水力学知识点讲解

水力学

第一章绪论

(一)液体的主要物理性质

1．惯性与重力特性：掌握水的密度ρ和容重γ；

2．粘滞性：液体的粘滞性是液体在流动中产生能量损失的根本原因。

描述液体内部的粘滞力规律的是牛顿内摩擦定律 :

注意牛顿内摩擦定律适用范围：1)牛顿流体， 2)层流运动

3．可压缩性：在研究水击时需要考虑。

4．表面张力特性：进行模型试验时需要考虑。

下面我们介绍水力学的两个基本假设：

(二)连续介质和理想液体假设

1．连续介质：液体是由液体质点组成的连续体,可以用连续函数描述液体运动的物理量。

2．理想液体：忽略粘滞性的液体。

（三）作用在液体上的两类作用力

第二章水静力学

水静力学包括静水压强和静水总压力两部分内容。通过静水压强和静水总压力的计算，我们可以求作用在建筑物上的静水荷载。

（一）静水压强：

主要掌握静水压强特性,等压面,水头的概念，以及静水压强的计算和不同表示方法。

1．静水压强的两个特性：

（1）静水压强的方向垂直且指向受压面

（2）静水压强的大小仅与该点坐标有关，与受压面方向无关，

2.等压面与连通器原理：在只受重力作用,连通的同种液体内, 等压面是水平面。

(它是静水压强计算和测量的依据）

3．重力作用下静水压强基本公式（水静力学基本公式）

p=p0+γh 或

其中： z—位置水头，

p/γ—压强水头

（z+p/γ）—测压管水头

请注意，“水头”表示单位重量液体含有的能量。

4．压强的三种表示方法：绝对压强p′，相对压强p，真空度p v, ↑它们之间的关系为：p= p′-p a p v=│p│（当p＜0时p v存在）↑

相对压强:p=γh,可以是正值，也可以是负值。要求掌握绝对压强、相对压强和真空度三者的概念和它们之间的转换关系。

1pa(工程大气压)=98000N/m2=98KN/m2

下面我们讨论静水总压力的计算。计算静水总压力包括求力的大小、方向和作用点，受压面可以分为平面和曲面两类。根据平面的形状：对规则的矩形平面可采用图解法，任意形状的平面都可以用解析法进行计算。

（一）静水总压力的计算

1)平面壁静水总压力

（1）图解法：大小：P=Ωb,Ω--静水压强分布图面积

方向：垂直并指向受压平面

作用线：过压强分布图的形心，作用点位于对称轴上。

静水压强分布图是根据静水压强与水深成正比关系绘制的，只要用比例线段分别画出平面上俩点的静水压强，把它们端点联系起来，就是静水压强分布图。

（2）解析法：大小：P=p c A, p c—形心处压强

方向：垂直并指向受压平面

作用点D：通常作用点位于对称轴上，在平面的几何中心之下。

求作用在曲面上的静水总压力P，是分别求它们的水平分力P x和铅垂分力P z，然后再合成总压力P。（3）曲面壁静水总压力

1）水平分力：P x=p c A x=γh c A x

水平分力就是曲面在铅垂面上投影平面的静水总压力，它等于该投影平面形心点的压强乘以投影面面积。要求能够绘制水平分力P x的压强分布图，即曲面在铅垂面上投影平面的静水压强分布图。

2〕铅垂分力：P z=γV ,V---压力体体积。

在求铅垂分力P z时,要绘制压力体剖面图。压力体是由自由液面或其延长面,受压曲面以及过曲面边缘的铅垂平面这三部分围成的体积。当压力体与受压面在曲面的同侧，那么铅垂分力的方向向下；当压力体与受压面在曲面的两侧，则铅垂分力的方向向上。

3〕合力方向：α=arctg

第三章液体运动基本概念和基本方程

这一章主要掌握液体运动的基本概念和基本方程，并且应用这些基本方程解决实际工程问题。下面我们首先介绍有关液体运动的基本概念：

（一）液体运动的基本概念

1.流线的特点:反映液体运动趋势的图线。

流线的性质:流线不能相交；流线不能转折。

2 .流动的分类

非恒定流均匀流:过水断面上

液流

恒定流非均匀流渐变流

急变流

在均匀流和渐变流过水断面上，压强分布满足：

另外断面平均流速和流量的概念要搞清。

（二）液体运动基本方程

1.恒定总流连续方程

v 1A1= v 2A2 ,

Q=vA

利用连续方程，已知流量可以求断面平均流速，或者通过两断面间的几何关系求断面平均流速。

2.恒定总流能量方程

J= —水力坡度，表示单位长度流程上的水头损失。

能量方程是应用最广泛的方程，能量方程中的最后一项h w是单位重量液体从1断面流到2断面的平均水头损失，在第四章专门讨论它的变化规律和计算方法，

（1）能量方程应用条件：

恒定流，只有重力作用，不可压缩

渐变流断面，无流量和能量的出入

（2）能量方程应用注意事项:

三选：选择统一基准面便于计算

选典型点计算测压管水头 :

选计算断面使未知量尽可能少

（压强计算采用统一标准）

（3）能量方程的应用：

它经常与连续方程联解求：断面平均流速，管道压强，作用水头等。

文丘里流量计是利用能量方程确定管道流量的仪器。

毕托管则是利用能量方程确定明渠（水槽）流速的仪器。

当我们需要求解水流与固体边界之间的作用力时，必须要用到动量方程。

3.恒定总流动量方程

∑F x=ρQ（β2 v 2x-β1 v 1x）

投影形式∑F y=ρQ（β2 v 2y -β1 v 1y）

∑F z=ρQ（β2 v 2z -β1 v 1z）

β—动量修正系数，一般取β=

式中：∑F x、∑F y、∑F z是作用在控制体上所有外力沿各坐标轴分量的合力，V1i,V2i是进口和出口断面上平均流速在各坐标轴上投影的分量。动量方程的应用条件与能量方程相似，恒定流和计算断面应位于渐变流段。应用动量方程特别要注意下面几个问题：

(2)动量方程应用注意事项：

a)动量方程是矢量方程，要建立坐标系。（所建坐标系应使投影分量越多等于0为好，这样可以

简化计算过程。）

b)流速和力矢量的投影带正负号。（当投影分量与坐标方向一致为正，反之为负）

c)流出动量减去流入动量。

d)正确分析作用在水体上的力，

一般有重力、压力和边界作用力(作用在水体上的力通常有重力、压力和边界作用力)

e)未知力的方向可以任意假设。（计算结果为正表示假设正确，否则假设方向与实际相反）

通常动量方程需要与能量方程和连续方程联合求解。

下面我们举例说明液体动量方程的应用：

（3）用动量方程求水流对弧形闸门的作用力