学时第3次课（第1周） 2 学时第4次课（第2周） 2 学时第5次课（第2周） 2 学时第6次课（第2周） 2 学时第7次课（第2周） 2 学时第8次课（第3周） 2 学时第9次课（第3周） 2 学时第10次课（第4周） 2 学时第11次课（第4周） 2 学时2 学时第12次课（第5周）第13次课（第5周） 2 学时第14次课（第5周） 2 学时第15次课（第6周） 2 学时第16次课（第6周） 2 学时第17次课（第7周） 2 学时第18次课（第7周） 2 学时第21次课（第8周） 2 学时第22次课（第9周） 2 学时第25次课（第10周） 2 学时第26次课（第10周） 2 学时第27次课（第10周） 2 学时第28次课（第11周） 2 学时第29次课（第11周）2学时第第第第。
水力学 第五章
hf H 19.79 0.989 98.9% 20
12
故沿程水头损失占总水头的百分数为
所以该管道按长管计算就可以了。
（三）按长管计算管道所通过的流量
根据
H QK l
K AC R
C
8g
故
H0
2v 2
2g
hf hj
上式表明，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。
l v2 因为沿程损失 h f d 2g
局部水头损失
v2 h j 2 g
有
l v2 H 0 ( 2 ) d 2g
3
取 2 1 管中流速 通过管道流量
13
长管计算，误差很小。
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。 计算如下例所示。
先分析沿管道总流测压管水头的变化情况，再计 算并绘制测压管水头线。 因为流量和管径均已知各断面的平均流速即可求出， 入口到任一断面的全部水头损失也可算出。该点压强为
pi v H 1 z i i i hwi g 2g
2
由此可绘出总水头线和测压管水头线。管内压强可为正 值也可为负值。当管内存在有较大负压时，可能产生空 化现象。
14
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
北航水力学 第五章粘性流体的动力学讲解
2
2 x2
2 y2
2 z 2
因粘性而产生的应力
X
1
p x
2ux
ux t
ux
ux x
uy
ux y
uz
ux z
Y
1
p y
2u y
u y t
ux
u y x
uy
u y y
uz
u y z
Z
1
但是，由于理想流体运动方程与N-S相比，
1
多了单位质量流体上的切应力分量，它
们对流程的积分就是切应力所做的功。
对于质量力只有重力的情况，当所取坐标系z轴为铅直朝上时，势
函数 U gz ，得到
d(z p
u2 2g
)
g
(2uxdx
2u
y dy
2uz
dz)
0
式中，
g
(2ux
注意：两断面间的某些流动可以是急变流。
l
总水头线
hw
H1
v2
测压管水头线
2g
p
位置水头线
hw12
H2
z
水平基准线
H2 H1 hw12 J 水力坡度
l
l
表示单位重量液体在单位长度流程上水头损失
伯努利方程
z1
p1
112
2g
z2
p2
2
22
2g
hw
hw 为1、2 断面之间平均单位力能量损失。 总能量损失等于沿程水头损失和局部水头损失之和，
水力学资料第五章
解：（1）写出自由涡的流速分布r C r /,0==θμμ将m r r 3.00==处流速值u(0r )=2m/s 带入上式，得常数C=0.9，有 r /6.0=θμ在弯道内侧，;/3,2.011s m m r r ===θμ在弯道外侧，s m m r r /5.1,4.022===θμ。
依据同心圆弯道的压强微分式，有dr rdp 2θμρ=由1r r =和2r r =积分该式，得 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-==⎰⎰22212321122121r r dr rdp r r r r θθρμμρ故弯管内、外壁之压差为pa pa p p 33754.012.01210006.022212=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯=- （2）压强水头差m m g p p 344.010008.9337512=⨯=-ρ 流速水头差m m g 344.08.9235.12222122=⨯-=-θθμμ 可见，压强水头差等于流速水头差，故总机械能在弯道内、外壁处相等。
第五章 层流、紊流及其能量损失5-1（1）某水管的直径d=100mm,通过流量Q=4L/s,水温T=20C 0;(2)条件与以上相同，但水管中流过的是重燃油，其运动粘度s m /1015026-⨯=ν。
试判断以上两种情况下的流态。
解：（1）2000504251001.11.0004.0444Re 62>=⨯⨯⨯⨯====-πνππνd Q v d Qd Vd 流动为紊流流态。
（2）20005.339101501.0004.044Re 6<=⨯⨯⨯⨯===-πνπνd Q Vd 流动为层流流态。
5-2（2）温度为0C 0的空气，以4m/s 的速度在直径为100mm 的圆管中流动，试确定其流态（空气的运动粘度为s m /1037.125-⨯）。
若管中的流体换成运动粘度为s m /10792.126-⨯的水，问水在观众管中呈何流态？解 流体为空气时，有2000291971037.11.04Re 5>=⨯⨯==-νVd 紊流流态流体为水时，有200022321410792.11.04Re 6>=⨯⨯==-νVd 紊流流态 5-3（1）一梯形断面排水沟，底宽0.5m ，边坡系数5.1cot =θ(θ为坡角)，水温为C 020，水深0.4m ，流速为0.1m/s ，试判别流态；（2）如果水温保持不变，流速减小到多大时变为层流？ 解（1）梯形断面面积 2244.0)5.14.05.0(4.0)(m m hm b h A =⨯+⨯=+= 湿周 ()m m m h b 942.15.114.025.01222=+⨯⨯+=++=χ 水力半径 m m A R 2266.0942.144.0===χ雷诺数 5001024.21001.12266.01.0Re 46>⨯=⨯⨯==-νVR紊流流态 （2）层流的上界雷诺数500Re ==νVR。
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连续性方程与伯努利方程
连续性方程
单位时间内流入、流出控制体的质量流量之差，等于控制体内质量的变化率。
伯努利方程
理想液体在重力场作稳态流动时，具有压力能、位能和动能三种形式，它们之间可以相互转化，且总 和保持不变。
02
流体静力学分析
静止液体中压强分布规律
静止液体中同一水平面上的压强相等。 静止液体中压强随深度的增加而增大。 静止液体中任意点的压强等于液柱高度对应的压强。
应用举例一
在水利工程中，利用达西定律可 以计算水库大坝的渗流量，为水 库的安全运行提供重要依据。
应用举例二
在石油工程中，达西定律被广泛 应用于油藏工程计算和油田开发 方案设计中，用以确定油井的产 量和预测油藏的开发动态。
井群干扰现象分析
井群干扰现象描述
当两口或多口井在同一含水层中开采时，由于各井之间存 在一定的距离，使得各井的流量、水位等发生变化，这种 现象称为井群干扰现象。
浮力的方向竖直向上，大小等于物体排开液体的重力。
计算浮力时，需要先确定物体在液体中的浸没深度和排开液体的体积，然 后根据阿基米德原理计算浮力大小。
潜水和承压水特性分析
潜水是指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上具有自由 水面的重力水。
潜水通过包气带与大气圈及地表各圈层发生联系，因此 具有季节性变化的特点。
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。
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 。
VS
非恒定流
流场中各空间点上流体质点的物理量随时 间变化。
一维流动和二维流动特点比较
03
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
水力学课程标准(周双)
内江职业技术学院水利水电建筑工程专业课程标准汇编教务处印制二0一五年三月《水力学》课程标准一、课程概述（一）课程性质水力学是水利类水利水电建筑工程专业必须的专业课程。
开课时间为大一下学期，计划安排48个学时讲授，计3个学分。
本课程与其他相关课程相衔接，是《水利规划》、《水文水利计算》、《水工建筑物》、《水电站》、《水利施工》等课程的基础。
《水力学》是研究水体平衡和运动规律的一门学科。
使学生掌握水体平衡和运动的一般规律和有关的基本概念与基本理论，学会水力学的分析和计算方法，能对水利工程进行水力计算。
符合水利专业人才的培养目标，使学生能够运用所学知识解决基层水利单位的工程实际问题。
培养学生的自主学习能力、归纳表达能力等，促进其养成认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风及其他良好的科学文化素质、专业素质素质。
（二）课程设计理念与思路（与人才培养方案相呼应）以科学发展观为指导，全面贯彻党的教育方针，遵循教育教学规律和人才成长规律；立足于学校建设一流高职教育的目标，遵循“打好扎实的理论基础、培养实践和创新能力、拓宽专业且反映学科特点”的原则，树立跨学科培养，通识教育与专业教育相结合，融入创新教育、创业教育、素质教育、绿色教育和终身教育的理念；以深化学分制为抓手，创新人才培养模式和教学运行机制，积极探索学分制下弹性学习制度和个性化人才培养方案，尊重学生选择权，培养学生自我负责意识；积极探索分类招生、分流、分段、分模块的多元化人才培养模式，努力提高职业人才培养质量，提升学校人才培养为地方经济社会发展服务的能力。
坚持以下基本原则：整体优化原则；深化学分制原则；体现学生主体原则；加强实践教学原则；符合时代要求原则。
本课程在教学内容上，结合高等职业教育的人才培养目标，注重岗位能力培养，根据“按需施教、学以致用”的原则，组织课堂教学、实验；强调课堂体系的针对性，从职业岗位需要出发，教学内容注重实用性。
整个课程安排48个课时讲授、计为4个学分。
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23
基本知识点
简单管道
第四章主要内容回顾
均匀流(渐变流) 水流阻力与水头损失
急变流
不变边界或 + 粘性流体 渐变边界 沿程阻力
变化边界 + 粘性流体
局部阻力
沿程水头损失 层流 雷诺试验 紊流
局部水头损失
以雷诺数作为 判别标准
Re
vR
1
第四章主要内容回顾
沿程水头损失
均匀流 基本方程
0 RJ R
hf l
2 0 v0
2g
H v0
H0 d A Ac C C vc
H
pa
2 0v0
2g
0
pc
c vc2
2g
hw
O
且
vc2 hw hm 0 2g
33
1）自由出流
得到：
2 vc H ( c 0 ) 2g 2g 2 0 v0
O pa H v0
2 0 v0
并联管道 串联管道
24
基本知识点 3. 短管和长管
z1
p1
v
2 1 1
2g
z2
p2
v
2 2 2
2g
hw12
hw12 hf hm
短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不 计的管道；
25
基本知识点 3. 短管和长管
z1
p1
v
2 1 1
p1
2 2 v1 p2 v2 2g 2g
p2 290744 Pa
设支座对水体的水平向作用力为Fx，方向自右向左， 对水体的垂直向作用力为Fy，方向垂直向下，建立x向与y 向的动量方程，有：
16
Fx
Fy
p1 A1 2 p2 A2 cos 60 Fx 2 Q2 v2 cos 60 Q1v1
1 1 0.5
0.82
管嘴流量系数，因出口无收缩μn=φn= 0.82 显然μn= 1.32μ。可见在相同条件，管嘴 的过流能力是孔口的1.32倍。
44
管嘴出流的局部损失由两部分组成，即孔口进口的局部水头 损失及收缩断面后扩展产生的局部损失，水头损失大于孔口出 流。但是管嘴出流为满流，收缩系数为 1 ，因此流量系数仍比 孔口大，其出流公式为
管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用，称有压管 道。其断面各点压强，一般不等于大气压强。 管 壁 管 壁 液 体
液体自由面
有压管道
无压管道
21
基本知识点
有压管中液体运动要素不随时间改变，则为有压管道的恒定
流动；若运动要素随时间改变，则称为有压管中的非恒定流。
22
基本知识点 2. 简单管道与复杂管道
2g
H0 d A Ac C C vc
令：
H0 H
2 0v0
2g
O
H0：作用水头 可得：
1 vc c 0
2 gH0
34
1）自由出流
定义流速系数φ： O pa H v0
2 0 v0
1 1 c 0 1 0
可得：
vc 1
2g
H0 d A Ac C C vc
沿程水头损失与切应力之 间的关系
达西公式
l v2 hf d 2g
确定了沿程水头损失的 计算公式
尼古拉兹试验
f (Re, ) 揭示了Re、Δ/d对λ影响规律 d
紊流 经验公式
2
层流
64 Re
第四章需要掌握的知识点
1．产生水头损失的原因有两个方面：一是水流边界的几何 条件，叫外因；二是水流自身具有粘滞性，叫内因。
Q vc Ac 2 gH0 A A 2 gH0 A 2 gH0
O
36
薄壁小孔口出流的各项系数
①流速系数
vc
1
c 0
1
2 gH 0 2 gH 0
1 10
c 0
vc 2 gH0
物理意义：收缩断面实际液体流速vc对理想液体流速的比值。 实验测得孔口流速系数 φ = 0.97～0.98。
2g
H
pa
c d c b
v0
0
vc
3～4d b
v
41
1、圆柱形外管嘴恒定出流
2 0 v0
过水断面0-0和出口断面b-b 间列伯努利方程：
H
2 0 v0
0 H0 H
2g
pa
c
2g
v 2
2g
2
hw
v0
0
d
c 3～4d
vc
b
v
b
hw n
v
2g
hw为局部水头损失，由两部分组成，即孔口进口损失及收 缩断面后扩展产生的局部损失之和。
自由出流
淹没出流
29
基本知识点
有压管道 管道是否充满 无压管道 有压恒定流 有压管道根据运动要素随时间是否变化 有压非恒定流 简单管道 根据管道的布置情况 复杂管道 自由出流 管道出口水流特点 淹没出流 长管 : hw h f 根据管路的水头损失的比重 短管 : hw h f hm
8
2 d2
H1 H 2 0
水从断面1流向断面2。
1 d1
两断面间的水头损失hw=3.163m。
9
2. 如图，储水器内的水面保持恒定，底部接一条铅直管输水，
直管的直径d1=100mm，末端收缩管嘴的出口直径d2=50mm。 断面1-1的水深h1=3m，断面1-1与断面3-3的高差h2=2m，断面 3-3与出口断面2-2的高差h3=4m。试求断面1-1和断面3-3的压 强水头。
37
薄壁小孔口出流的各项系数
②孔口的局部阻力系数
1
c 0
1 10
可得孔口的局部阻力系数 ζ0：
1 0 2 1 1 0.06 2 0.97
1
38
薄壁小孔口出流的各项系数
③孔口的流量系数μ
Q vc Ac A 2gH0 A 2gH0
根据试验结果，对薄壁小孔口μ= 0.62。
1 3 2
1 3
h2
h3
2
pa
p1
p1 pa
2 v1 Z 0 Z1 2g
2 v1 h1 2.438m 2g
12
0
对断面0-0与3-3间列能量方程， 1
0
h1 1 3 h2
Z0
pa
2 v3 Z3 2g
p3
3 2
h3
2
v Z0 Z3 2g 4.438 m
p3 pa
2 3
13
3.如图，水平放置的压力钢管分岔段固定在混凝土支座中。
已知主干管直径D=3m，两个分岔管的直径d=2m，转角 α=120°，主干管末端断面1-1的相对压强p1=294kPa，通过的 水流量Q1=35m3/s。两条分岔管的流量相等，动水压强也相等， 不计水流损失，试求水流对支座的总推力。
r0
d
r
u
0
0
6
1. 水在管道中流动，在断面1处，管道直径d1=0.25m，相对压
强p1-pa=80kPa；在断面2处，管道直径d2=0.5m，相对压强p2pa=50kPa，流速v2=1.2m/s。两个断面的位置高差z2-z1=1m。 试判断两个断面之间的水流方向，并求出这两个断面之间水 流的水头损失hw。 2 d2 1 d1
pa
2
v2
2 g (Z0 Z 2 )
2 g (h1 h2 h3 )
11
13.282 m / s
利用连续性方程求直管中断面1-1和3-3的平 均流速v1和v3，
0
0
h1
d2 2 v1 v3 v2 ( ) 3.32m / s d1
对断面0-0与1-1间列能量方程，
2 v1 Z0 Z1 2g
30
§5.1 孔口出流
O pa
2 0 v0
2g
H0 C
H
v0
d A Ac C
vc
O
31
§5.1 孔口出流
孔口分类：
小孔口 d≤H/10，
O pa
2 0 v0
2g
可认为孔口断面上各
点水头相等。
H v0
H0 d A Ac
C C
vc
大孔口 d＞H/10
O
32
1）自由出流
1、薄壁小孔口恒定出流 薄壁孔口：壁厚对水流现象没有 影响，孔壁与水流仅在一条周线 上接触，这种孔口称为薄壁孔口。 1)小孔口的自由出流 pc=pa=0 O pa
7
2 解：设两个断面上的总水头分别 为H1和H2，两者之差即为hw。 总水头总是沿流动方向减少的， 由此可判断流动方向。 d1 1 d2
d2 2 v1 v2 ( ) 4.8m / s d1
hw H1 H 2
( Z1 Z 2 ) (
3.163 m
p1 p2
2 2 v1 v2 )( ) 2g
Fy Fx
1.411