水力学教案 (1)Word文档格式.doc
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二是研究如何运用基本规律来解决人类活动中对水力学提出的各种实际问题，这是水力学的应用部分。
水力学的研究对象——以水为代表的液体，所以水力学的基本理论不仅适用于水，也适用于一般液体和可忽略压缩性影响的气体。
水力学内容：
水静力学是研究液体在平衡或静止状态下的力学规律及其应用；
水动力学是研究液体在运动状态下的力学规律及其应用。
实际上，水静力学是特定条件下的水动力学问题。
水力学研究课题：
1、水力荷载
水工建筑物建成后，都要承受巨大的静水压力或动水压力，以及透水基础中的透水压力等。
2、过水能力
一般在水利枢纽中常设有输水、泄水、水电站以及通航等建筑物，因此需要根据水力学基本原理，研究这些建筑物在各种条件下的过水能力及其影响因素。
3、水流流态
当水流通过各种建筑物时将会形成各种水流运动状态，因此需要事先为枢纽设计和布置等提供有关的水力学要素。
4、水流能量损失
由于运动的水流存在着粘滞切力，水流流态的改变和水流能量的转换等，都将使水流产生能量损失。
水力学的研究方法：
1、理论分析法
2、科学试验法
3、数值计算法
第二节液体的基本特性及主要物理性质
一、液体的基本特性
自然界的物质可分为固体、液体和气体三种存在形式。
固体的主要特征,是具有固定的形状,在外力的作用下不容易变形。
液体和气体统称为流体,流体的共同特征，是容易流动和变形。
液体和气体的主要区别在于,液体在外力的作用下不易压缩，而气体在外力的作用下则容易压缩。
二、液体的主要物理性质
1.质量与密度
质量是物体惯性大小的度量。
质量愈大的物体,惯性愈大,其反抗改变原有运动状态的能力也就愈强。
对于质量是均匀分布的均质液体,其单位体积的质量称为密度,即
（1-2）
式中V——液体的体积。
Ρ——密度，g/cm3
或kg/m3。
2.重量与容重
地球上的物体,都会受到地心引力的作用,这种地球对物体的引力就称为重量（或重力）。
重量用G表示,重量的单位为N或KN。
对于质量为m的液体，其重量为
G=mg
（1-3）
式中g——重力加速度,g＝9.8m/s2
对于均质液体,单位体积的重量称为容重,则容重为：
（1-4）
γ——容重，N/m3
或kN/m3。
由式（1-3）和式（1-4）,可得容重与密度的关系为
（1-5）
因为液体的体积随着温度和压强的变化而变化,故其容重与密度也将随之而发生变化,但变化很小。
通常将水的容重和密度视为常数,在温度为4℃、压强为一个大气压的条件下,水的容重为9.8kN/m3
密度为1000kg/m3。
[例1-1]
己知某液体的体积为6m3,密度为983.3kg/m3
求该液体的质量和容重。
解：
由式（1-2）得,液体的质量:
m=ρV=983.3×
6=5899.8（kg）
由式（1-5）得,液体的容重:
γ=ρg=983.3×
9.80=9636.3（N/m3
）
3、液体的粘滞性
（1）粘滞性
液体在运动状态下,流层间存在着相对运动，从而产生内摩擦力,具有抵抗剪切变形的能力的特性，称为液体的粘滞性。
（2）牛顿内摩擦定律及粘滞系数
为了说明粘滞性的存在对水流运动的影响,现以明渠水流为例予以说明。
当渠道中的水流作直线运动,在渠道底部,由于粘滞性的存在,水流与边壁之间存在着附着力,液体质点的速度为零;
距渠底愈远流速愈大,当忽略表面张力的影响时,自由表面上的流速最大。
垂线上各点的流速不等,表明液体内部流层间存在着相对运动。
流层间的相对运动一经形成后,快层的质点将带动慢层的质点,从而在相邻流层的接触面上产生成对的内摩擦力。
内摩擦力一方面作用于质点上使其发生剪切变形运动;
另一方面,对液体质点来说,它又是企图抵抗剪切变形运动的力。
内摩擦力的大小可由牛顿内摩擦定律确定。
单位面积上的内摩擦力称为粘滞切应力,用τ表示,即
（1-7）
上式中μ——动力粘滞系数，N•s/m2
或Pa•s；
τ——相邻流层间接触面的面积；
——流速梯度,1/s
动力粘滞系数μ值与液体的性质和温度有关,它反映了液体的性质对内摩擦力的影响，是度量液体粘滞性大小的物理量。
μ值大的粘滞性大,μ值小
的粘滞性小。
在水力计算技术中,液体的粘滞性还可用另一种形式的粘滞系数来描述,ν称为运动粘度,ν的单位为cm2
/s或m2
/s。
设水温为t,以℃计,水的运动粘度可用下述经验公式求得：
（1-8）
4、液体的压缩性
压缩性：
液体不能承受拉力，只能承受压力，抵抗体积压缩变形，当压力除去后又恢复原状，消除变形。
液体具有的这种性质称为液体的压缩性，亦可称之为弹性。
5、
液体的表面张力特性
表面张力特性“
由于液体表层分子之间的相互吸引,因此使得液体表层形成拉紧收缩的趋势。
液体的这种在表面薄层内能够承受微小拉力的特性,称为表面张力特性。
表面张力不仅存在于液体的自由表面上,也存在于不相混合的两层液体之间的接触面上。
表面张力很小,通常情况下可以忽略不计,仅当液体的表面曲率很大时才需考虑。
第三节水流运动的基本概念及分类
一，流线与过水断面
（一）流线
概念：
流线的人们假想的用来描述流动场中某一瞬间时所有水流质点流速方向的光滑曲线。
特点：
流线既不是折线，也不能彼此相交。
（二）过水断面
过水断面——垂直于水流流向的横断面，用A表示。
湿周——过水断面上与水流相接触的边界周长，用χ表示。
水力半径——过水断面面积与湿周的比值，用R表示
注：
水力学上把A、R、χ称为过水断面的水力要素。
二、流量与断面平均流速
（一）流量
概念：
单位时间内流过过水断面的水体体积，以Q表示。
泄水建筑物过流能力的大小就用流量来描述。
为计算方便，工程上常用断面平均流速代替断面上各点的实际流速，即
Q=vA
式中Q——流量，m3/s
v——断面平均流速，m/s
（二）断面平均流速
过水断面上的流量Q与过水断面面积A之比称为平均流速，即
三、水流运动的分类
（一）恒定流与非恒定流
在水流流动的空间上，任一固定空间点处的运动要素不随时间发生变化的水流称为恒定流，反之，称为非恒定流。
一般说来，实际水流多为非恒定流，只要水流运动要素在相当长的时间段内时间平均值基本不变，或变化非常缓慢，就可以按恒定流来计算。
（二）均匀流与非均匀流
在流动过程中，水流的运动要素沿流程不变的水流称为均匀流，反之称为非均匀流。
均匀流：
流线彼此为平行的直线，过水断面为一平面且大小沿程不变。
非均匀流：
流线虽为直线，但相互不平行
流线彼此平行，但流线弯曲
流线既不是直线，也不平行
（三）渐变流与急变流
水流流线间的夹角很小，流线的弯曲不大，流线近似为平行直线的水流称为渐变流，反之称为急变流。
特性：
渐变流：
渐变流断面近似为平面
过水断面只受压力和重力的影响
急变流：
过水断面不是平面
过水断面除受压力和重力外，还受离心惯性力的作用。
（四）有压流与无压流
在无自由表面的固体边界内流动的水流称为有压流，如管流。
在具有自由液面的固体边界内流动的水流称为无压流，如明渠水流。
有压流——没有自由水面，压强一般不等于大气压
无压流——具有自由液面，水面压强等于大气压
小结：
1、概念
2、计算公式
3、习题讲解
老师提问
学生思考
举工程实例
例举
图标讲解
对比讲解
插图
0．5学时
2．5学时
2学时
1学时
作业及思考
P10页1-1、1-2、1-4、1-5、1-6
课后分析:
通过概念讲解和多媒体演示，把很多知识点讲解的很清楚，一目了然，激发了学生学习的兴趣和信心。
本章多为概念性知识，较易理解和掌握。
教研室任
审核签名
2
10
讲授
第二章水压力及其计算
1、正确理解静水压强的两个重要的特性和等压面的性质。
2、掌握静水压强基本公式和物理意义，会用基本公式进行静水压强计算。
3、掌握静水压强的单位和三种表示方法；
理解位置水头、压强水头和测管水头的物理意义和几何意义。
4、会画静水压强分布图，并熟练应用图解法计算作用在平面上的静水总压力。
5、会正确绘制压力体剖面图
1、静水压强的两个特性及有关基本概念。
2、重力作用下静水压强基本公式和物理意义。
3、静水压强的表示和计算。
4、静水压强分布图和平面上的静水总压力的计算。
5、压力体的构成和绘制。
1、静水压强的表示
2、压力体的构成和绘制
3、静水压强分布图和平面上的静水总压力的计算
第一节静水压强的基本规律
一、静水压强及其特性
静止液体作用在单位受压面积上的压力称为静水压强，单位为（N/m2），也称为帕斯卡（Pa）。
某点的静水压强p可表示为：
静水压强有两个重要特性：
（1）静水压强的方向垂直并且指向受压面；
（2）静止液体内任一点沿各方向上静水压强的大小都相等，或者说每一点的静水压强仅是该点坐标的函数，与受压面的方向无关。
这两个特性是计算任意点静水压强、绘制静水压强分布图和计算平面与曲面上静水总压力的理论基础。
A
B
二、静水压强基本规律
（一）等压面
液体中由压强相等的各点所构成的面（可以是平面或曲面）称为等压面，静止液体的自由表面就是等压面。
注意：
（1）静止液体质量力仅为重力时，等压面必定是水平面；
（2）平衡液体与大气相接触的自由表面为等压面；
（3）不同液体的交界面也是等压面。
重力作用下的静水压强基本公式
重力作用下的静水压强基本公式（水静力学基本公式）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。
该式表明：
静止液体内任一点的静水压强由两部分组成，一部分是液体表面压强p0，它将等值地传递到液体内每一点；
另一部分是高度为h的液柱产生的压强γh。
（二）绝对压强、相对压强和真空压强
1、以设想完全没有大气存在的绝对真空为零计量的压强称为绝对压强p＇，即
p＇=pa+γh
2、以当地大气压作为零点计量的压强是相对压强p，即
p=p＇-pa
3、当液体中某点的绝对压强小于当地大气压强，该点的相对压强为负值，则称该点存在真空。
负压的绝对值称为真空压强hυ，即
（2—8）
绝对压强永远是正值，相对压强可正也可负，真空压强（真空度）不能为负值。
压强的计量单位表示有三种：
（1）用应力单位表示：
N/m2（Pa）或kN/m2（kPa）；
（2）用大气压的倍数表示：
即pa=98kN/m2，用pa的倍数表示；
（3）用液柱高度：
米水柱高度（mH2O）或毫米水银柱高度（mmHg）。
水头和单位势能
重力作用下静水压强基本公式可表示为：
p=p0+γ（z0-z）或z+=c（2—9）
水力学中习惯用“水头”来称呼这些具有能量意义的长度量，即z称为位置水头（即单位重量液体具有的位置势能），称为压强水头（单位重量液体具有的压强势能），而（）称为测压管水头（表示单位重量液体具有的总势能）。
因此，水静力学基本方程也可表述为：
静止液体中各点的测压管水头是常数。
该方程反映了静止液体中的能量分布规律。
三、压强的测量和计算
测量液体的压强，可以用压力表（机械式压强量测仪表）、压力传感器（电测方法）等量测仪器，也可以用水静力学原理设计的测压管、比压计、U型水银测压计等量测仪器和方法。
第二节静水压强分布图
一、压强分布图的绘制
静水压强分布图可以形象地反映受压面平上的压强分布情况，并能据此计算矩形平面上的静水总压力。
二、作用在平面上静水总压力
（一）用压强分布图求矩形平面上的静水总压力
适用条件：
受压面为矩形平面。
1、静水压力的大小
F=Sb
F——静水总压力；
S——压强分布图的面积；
b——受压面的宽度
2、静水总压力的方向
静水总压力的方向垂直指向该平面。
3、静水总压力的作用点
压强分布图形为：
矩形：
作用在L/2处；
三角形：
作用在e=H/3处；
梯形：
作用在
例题：
如图所示矩形平板闸门AB宽b=3m，门重G=9800N，α=60°
，h1=1m，h2=1.73m。
试求：
下游无水时作用在闸门上的静水总压力P。
（1）用压力图法求P
静水总压力为：
三、作用在曲面上的静水总压力
作用于曲面上任意点的相对的静水压强，其大小仍等于该点的淹没深度乘以液体的单位体积的重量，其方向也是垂直指向作用面。
压力体应由下列周界面所围成：
1．受压曲面本身；
2．液面或液面的延长面；
3．通过曲面的四个边缘向液面或液面的延长面所作的铅垂平面。
a
有液体
无液体
求作用在曲面上的静水总压力P，可先求出其水平分力Px和铅垂分力Pz，然后合成为总压力P。
（1）静水总压力的水平分力Px等于作用在该曲面的铅垂投影面Ax上的静水总压力，即Px=pcAx=γhcAx
（2）静水总压力的铅垂分力Pz等于曲面所托压力体的水重。
这时静水总压力的铅垂分力Pz为
Pz=γV
（3）作用在曲面上的静水总压力P为
总压力与水平方向的夹角α为
第三节动水总压力的计算
水在流动状态下所产生的压力叫动水压力，用F表示。
一、动水压强的分布规律
（一）均匀流过水断面上动水压强的分别规律
均匀流上只有压力和重力，受力情况与静水时的受力情况相同，所以，在均匀流过水断面上各点动水压强的变化规律也和静水压强的变化规律相同，即
（二）渐变流的动水压强分别规律
由于渐变流流线弯曲很小，故渐变流各流线之间近似为平行直线，因此，渐变流过水断面上动水压强的分布规律近似地与静水压强的分布规律相同。
二、动水总压力的计算
例题讲解：
老师
提问
讲解
练习
讲解练习
2-1、2-2、2-2、2-14、2-16、2-17
通过概念、例题的讲解和多媒体演示，把很多知识点讲解的很清楚，一目了然，但对于压强分布图的绘制这个知识点在黑板上讲解，效果较好。
3
14学时
讲授
第三章水流运动的基本原理
1、恒定流的连续性方程
2、恒定流的能量方程
3、恒定流的动量方程
4、水头损失及其计算
5、重点：
1、恒定流的连续性方程
2、恒定流的能量方程
3、层流与紊流的判别
4、水头损失的计算
1、恒定流的能量方程
2、水头损失的计算
第一节恒定流的连续性方程
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：
3．系统的概念
包含固定质量的无限多个液体质点的集合称为系统。
4．质量守恒原理
在运动过程中，任何时刻的质量都等于同一个常数。
二、恒定流的连续性方程
由于 Q=vA
v1A1=v2A2=Q,
所以
连续性方程表明：
在恒定流条件下，通过各个断面上的流量是相当的。
反映了恒定水流的过水面积与断面平均流速之间的变化规律。
当有分流时，方程可表示为：
三、例题讲解与练习
例3-1、
学会将明渠公式推导为管流的连续性方程。
例3-2、
学会运用分流与总流的计算公式。
例3-3、
学会对梯形过水断面面积的计算。
第二节恒定流的能量方程
一、概念
1.功
设作用在液流系统上的力为F，某一时段内系统在力的方向上的位移为S，则功为：
W=FS
W——功，J
2.动能
某液流系统的质量为m，速度为v，则动能为：
3.动能定理
液流系统在某一时段内动能的增量，等于作用于该物体上的全部外力所作用的功，即
二、恒定流的能量方程
1．恒定流的能
升级会员 