水力学讲义(1).ppt
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水力学 (完整版)PPT
2020/4/5
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第一章 绪论
1.3 作用在液体上的力
1.3.1 表面力定义
表面力是作用于液体的表面上的力，是相邻液体 或其他物体作用的结果，通过相互接触面传递。
表面力按作用方向可分为： 压力： 垂直于作用面。 切力： 平行于作用面
lim p
P
A0 A
lim
T
A0 A
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第一章 绪论
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1
第一章 绪论
第1章 绪 论 第2章 水静力学 第3章 液体运动学 第4章 水动力学基础 第5章 流动阻力和水头损失 第6章 量纲分析与相似原理 第7章 孔口、管嘴出流和有压管流 第8章 明渠均匀流 第9章 明渠非均匀流 第10章 堰流及闸孔出流 第11章 渗流
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第一章 绪论
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第一章 绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
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第一章 绪论
19th century
Navier (1785-1836) & Stokes (1819-1905)
N-S equation
viscous flow solution
Reynolds (1842-1912) 发现紊流（Turbulence） 提出雷诺数（ReynoldsNumber）
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第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
第一章水力学绪论ppt课件
的液体质量成比例的力。
• 单位质量力：作用在单位质量液体上的质量力。
fF M
X Fx ,Y Fy , Z Fz MMM
第四节 水力学的研究方法
1.理论分析（经典力学为基础） 2.科学试验 （1）原型观测 （2）模型试验 （3）系统实验 3.数值模拟和数值计算
1.理解连续介质和理想液体的概念。 2.掌握液体的基本特征和主要物理性质，特 别是液体的黏滞性和牛顿内摩擦定律及其应 用条件。 3.理解作用在液体上的两种力。
3）了解连续介质模型以及粘度随温度的变化规律。
第一节 课程概述 •水力学的学科性质
研究对象 力学问题载体
流体力学
流体
强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用
水力学
水
力学
宏观力学分支 遵循三大守恒原 理
力学
1.水力学的概念 水力学就是研究以水为代表的液体机械运动规
律及其在实际应用的科学。 水力学所研究的基本规律：两大主要组成部分，水 静力学和水动力学。
水静力学：关于液体平衡的规律，它研究液体处 于静止（或相对平衡）状态时，作用于液体上的各种 力之间的关系。
水动力学：关于液体运动的规律，它研究液体在 运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关 系，以及液体的运动特性与能量转换等等。
定义概括了三个涵义：
第一:水力学虽以水为研究对象，但其基本原理同 样适用于一般常见的液体和可以忽略压缩性影响的 气体。 第二:水力学的主要研究内容是在外力作用下，静 止与运动的规律，液体与边界的相互作用。 第三:水力学研究的目的在于应用。
流体运动的三大要素：流体、运动、力
水力学中研究的液体是一种易流动、不易压缩、 粘性很小、均质等向的连续介质。
2.水力学的任务及其在工程中的应用
• 单位质量力：作用在单位质量液体上的质量力。
fF M
X Fx ,Y Fy , Z Fz MMM
第四节 水力学的研究方法
1.理论分析（经典力学为基础） 2.科学试验 （1）原型观测 （2）模型试验 （3）系统实验 3.数值模拟和数值计算
1.理解连续介质和理想液体的概念。 2.掌握液体的基本特征和主要物理性质，特 别是液体的黏滞性和牛顿内摩擦定律及其应 用条件。 3.理解作用在液体上的两种力。
3）了解连续介质模型以及粘度随温度的变化规律。
第一节 课程概述 •水力学的学科性质
研究对象 力学问题载体
流体力学
流体
强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用
水力学
水
力学
宏观力学分支 遵循三大守恒原 理
力学
1.水力学的概念 水力学就是研究以水为代表的液体机械运动规
律及其在实际应用的科学。 水力学所研究的基本规律：两大主要组成部分，水 静力学和水动力学。
水静力学：关于液体平衡的规律，它研究液体处 于静止（或相对平衡）状态时，作用于液体上的各种 力之间的关系。
水动力学：关于液体运动的规律，它研究液体在 运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关 系，以及液体的运动特性与能量转换等等。
定义概括了三个涵义：
第一:水力学虽以水为研究对象，但其基本原理同 样适用于一般常见的液体和可以忽略压缩性影响的 气体。 第二:水力学的主要研究内容是在外力作用下，静 止与运动的规律，液体与边界的相互作用。 第三:水力学研究的目的在于应用。
流体运动的三大要素：流体、运动、力
水力学中研究的液体是一种易流动、不易压缩、 粘性很小、均质等向的连续介质。
2.水力学的任务及其在工程中的应用
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：
水力学课件 第1章绪论
A0 A dA
作用于单位面积上的切力称为切应力，以τ表示
A
lim d
A0 A dA
压强和切应力的单位：N/m2（Pa），KN/m2（KPa）
54
1.4.2质量力
质量力是作用于液体的每一个质点上且与 质量成正比的力。
❖ 对于均质流体，质量力与体积成正比， 又称体积力。
❖ 质量力包括重力和惯性力。质量力又称 超距力
33
2 对于μ和ν=μ/ρ的定义及解释
μ称为粘度或者粘滞系数，是粘滞性的度量。 μ随压强和温度的变化而变化，但是压强影响比较小，可以 不加考虑。温度是影响μ的主要因素。对于液体，温度升高， μ降低，对于气体，温度升高， μ加大。 μ：单位是pa•s ，称为动力粘度 ν： 单位是m2/s，称为运动粘度
水动力学：关于液体运动的规律，它研究 液体运动状态时作用于液体上的力与运动 要素之间的关系，以及液体的运动特性与 能量转换等等。
4
5
◇机械运动 求解运动要素（v,a,Q,h,p,P,R等运动要素） 依据三大基本方程： 质量守恒——连续方程 动能定理——能量方程 动量定理——动量方程
6
应用 管道水流、明渠水流、堰流等；渗流等
51
1.4作用于液体的力
表面力 作用于液体的力
质量力
52
1.4.1表面力 表面力是作用在液体的表面或截面上且与 作用面的面积成正比的力。 表面力也称面积力、接触力
53
❖ 表面力包括压力和切力。如：摩擦力、水压力、边界对 液体的反作用力
作用于单位面积上的压力称为压强，以p表示
p P A
P dP p lim
20
研究的最小物质单元为“质点”，而不是分子。 同牛顿质点的不同：这些质点有形状变化 质点特点：
作用于单位面积上的切力称为切应力，以τ表示
A
lim d
A0 A dA
压强和切应力的单位：N/m2（Pa），KN/m2（KPa）
54
1.4.2质量力
质量力是作用于液体的每一个质点上且与 质量成正比的力。
❖ 对于均质流体，质量力与体积成正比， 又称体积力。
❖ 质量力包括重力和惯性力。质量力又称 超距力
33
2 对于μ和ν=μ/ρ的定义及解释
μ称为粘度或者粘滞系数，是粘滞性的度量。 μ随压强和温度的变化而变化，但是压强影响比较小，可以 不加考虑。温度是影响μ的主要因素。对于液体，温度升高， μ降低，对于气体，温度升高， μ加大。 μ：单位是pa•s ，称为动力粘度 ν： 单位是m2/s，称为运动粘度
水动力学：关于液体运动的规律，它研究 液体运动状态时作用于液体上的力与运动 要素之间的关系，以及液体的运动特性与 能量转换等等。
4
5
◇机械运动 求解运动要素（v,a,Q,h,p,P,R等运动要素） 依据三大基本方程： 质量守恒——连续方程 动能定理——能量方程 动量定理——动量方程
6
应用 管道水流、明渠水流、堰流等；渗流等
51
1.4作用于液体的力
表面力 作用于液体的力
质量力
52
1.4.1表面力 表面力是作用在液体的表面或截面上且与 作用面的面积成正比的力。 表面力也称面积力、接触力
53
❖ 表面力包括压力和切力。如：摩擦力、水压力、边界对 液体的反作用力
作用于单位面积上的压力称为压强，以p表示
p P A
P dP p lim
20
研究的最小物质单元为“质点”，而不是分子。 同牛顿质点的不同：这些质点有形状变化 质点特点：
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。
水力学讲义第一章水静力学
水力学部分知识
水力学是研究液体(主要是水) 的平衡 水 和机械运动规律,以及运用这些规律解决 力 生产实际中的工程技术问题的一门学科。 学 包括水静力学和水动力学两个部分。 讲 义
第一章 水静力学
本章研究处于静止和相对平衡状态下液体的力学规律。
➢学完本章，你应该掌握：
➢1、静水压强的两个重要的特性和等压面
不能承受切向力，故静压强方向与作
水 用面的内法线方向重合。
力
学 讲
（2）静压强的各向等值性：静止液体 内任一点沿各方向上静水压强的大小 都相等。或作用于静止流体同一点压
义 强的大小各向相等，与作用面的方位
无关。
B
证明第二个特性
• （1）表面力
1 dPx pxdAx px 2 dydz
dPy
3、重力作用下的静水压强基本公式 （另一种表达方式）为 p = p0+γh 式中：
p0—液体自由表面上的压强， h—测压点在自由面以下的淹没深度， γ—液体的容重。
水 力 ➢该式说明：在静止液体中，任一点 学 的压强等于表面压强与从该点到液 讲 体自由表面的单位面积上的液柱重 义 量之和。
已知：p0=98kN/m2， h=1m，
107.877 kPa
B
A
1m
pD p0 gh2
C
98.07 19.8071.6
D
0.6m
113.761 kPa
p
z C
g
p1
p0
p2
• 水头、液柱高度与能量守衡
2
测压管是一端与大气相通，
1
另一端与液体中某一点相接的
z1
z2
管子，如图。
在同一容器的静止液体中， 所有各点的测压管水面在同一水平面上。
水力学是研究液体(主要是水) 的平衡 水 和机械运动规律,以及运用这些规律解决 力 生产实际中的工程技术问题的一门学科。 学 包括水静力学和水动力学两个部分。 讲 义
第一章 水静力学
本章研究处于静止和相对平衡状态下液体的力学规律。
➢学完本章，你应该掌握：
➢1、静水压强的两个重要的特性和等压面
不能承受切向力，故静压强方向与作
水 用面的内法线方向重合。
力
学 讲
（2）静压强的各向等值性：静止液体 内任一点沿各方向上静水压强的大小 都相等。或作用于静止流体同一点压
义 强的大小各向相等，与作用面的方位
无关。
B
证明第二个特性
• （1）表面力
1 dPx pxdAx px 2 dydz
dPy
3、重力作用下的静水压强基本公式 （另一种表达方式）为 p = p0+γh 式中：
p0—液体自由表面上的压强， h—测压点在自由面以下的淹没深度， γ—液体的容重。
水 力 ➢该式说明：在静止液体中，任一点 学 的压强等于表面压强与从该点到液 讲 体自由表面的单位面积上的液柱重 义 量之和。
已知：p0=98kN/m2， h=1m，
107.877 kPa
B
A
1m
pD p0 gh2
C
98.07 19.8071.6
D
0.6m
113.761 kPa
p
z C
g
p1
p0
p2
• 水头、液柱高度与能量守衡
2
测压管是一端与大气相通，
1
另一端与液体中某一点相接的
z1
z2
管子，如图。
在同一容器的静止液体中， 所有各点的测压管水面在同一水平面上。
《水力学》课堂ppt-2024鲜版
井群与集水廊道联合应用 在某些复杂条件下，可将井群与集水廊道相结合， 形成联合集水系统，提高集水效率。
2024/3/27
30
基坑排水和降低地下水位方法
基坑排水方法
明沟排水、盲沟排水、井点降水等。
降低地下水位方法
通过井点降水、轻型井点、喷射井点等方式降低地下水位，以满足 工程施工要求。
注意事项
在排水和降低地下水位过程中，需考虑对周围环境的影响，防止引发 地面沉降等不良后果。
实例一
梯形断面明渠均匀流水力计算。通过已知条件，如渠道底宽、边坡系数、糙率等，求解过水断面面积、湿周、水 力半径等水力要素。
实例二
矩形断面明渠非均匀流水力计算。通过已知条件，如渠道宽度、水深、糙率等，求解沿程各断面的流速、流量等 水力要素。
2024/3/27
26
堰流和闸孔出流现象探讨
堰流现象
当水流经过堰顶时，由于堰的阻挡作用， 水流在堰上游形成壅水现象，同时在堰下 游形成跌水现象。根据堰的类型和过堰水 流形态的不同，堰流可分为薄壁堰流、实 用堰流和宽顶堰流等。
10
液体内部压强传递原理
01
02
03
帕斯卡原理
在密闭容器内，施加于静 止液体上的压强将以等值 同时传到液体各点。
2024/3/27
连通器原理
在连通器内，同一液体的 液面保持在同一水平面上。
液压传动原理
利用液体传递压强和流量 的特性进行动力传递。
11
大气压强对液体影响
大气压强对液体有压强作用， 使液体受到一个向上的力。
2024/3/27
非恒定流动
流动参数既随空间位置变 化，也随时间变化。
分类依据
流动参数是否随时间变化。
2024/3/27
30
基坑排水和降低地下水位方法
基坑排水方法
明沟排水、盲沟排水、井点降水等。
降低地下水位方法
通过井点降水、轻型井点、喷射井点等方式降低地下水位，以满足 工程施工要求。
注意事项
在排水和降低地下水位过程中，需考虑对周围环境的影响，防止引发 地面沉降等不良后果。
实例一
梯形断面明渠均匀流水力计算。通过已知条件，如渠道底宽、边坡系数、糙率等，求解过水断面面积、湿周、水 力半径等水力要素。
实例二
矩形断面明渠非均匀流水力计算。通过已知条件，如渠道宽度、水深、糙率等，求解沿程各断面的流速、流量等 水力要素。
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26
堰流和闸孔出流现象探讨
堰流现象
当水流经过堰顶时，由于堰的阻挡作用， 水流在堰上游形成壅水现象，同时在堰下 游形成跌水现象。根据堰的类型和过堰水 流形态的不同，堰流可分为薄壁堰流、实 用堰流和宽顶堰流等。
10
液体内部压强传递原理
01
02
03
帕斯卡原理
在密闭容器内，施加于静 止液体上的压强将以等值 同时传到液体各点。
2024/3/27
连通器原理
在连通器内，同一液体的 液面保持在同一水平面上。
液压传动原理
利用液体传递压强和流量 的特性进行动力传递。
11
大气压强对液体影响
大气压强对液体有压强作用， 使液体受到一个向上的力。
2024/3/27
非恒定流动
流动参数既随空间位置变 化，也随时间变化。
分类依据
流动参数是否随时间变化。
第1章概述 水力学课件ppt
质量力，用
f
表示。
f
F
M
单位质量力在三个坐标轴的投影
fx
Fx M
2020/10/3
fy
Fy M
fz
Fx M
第1章 绪论
五.水力学的研究方法
水力学是一门实践性很强的学科，它的理论都 是生产实践和实验研究的总结，并在解决实际 工程问题过程中经受检验、得到修正和进一步 完善。因此我们在学习本课程的过程中，既要 重视对本课程理论体系的理解，搞清基本方程 和公式的来历、应用条件、使用范围，更要能 正确运用所学的理论知识解实际工程问题，掌 握理论分析、实验研究和数学模拟紧密结合的 水力学研究方法。
du dy
du dy
第20210章/10/绪3 论
流速梯度
为动力粘滞系数
为运动粘滞系数，国际单位：m2/s
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。
牛顿内摩擦定律的适用条件： 层流运动和牛顿液体。
粘滞性是产生水头损失的根本原因
第20210章/10/绪3 论
• 例题一极薄的平板，在厚度分别为4cm的两种油 层中以 u 0.8m s 的速度运动。已知上层动 力粘滞系数为下层的动力粘滞系数2倍，两油层
在平版上产生的总切应力为 30Nm2
• 。试求上、下油层的动力粘滞系数。
4cm 平版
u
4cm
第20210章/10/绪3 论
解： d u u 2 0 l s dy y
因此液体的基本特性是：易流动性、不易压 缩、均匀等向的连续介质。
第20210章/10/绪3 论
三.液体的主要物理性质
水力学系统讲义第二章(1)-水静力学PPT课件
相对压强pr与绝对压强pabs之间存在如下关系：
pr pabs pa
真空压强：如果液体中某处的绝对压强小于大气压强，则 相对压强为负值，称为负压。负压的绝对值称为真空压强， 以pv表示。
pv | pabs pa | pa pabs
真空度：真空压强用水柱高度表示时称为真空度，记为hv。
hv
pv
第二章 水静力学
主要内容： §2-1 静水压强及其特性 §2-2 液体平衡微分方程及其积分 §2-3 重力作用下静水压强的分布规律
水静力学的任务: 是研究液体平衡的基本规 律及其实际应用。
液体的平衡 状态有两种
静止状态 相对平衡状态
• 液体处于平衡状态时，液体质点之间没有相 对运动，液体内部不存在切应力；
pA
pB
为位置水头；
p 表示该点压强的液柱高度，称为压
强水头。
z
p
表示测压管液面到基准面的高度，称为测压管水头。
注意：以上各项均具有长度量纲；
位置水头、压强水头、测压管水头的物理意义
位置水头表示单位重量液体从某一基准面算起所具有的位 置势能，简称位能。 mgz / mg z
压强水头表示单位重量液体从压强为大气压强算起所具有
dz并将它们相加，得
p dx p dy p dz ( Xdx Ydy Zdz)
x y z
左边是连续函数p(x,y,z)的全微分dp,则
dp (Xdx Ydy Zdz)
存在某一力势函数Ω(x,y,z)与单位质量力在各坐
标轴上的投影X、Y、Z满足以下关系：
X , Y , Z
x
根据等压面的定义dp=0，由液体平衡微分方程式可得
Xdx Ydy Zdz 0
等压面的性质
pr pabs pa
真空压强：如果液体中某处的绝对压强小于大气压强，则 相对压强为负值，称为负压。负压的绝对值称为真空压强， 以pv表示。
pv | pabs pa | pa pabs
真空度：真空压强用水柱高度表示时称为真空度，记为hv。
hv
pv
第二章 水静力学
主要内容： §2-1 静水压强及其特性 §2-2 液体平衡微分方程及其积分 §2-3 重力作用下静水压强的分布规律
水静力学的任务: 是研究液体平衡的基本规 律及其实际应用。
液体的平衡 状态有两种
静止状态 相对平衡状态
• 液体处于平衡状态时，液体质点之间没有相 对运动，液体内部不存在切应力；
pA
pB
为位置水头；
p 表示该点压强的液柱高度，称为压
强水头。
z
p
表示测压管液面到基准面的高度，称为测压管水头。
注意：以上各项均具有长度量纲；
位置水头、压强水头、测压管水头的物理意义
位置水头表示单位重量液体从某一基准面算起所具有的位 置势能，简称位能。 mgz / mg z
压强水头表示单位重量液体从压强为大气压强算起所具有
dz并将它们相加，得
p dx p dy p dz ( Xdx Ydy Zdz)
x y z
左边是连续函数p(x,y,z)的全微分dp,则
dp (Xdx Ydy Zdz)
存在某一力势函数Ω(x,y,z)与单位质量力在各坐
标轴上的投影X、Y、Z满足以下关系：
X , Y , Z
x
根据等压面的定义dp=0，由液体平衡微分方程式可得
Xdx Ydy Zdz 0
等压面的性质
水力学系统讲义课件第五章(1)-流动形态及水头损失
1
v1≈0 进口
0 1
转弯 突扩
突缩 阀门
H
2 V0 Q
2
h w12 hf hj
过水断面的形状和尺寸对沿程水头损失的影响
A
A
A
A1
A2
Χ1
Χ2
Χ3
Χ4
Χ5
圆形
正方形
长方形
(a)
(b)
湿周：过水断面上被液体湿润的固体周界长度，
记为χ。
1 2 3
hf1 hf 2 hf 3
产生原因：液体的粘滞性和液体质点间的动量 交换而引起的。
1
v1≈0 进口
0 1
转弯 突扩
突缩 阀门
H
2 V0 Q
2
局部水头损失：在水流方向、断面形状和尺寸 改变以及障碍处产生，记为hj。
产生原因：局部地区产生漩涡。漩涡的产生及 维持，漩涡水体与主流之间的动量交换，漩涡 间的碰撞与摩擦均需消耗能量而引起水头损失。
形过水断面渠道的水 力半径为
b
矩形过水断面渠道的水力 半径，令m=0，则
R bh mh2 b 2h 1 m2
R bh b 2h
对于h/b<1/10的宽矩形过水断面渠道的水力半径
R h h 1 2 h b
§5-2 均匀流中沿程水头损失的计算 公式
圆管总流中取出长度为s的一段作为控制体，研 究其平衡。假设流动是恒定的均匀流，且液体 是不可压缩的。
实验结论
1.同一种液体在同一个管道中流动，当流速不 同时液体有两种不同的运动型态：
（1）层流：是指在流速较小时，液体质点作有 条不紊的直线运动，水流各层上的质点互不掺 混。 （2）紊流（湍流）：是指在流速较大时，流层 逐渐不稳定，质点相互掺混，液体质点运动轨 迹极不规则的流动。
水力学第一章PPT课件
处的速度梯度
du 4 1 dy 3 y1/3
及d切u / 应dy力τ。
y1 0.01m, y2 0.1m
du dy
y1
4 3
3
1 0.01
6.18s1
du dy
y2
4 1 2.87s1 3 3 0.1
y1 1.14103 6.18 7.06103 N / m2
y2
1.14
103
2.87
一种反作用力。
F ma
重力质量为m的物体在地球上受到的万有引力称为
重力。
G mg
第10页/共34页
密度
质量密度 单位体积液体的质量称为质量密度，简
称密度，用ρ表示。 密度的量纲为[M/L3]，单位为kg/m3 对于均质液体，
MV
第11页/共34页
重量密度 单位体积液体具有的重量，简称为重
度或容重，用γ表示，量纲为[M/L2T2]， 单位为N/m3。 对于均质液体，
•按表面力的作用方 法向力（压力）
向分
切向力
•质量力是指通过液体质量而起作用，其 大小与质量成正比的力，重力、惯性力；
•质量力大小的度量 总质量力 单位质量力
作用于单位质量液体 上的质量力
第28页/共34页
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
1.6.2 实验研究法
1. 现场观测实验（原型观测） 2. 实验室模型实验
1.6.3 数值计算法
采用数值计算方法求解液体运动的控制方程
第30页/共34页
例题
例1.3.1 液体在平板上流动，如图所示，速度u与距
平板的垂直距离y的关系为 u 。2假y2/设3 液体的动力粘 度μ=1.14×10-3Pa.s，试求：距平板1cm和10cm
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的共轭水深一个假设值并代入水跃方程，如假设
水
的水深能满足水跃方程，则该水深即是欲求的共
力
轭水深。否则，须另设水深直至水跃方程得到满
学
讲
足为止。试算法的准确度高，但计算较繁。
义
➢图解法
图解法是利用水跃函数曲线来直接求解共轭水
水
深。根据公式
J (h) Q计2算出A相hc应的函数J
gA
力
（h）。
学
讲
义
跃段中转化为热能而损失掉。跃后断面
2－2处，流速的分布还是很不均匀的。同时，该
水 力
处的紊流强度也远较正常的、即一般渐变紊流的为 大。虽然在断面2－2下游不远的断面c－c处，流 速分布已与渐变紊流的相近,但紊流强度仍大。直
学
到断面3－3处。紊流强度才基本恢复正常。断面2
讲
－2与断面3－3之间的流段称跃后段。其长度Ljj约 为（2.5-3.0）。在跃后段中,紊流的附加切应力仍
水 力
➢J即(h): 称为水J（跃h函1数），=水J（跃h方2程）表明跃前断面的水跃
函数值等于跃后断面的水跃函数值。我们把满足水跃
学
方程的跃前断面水深h1和跃后断面水深h2称为一对共
讲 轭水深。
义
2 棱柱体水平明渠中水跃共轭水深的计算
一、共轭水深计算的一般方法 应用水跃方程解共轭水深时，虽然方程中仅有一个
学 讲
简化为：
Ejj (α 2 - 1) v2 2
义
2g
第七章
➢棱柱体矩形水平明渠地Ejj的计算公式：
水 力 学
Ejj h1 (α 2 - 1)(η +1) 4η
讲
义
第七章
四、水跃总水头损失和水跃段水头损失的 近似计算
➢水跃总水头损失E是指水跃段与跃后段水
头损失之和
水 ➢棱柱体水平明渠E的计算公式为：
义 较大。
二、水跃段水头损失的计算
➢对水跃的跃前和跃后断面应用能量方程即可导出 水跃段水头损失Ej的计算公式。
由能量方程导出的棱柱体水平明渠的Ej的计算
公式：
水
力
学 讲
Ej (h1 1v12 ) (h2 2v22 )
2g
2g
义
➢棱柱体矩形水平明渠的Ej的计算公式：
Ej h1 [(η -1)3 ( 2 1)(η +1)]
学
着h亦即随着跃前水深的减小而增大。
讲
义
➢当明渠的流量以及断面的形状和尺寸一定
水 时，跃前水深越小则跃后水深越大；反之, 力 学 跃前水深越大则跃后水深越小。 讲 义
二、梯形明渠共轭水深的计算
棱柱体梯形水平明渠的共轭水深不易直接由水
水 跃方程解出。在计算其共轭水深时，除了可以来用 力 前述的试算法或图解法外，为了进一步简化计算， 学 还可以应用一些特制的计算曲线。 讲 义
未知数，但除了明渠断面的形状为简单的矩形外,一般
讲来,水跃方程中的A和hc都是共扼水深的复杂函数，
水 因此水深不易直接由方程解出。在不易直接求解的情 力 况下,我们可以采用下述的一般方法,即试算法和图解 学 法。这种方法对于各种断面形状的明渠都适用。 讲 义
➢试算法
在应用试算法解共扼水深时。可先给予欲求
量损失。我们既不能将它忽略不计，又没有一个独
立于能量方程之外的，用来确定水跃能量损失的公
水
式。因此，在推导水跃方程时，不能应用恒定总流
力
的能量方程而必须采用恒定总流的动量方程。因为 对水跃段应用动量方程可以不涉及水跃中地较大地
学
能量方程。
讲
义
二、棱柱体水平明渠中,水跃的基本方程式为:
Q2
Q2
A1hc1 gA1 A2hc2 gA2
三、矩形明渠共轭水深的计算
➢矩形断面明渠的共轭水深计算依据下列公式 ：
水
h2
h1 [ 2
18Fr12
1]
力
学或 讲
h1
h2 2
[
18Fr22 1]
义
3 水跃方程的实验验证
水跃的共轭水深计算是以水跃方程为依据的。在
推导该理论方程时，曾作过一些假定。这些假定是
Hale Waihona Puke 否正确，有待实验来证明。水 力
闸、坝等泄水建筑物下游的消能段多为矩形。因 此,矩形明渠的水跃计算具有十分重要的意义。百 多年来，许多国家对棱柱体矩形水平槽中的水跃进
➢以水深h为纵轴，以水跃函数J(h)为横轴， 绘出水跃函数曲线,如图。
水 力 学 讲 义
➢水跃函数曲线的特性：
1、水跃函数J(h)有一极小值J(h)min。与J(h)min相 应的水深即是临界水深。
2、当 h ＞ hk 时(相当于曲线的上半支)，J(h)随
着h亦即随着跃后水深的减小而减小。
水
力
3、当 h ＜ hk 时(相当于曲线的下半支)，J(h)随
力
学
E Ej Ejj (h1 1v12 ) (h2 2v22 )
讲
2g
2g
义
第七章
➢棱柱体矩形水平明渠的E的计算公式：
E h1 (η - 1)3 4η
水 力
➢水跃段损失在总水头损失的百分比计算公 式：
学 讲
Ej E
1 (α 2 -
η +1 1) (η -1)3
学
行了广泛的实验研究，并积累了丰富的实验资料。
讲
现以其中最完善的资料对水跃方程进行验证。
义
4 棱柱体水平明渠中水跃的能量损失
一、水跃能量损失机理简述
水 力 学 讲 义
水跃的运动要素变化得很剧烈。上图绘出了水
跃段中和跃后一些断面上的流速分布图。从图中可
以看出，水流运动要素的急剧变化，特别是很大的
紊流附加切应力使跃前断面水流的大部分动能在水
跃前水深h'——跃前断面（表面旋滚起点所在过
水断面）的水深；
跃后水深h"——跃后断面(表面旋滚终点所在过
水
水断面）的水深；
力
水跃高度 a= h"- h'
学
水跃长度Lj——跃前断面与跃后断面之间的距离.
讲
义
1 棱柱体水平明渠的水跃方程
一、推导
在推导水跃方程之前，先探讨一下推导的方法。
对于属于明渠急变流的水跃来讲，其中有较大的能
第七章
➢概念：
水跃（hydraulic jump）：是明槽水流从急
水 力 流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起的局部 学 水力现象(即在较短地渠段内水深从小于临界 讲 义 水深急剧地跃到大于临界水深)。
例如：在溢洪道下、泄水闸下、平坡渠道中 闸下出流时均可形成，如图：
水 力 学 讲 义
➢水跃区的几个要素：
4η
式中的可2 按下式计算：
水
2 0.85Fr12/3 0.25
力
➢从上式可以看出， 是2 随着Fr1的增加而增大的。
学
讲
义
第七章
三、跃后段水头损失的计算
棱柱体水平明渠跃后段的水头损失公式：
Ejj
(h2
α 2v2
2
)
(h3
α 3v32
)
水
2g
2g
力
α 近似地令h3= h2，v3= v2及 3 ＝1，于是上式可