水力学总复习课件.ppt

水力学（工程流体力学）水力学（工程流体力学）复复 习习 要要 点点 1a液体的主要物理性液体的主要物理性质质连续连续介介质质、密度、粘滞性、、密度、粘滞性、压缩压缩性、表面性、表面张张力力连续连续介介质质的假的假说说课课程程主主要要内内容容基本理基本理论论牛牛顿顿内摩擦定律内摩擦定律水静力学水静力学水水动动力学力学液流型液流型态态与水与水头损头损失失应应用部分用部分有有压压管道中的恒定流管道中的恒定流明渠恒定流明渠恒定流明渠非恒定流（含水明渠非恒定流（含水跃跃））堰流和堰流和闸闸孔出流孔出流2a一、流体静力学复一、流体静力学复习习要点要点静水静水压压强强概念、特性、分布概念、特性、分布规规律律等等压压面的定面的定义义及特性及特性绝对压绝对压强强、相、相对压对压强强、真空度、真空度静水静水压压强强及静水及静水总压总压力的力的计计算算静水静水压压强强分布分布图图的的绘绘制制压压力体力体图图的的绘绘制制 3a1 1、静水、静水压压强强特性、分布特性、分布规规律律 均匀流和非均匀均匀流和非均匀渐变渐变流流过过水断面水断面动动水水压压强强分布分布规规律符合静水律符合静水压压强强分布分布规规律律方向垂直并且指向受方向垂直并且指向受压压面面各向等各向等值值性性4a2、等、等压压面的定面的定义义及特性及特性 同一种静止相同一种静止相连连通的流体的等通的流体的等压压面必是水平面面必是水平面（只有重力作用下）自由表面、不同流体的交界面（只有重力作用下）自由表面、不同流体的交界面都是等都是等压压面。

面几何意几何意义义和能量意和能量意义义3、、绝对压绝对压强强、相、相对压对压强强、液柱表示法、真空、液柱表示法、真空5a4、静水、静水压压强强分布分布图图的的绘绘制中制中应应注意的注意的问题问题1 1））绘绘制制压压强强分布的理分布的理论论依据是静水依据是静水压压强强的两个的两个特性及静水特性及静水压压强强计计算的基本方程；算的基本方程；2 2）所）所绘绘的的压压强强分布分布图应图应是相是相对压对压强强分布分布图图1 1））图图解法解法仅仅适用于矩形受适用于矩形受压压面；面；2 2））图图解法解法应应先作出受先作出受压压面上的面上的压压强强分布分布图图，而解，而解析法析法则则不必作不必作压压强强分布分布图图 5、平面上静水、平面上静水总压总压力力计计算中算中应应注意的注意的问题问题6a6、曲面上静水、曲面上静水总压总压力力计计算中算中应应注意的注意的问题问题1 1）正确）正确绘绘制制PxPx分布分布图图这这里，里，弄清投影面弄清投影面AxAx的意的意义义并找出相并找出相应应曲面的曲面的AxAx是至关重要的；是至关重要的； 2 2）正确）正确绘绘制制压压力体剖面力体剖面图图绘绘制制压压力体剖面力体剖面图图，，实质实质上是按一上是按一定的方式和比例（同一点的定的方式和比例（同一点的PzPz与与h h等等长长），），绘绘制制““垂直方向的垂直方向的压压强强分布分布图图””。

7a例例1:1:复式复式压压差差计测计测气体管道的气体管道的压压强强差点点1 的的压压强强 ：：p A点点2 的的压压强强：： PA－－ρρ2 (Z2－－Z1) )g g 点点3的的压压强强 ：： PA－－ρρ2 (Z2－－Z1)g g+ρρ1(Z2－－Z3)g 点点4的的压压强强：： PA－－ρρ2 (Z2－－Z1)g g+ρρ1(Z2－－Z3)g－－ ρρ2 (Z4－－Z3)g= g= PB所以：所以：PA－－PB=ρρ2 (Z2－－Z1+ Z4－－Z3) )g g－－ρρ1(Z2－－Z3)g8a例例例例2 2 2 2：：：：试绘试绘试绘试绘制制制制图图图图中壁面上的中壁面上的中壁面上的中壁面上的压压压压强强强强分布分布分布分布图图图图9a 例例例例3 3 3 3：：：：单单单单位位位位宽宽宽宽度度度度的的的的平平平平板板板板将将将将渠渠渠渠道道道道上上上上下下下下游游游游的的的的水水水水隔隔隔隔开开开开, , , ,此此此此平平平平板板板板可可可可绕绕绕绕固固固固定定定定铰铰铰铰轴轴轴轴O O O O转转转转动动动动,O,O,O,O至至至至板板板板底底底底B B B B的的的的距距距距离离离离设设设设为为为为S,S,S,S,上上上上, , , ,下游的水深下游的水深下游的水深下游的水深为为为为H H H H和和和和h h h h。

求求证证: :　　为为保保证证此平板此平板闸门闸门不会自不会自动动开启开启, ,必有必有: :10a证证证证明明明明上下游的湿水上下游的湿水上下游的湿水上下游的湿水长长长长度度度度 L=H/sinθ, l=h/sinθ上下游的上下游的总压总压力力力力F和和f 对对O取矩取矩整理得整理得11a例例例例4 4 4 4：：：：试绘试绘试绘试绘制制制制图图图图中中中中abcabcabcabc曲面上的曲面上的曲面上的曲面上的压压压压力体解：因解：因abcabc曲面左右两曲面左右两侧侧均有水的作用，故均有水的作用，故应应分分别别考考虑虑d dd/2d/2c cb ba a水水水水12an n考考考考虑虑虑虑左左左左侧侧侧侧水的作用水的作用水的作用水的作用abab段曲面段曲面( (实实压压力体力体) )bcbc段曲面段曲面( (虚虚压压力体力体) )阴影部分相阴影部分相互抵消互抵消abcabc曲面曲面( (虚虚压压力体力体) )13an n考考考考虑虑虑虑右右右右侧侧侧侧水的作用水的作用水的作用水的作用bcbc段曲面段曲面( (实实压压力体力体) )c cb ba a14an n合成合成合成合成左左侧侧水的作水的作用用右右侧侧水的作水的作用用abcabc曲面曲面( (虚虚压压力体力体) )15ahdP Pz z铅铅垂分力方向向上垂分力方向向上螺栓所受螺栓所受总总拉力即拉力即为为P Pz z第一章第一章 水静力学水静力学例例5:5:对对曲面曲面abc:abc:计计算固定螺栓所受算固定螺栓所受总总拉力。

拉力16a三、流体运三、流体运动动基本原理复基本原理复习习要点要点1 1、拉格朗日法（、拉格朗日法（质质点系法）和欧拉法（流点系法）和欧拉法（流场场法）法）2 2、恒定流、非恒定流、迹、恒定流、非恒定流、迹线线与流与流线线、均匀、均匀流与非均匀流、流与非均匀流、渐变渐变流与急流与急变变流流3 3、三大方程、三大方程方程及各方程及各项项的物理意的物理意义义方程的方程的应应用用 三大方程揭示了液体一元流三大方程揭示了液体一元流动动的基本的基本规规律，是律，是水力学中最基本、也是最重要的方程式如何掌握水力学中最基本、也是最重要的方程式如何掌握好三大方程的好三大方程的应应用，是学好水力学的关用，是学好水力学的关键键 17a（（2）能量方程）能量方程——是最重要最常用的基本方程：它与是最重要最常用的基本方程：它与连续连续方程方程联联合求解可以合求解可以计计算断面上的平均流速或平均算断面上的平均流速或平均压压强强，，与与动动量方程量方程联联解，可以解，可以计计算水流算水流对边对边界的作用力，在确定界的作用力，在确定建筑物荷建筑物荷载载和水力机械功能和水力机械功能转换转换中十分有用中十分有用 静止液体静止液体即水静力学基本方程即水静力学基本方程（（1））连续连续方程方程——计计算某一已知算某一已知过过水断面的面水断面的面积积和断和断面平均流速或者已知流速求流量面平均流速或者已知流速求流量 18a水力学的水力学的许许多基本公式是多基本公式是应应用能量方程推用能量方程推导导的的有有压压管流基本公式的推管流基本公式的推导导干干扰扰波波速公式的推波波速公式的推导导小孔口自由出流公式的推小孔口自由出流公式的推导导孔口淹没出流公式的推孔口淹没出流公式的推导导管嘴恒定出流公式的推管嘴恒定出流公式的推导导有有压压管流自由出流和淹没出流管流自由出流和淹没出流计计算公式的推算公式的推导导虹吸管和水虹吸管和水泵泵装置的水力装置的水力计计算公式算公式水水跃跃的能量的能量损损失失棱柱体明渠恒定棱柱体明渠恒定渐变渐变流微分方程的推流微分方程的推导导19a（（3））动动量方程量方程——求解水流与固体求解水流与固体边边界之界之间间的相互作用力的相互作用力 20a（（4））应应用三大方程解用三大方程解题题 对对于一个具体的水力于一个具体的水力计计算算问题问题，怎，怎样样正确地正确地选选用方用方程最程最为为适当、可行；遇到需多方程适当、可行；遇到需多方程联联立求解的立求解的问题时问题时，，如何安排方程的如何安排方程的应应用次序更用次序更为简为简捷、合理。

力求做到以捷、合理力求做到以下四点：下四点： ① ① 熟悉各方程的熟悉各方程的应应用条件 ② ② 弄清各方程所反映的物理量与物理量之弄清各方程所反映的物理量与物理量之间间及运及运动动与与边边界之界之间间的关系 ③ ③ 解解题题前，必前，必须须先明确先明确““求什么？求什么？””，了解所求，了解所求问问题题的性的性质质，，类类型 ④ ④ 对对于各种不同于各种不同类类型的型的习题习题，勤作多，勤作多练练21a方程方程方程方程应应应应用条件用条件用条件用条件方程的意方程的意方程的意方程的意义义义义常常常常见见见见待求待求待求待求问题问题问题问题备备备备注注注注连续连续连续连续方程方程方程方程恒定、均恒定、均恒定、均恒定、均质质质质、不可、不可、不可、不可压压压压缩缩缩缩的的的的实际实际实际实际（或理想）（或理想）（或理想）（或理想）液体液体液体液体反映了液流的反映了液流的反映了液流的反映了液流的过过过过水水水水断面面断面面断面面断面面积积积积与断面平与断面平与断面平与断面平均流速之均流速之均流速之均流速之间间间间的关系的关系的关系的关系流量、断面平均流速、流量、断面平均流速、流量、断面平均流速、流量、断面平均流速、过过过过水断面水断面水断面水断面积积积积或或或或过过过过水断水断水断水断面的某一尺寸，如：面的某一尺寸，如：面的某一尺寸，如：面的某一尺寸，如：圆圆圆圆管直径等管直径等管直径等管直径等不涉及任不涉及任不涉及任不涉及任何力何力何力何力能量能量能量能量方程方程方程方程恒定、均匀、不可恒定、均匀、不可恒定、均匀、不可恒定、均匀、不可压压压压缩缩缩缩的液体；作用于液的液体；作用于液的液体；作用于液的液体；作用于液体上的体上的体上的体上的质质质质量力量力量力量力仅仅仅仅有重有重有重有重力；断面力；断面力；断面力；断面为渐变渐变为渐变渐变为渐变渐变为渐变渐变流断面；流断面；流断面；流断面；边边边边界是静止界是静止界是静止界是静止的的的的反映了液流中机械反映了液流中机械反映了液流中机械反映了液流中机械能和其它形式的能能和其它形式的能能和其它形式的能能和其它形式的能（主要是代表能量（主要是代表能量（主要是代表能量（主要是代表能量损损损损失的失的失的失的热热热热能）能）能）能）间间间间的的的的守恒与守恒与守恒与守恒与转转转转化关系化关系化关系化关系动动动动水水水水压压压压强强强强（或（或（或（或动动动动水水水水压压压压力），断面平均流速、力），断面平均流速、力），断面平均流速、力），断面平均流速、流量、断面之流量、断面之流量、断面之流量、断面之间间间间的的的的压压压压强强强强差、平均差、平均差、平均差、平均动动动动能差、能差、能差、能差、机械能机械能机械能机械能损损损损失、水流流失、水流流失、水流流失、水流流向等向等向等向等不涉及不涉及不涉及不涉及边边边边界界界界对对对对液流液流液流液流的作用力的作用力的作用力的作用力（或称（或称（或称（或称边边边边界反力）界反力）界反力）界反力）动动动动量量量量方程方程方程方程恒定、均恒定、均恒定、均恒定、均质质质质、不可、不可、不可、不可压压压压缩缩缩缩的液体；作用于脱的液体；作用于脱的液体；作用于脱的液体；作用于脱离体上的离体上的离体上的离体上的质质质质量力量力量力量力仅仅仅仅有有有有重力，脱离体两端重力，脱离体两端重力，脱离体两端重力，脱离体两端为为为为渐变渐变渐变渐变流断面流断面流断面流断面反映了液流与反映了液流与反映了液流与反映了液流与边边边边界界界界上作用力之上作用力之上作用力之上作用力之间间间间的关的关的关的关系系系系液流液流液流液流对边对边对边对边界的冲界的冲界的冲界的冲击击击击力，力，力，力，或或或或边边边边界界界界对对对对液流的反作液流的反作液流的反作液流的反作用力、已知全部作用用力、已知全部作用用力、已知全部作用用力、已知全部作用力，求平均流速或流力，求平均流速或流力，求平均流速或流力，求平均流速或流量等量等量等量等方程本身方程本身方程本身方程本身不涉及能不涉及能不涉及能不涉及能量量量量损损损损失失失失22a 应应用用能量方程能量方程时时，，应应首先作好首先作好““三三选选””（（选选断面、断面、选选代表点、代表点、选选基准面）；基准面）； 应应用用动动量方程量方程时时，，应应首先作好首先作好““三步三步””（作脱（作脱离体、作离体、作计计算算简图简图、取坐、取坐标标系）。

系） 正确、恰当地作好正确、恰当地作好““三三选选””与与““三步三步””，，对对于于减少未知量，减少未知量，简简化化计计算算有着十分重要的意有着十分重要的意义义，，关于关于“三三选选”与与“三步三步”中的有关中的有关问题问题23a名称名称名称名称基本原基本原基本原基本原则则则则常常常常见选见选见选见选法法法法断面断面断面断面选择选择选择选择 凡凡凡凡渐变渐变渐变渐变流流流流断面均可断面均可断面均可断面均可明渠明渠明渠明渠堰（或堰（或堰（或堰（或闸闸闸闸）前断面、收）前断面、收）前断面、收）前断面、收缩缩缩缩断面断面断面断面压压压压力管流力管流力管流力管流管前管前管前管前进进进进口断面、管前大容器液面、自由口断面、管前大容器液面、自由口断面、管前大容器液面、自由口断面、管前大容器液面、自由管流出口断面、管流出口断面、管流出口断面、管流出口断面、p p p p或或或或z z z z待求的断面待求的断面待求的断面待求的断面代表点代表点代表点代表点选择选择选择选择 凡凡凡凡渐变渐变渐变渐变流流流流断面上的点断面上的点断面上的点断面上的点均可均可均可均可明渠明渠明渠明渠水面点水面点水面点水面点压压压压力管流力管流力管流力管流过过过过水断面中心点水断面中心点水断面中心点水断面中心点基准面基准面基准面基准面选择选择选择选择凡水平面均凡水平面均凡水平面均凡水平面均可可可可明渠明渠明渠明渠过过过过渠底高程渠底高程渠底高程渠底高程较较较较低的断面低的断面低的断面低的断面处处处处的最低点作水的最低点作水的最低点作水的最低点作水平面（平底平面（平底平面（平底平面（平底时时时时，，，，过过过过渠底作水平面）渠底作水平面）渠底作水平面）渠底作水平面）压压压压力管流力管流力管流力管流过过过过断面中心点高程断面中心点高程断面中心点高程断面中心点高程较较较较低的断面低的断面低的断面低的断面处处处处的中心的中心的中心的中心点作水平面（水平管道，点作水平面（水平管道，点作水平面（水平管道，点作水平面（水平管道，过过过过管管管管轴线轴线轴线轴线作水作水作水作水平面）平面）平面）平面）管、渠管、渠管、渠管、渠综综综综合合合合过过过过上游（或下游）河（渠）水面作基准上游（或下游）河（渠）水面作基准上游（或下游）河（渠）水面作基准上游（或下游）河（渠）水面作基准面面面面24a“三步三步”简简要要归纳归纳 • 脱离体脱离体 1.1.脱离体是一由两脱离体是一由两渐变渐变流断面流断面““切出切出””，，并并““剥去剥去””了固定了固定边边界的水体；界的水体；2.2.脱离体的脱离体的边边界：界： 1 1）脱离体两端的）脱离体两端的渐变渐变流断面；流断面； 2 2）固体或气体）固体或气体边边界与液流的接触面界与液流的接触面 25a• 计计算算简图简图 1.1.计计算算简图简图是一在脱离体上是一在脱离体上标标出了全部作用力及流速方向出了全部作用力及流速方向的示意的示意图图2.2.作用于脱离体上的力包括作用于脱离体上的力包括 （（1 1）表面力：）表面力： 1 1）两）两渐变渐变流断面流断面处处相相邻邻水体水体对对脱离体的脱离体的动动水水总压总压力力 2 2）周界表面）周界表面对对脱离体的作用力（包括：作用于脱离体周脱离体的作用力（包括：作用于脱离体周界表面上的界表面上的动动水水总压总压力；脱离体力；脱离体侧侧表面上的液流阻力）表面上的液流阻力） （（2 2））质质量力：量力：脱离体内液体的重力脱离体内液体的重力 3.3.待求未知力可待求未知力可预预先假定方向，若解出的先假定方向，若解出的结结果果为为正，正，则则假假定正确。

否定正确否则则，，说说明明该该力的方向与原假定方向相反力的方向与原假定方向相反 26a• 坐坐标标系系 1. 1.坐坐标标系一般系一般为为直角坐直角坐标标系；系； 2. 2.坐坐标标系的方位可以任意系的方位可以任意选选取，原取，原则则上以使方程上以使方程中未知中未知项项少少为为宜应应用中往往用中往往总总是将一是将一轴轴与某一向与某一向量（力或流速）相平行；量（力或流速）相平行； 3. 3.坐坐标轴标轴的正向可任意的正向可任意设设定；定； 4. 4.坐坐标标系系应应准确地准确地标标定在定在计计算算简图简图上（或附近）上（或附近） 27a例例例例1:1:有一有一有一有一输输输输水管道，如水管道，如水管道，如水管道，如图图图图3-143-143-143-14所示水自截面所示水自截面所示水自截面所示水自截面1-11-11-11-1流向截流向截流向截流向截面面面面2-22-22-22-2测测测测得截面得截面得截面得截面1-11-11-11-1的水流平均流速的水流平均流速的水流平均流速的水流平均流速为为为为2m/s2m/s2m/s2m/s，已知，已知，已知，已知d d d d1 1 1 1=0.5m=0.5m=0.5m=0.5m，，，， d d d d2 2 2 2=1m=1m=1m=1m，，，，试试试试求截面求截面求截面求截面2-22-22-22-2处处处处的平均流速的平均流速的平均流速的平均流速V V V V2 2 2 2为为为为多少多少多少多少？？？？解：解：解：解： 28a例例例例2:2:水流通水流通水流通水流通过过过过如如如如图图图图3-223-223-223-22所示管路流入大气，已知：Ｕ形所示管路流入大气，已知：Ｕ形所示管路流入大气，已知：Ｕ形所示管路流入大气，已知：Ｕ形测压测压测压测压管中水管中水管中水管中水银银银银柱高差柱高差柱高差柱高差Δh=0.2mΔh=0.2mΔh=0.2mΔh=0.2m，，，，h h h h1 1 1 1=0.72m H=0.72m H=0.72m H=0.72m H2 2 2 2O O O O，管径，管径，管径，管径d d d d1 1 1 1=0.1m=0.1m=0.1m=0.1m，，，，管嘴出口直径管嘴出口直径管嘴出口直径管嘴出口直径d d d d2 2 2 2=0.05m=0.05m=0.05m=0.05m，不，不，不，不计计计计管中水管中水管中水管中水头损头损头损头损失，失，失，失，试试试试求管中流求管中流求管中流求管中流量量量量qvqvqvqv。

解：解：解：解：首先首先计计算算1-11-1断面管路中心的断面管路中心的压压强强列等列等压压面方程得：面方程得： 则则 (mH(mH2 2O)O) 列列1-11-1和和2-22-2断面的能量方程断面的能量方程29a 由由连续连续性方程：性方程： 将已知数据代入上式，得将已知数据代入上式，得 （（m/sm/s）） 管中流量管中流量 （（mm3 3/s /s））30a例例3 3：： 如如图图所示矩形断面平坡渠道中水流越所示矩形断面平坡渠道中水流越过过一平一平顶顶障障碍物。

已知碍物已知 m m，， m m，渠，渠宽宽 m m，渠道，渠道通通过过能力能力 ，，试试求水流求水流对对障碍物通水障碍物通水间间的冲的冲击击力力R R解解：：w 取取图图示控制体，并示控制体，并进进行受力分析行受力分析w 建立建立xozxoz坐坐标标系w 在在x x方向建立方向建立动动量方程（取量方程（取 ） 式中：式中：式中：式中：31a代入代入动动量方程，得量方程，得故水流故水流对对障碍物迎水面的冲障碍物迎水面的冲击击力力32a例例4:4:射流射流对对固定平板的作用力固定平板的作用力 由于由于由于由于p p1 1=p=p2 2=p=pa a，忽略重力作，忽略重力作，忽略重力作，忽略重力作用，用，用，用，则则则则有有有有: : V V1 1=V=V2 2=V=V因因:Q1+Q2=Q33a例例5 5：：如如图图所示，一个水平放置的三通管，主管的直径所示，一个水平放置的三通管，主管的直径D=120cmD=120cm，两根支管的直径，两根支管的直径为为d = 85cmd = 85cm，分叉角，分叉角α=45°α=45°，主管，主管过过水断面水断面1-11-1处处的的动动水水压压强强水水头头p p1 1/γ=100m/γ=100m（水柱），通（水柱），通过过的的流量流量Q=3mQ=3m3 3/s/s，两根支管各通，两根支管各通过过二分之一的流量。

假二分之一的流量假设设不不计损计损失，求水流失，求水流对对三通管的作用力三通管的作用力 34a解解：：（（1 1）运用能量方程）运用能量方程计计算断面算断面2—22—2和和3—33—3上的上的动动水水压压强强 将上述各将上述各值值和和p1/γ=100mp1/γ=100m（水柱）代入能量方程，可以得到：（水柱）代入能量方程，可以得到： p p2 2/γ=100m/γ=100m（水柱）（水柱）同理可得同理可得 p p3 3/γ=100m/γ=100m（水柱）（水柱） 所以所以 p p2 2= p= p3 3=9.8×105N/m=9.8×105N/m2 2 35a（（2 2）再运用）再运用动动量方程求解水流量方程求解水流对对三通管的作用力三通管的作用力 建立建立x x方向的方向的动动量方程：量方程： P P1 1-2P-2P2 2cos45°-Rx=βρQcos45°-Rx=βρQ2 22v2v2 2cos45°-βρQcos45°-βρQ1 1 v v1 1Rx= PRx= P1 1-2P-2P2 2cos45°+βρQcos45°+βρQ1 1（（v v2 2cos45°- vcos45°- v1 1）） 根据三通管根据三通管对对称于称于x x轴轴，可得，，可得， Ry=0 Ry=0所以水流所以水流对对三通管的作用力三通管的作用力为为R′=2.24×105NR′=2.24×105N，方向与，方向与R R相反。

相反 36a 运运动动液体，由于其粘性的作用和液体，由于其粘性的作用和边边界的影响界的影响必必产产生液流阻力和能量生液流阻力和能量损损失，但流失，但流态态不同（不同（层层流流与紊流），其液流的内部与紊流），其液流的内部结结构、流构、流动动阻力、断面阻力、断面流速分布以及能量流速分布以及能量损损失的失的规规律等均截然不同律等均截然不同 四、液流型四、液流型态态与水与水头损头损失复失复习习要点要点 1 1、、层层流与紊流的概念、判流与紊流的概念、判别别 2 2、雷、雷诺诺数的有关概念、物理意数的有关概念、物理意义义 3 3、均匀流沿程水、均匀流沿程水头损头损失与切失与切应应力的关系力的关系 4 4、达西公式、、达西公式、谢谢才公式才公式 5 5、沿程阻力系数与局部阻力系数的确定、沿程阻力系数与局部阻力系数的确定37a 1 1、有、有压压管流的水力特征管流的水力特征 2 2、自由出流与淹没出流、自由出流与淹没出流 3 3、、简单简单管道和复管道和复杂杂管道的概念管道的概念 4 4、、长长管和短管的区分及其管和短管的区分及其计计算算 5 5、虹吸管和水、虹吸管和水泵泵装置的装置的计计算算关于关于长长管和短管的管和短管的说说明明五、有五、有压压管中的恒定流管中的恒定流 38a例例1 1：：由高位水箱向低位水箱由高位水箱向低位水箱输输水，如水，如图图所示。

已知所示已知两水箱的水位差两水箱的水位差 , ,输输水管段的直径和水管段的直径和长长度分度分别别为为 ，沿程水，沿程水头损头损失系失系数数 ，，阀门阀门的局部水的局部水头损头损失系数失系数为为3.53.5，不，不计计行近流速水行近流速水头头的影响试试求其求其输输水流量并水流量并绘绘制制其其总总水水头线头线和和测压测压管水管水头线头线 39a解：两管解：两管连连接接处处，管道突然，管道突然扩扩大，其局部阻力系数大，其局部阻力系数为为由由得得以管以管轴轴中心中心线为线为基准面，基准面，选选取取渐变渐变流断面流断面1-11-1、、2-22-2，列，列1-1-2 2断面能量方程：断面能量方程：将各参数将各参数值值代入上述方程，得代入上述方程，得40a总总水水头线头线和和测压测压管水管水头线头线如下如下图图所示：所示：41a例例2 2：：图图示用直径示用直径d d = 0.4m= 0.4m的的钢钢筋混凝土虹吸管从河道向灌筋混凝土虹吸管从河道向灌溉溉渠道引水，河道水位渠道引水，河道水位为为120m120m，灌，灌溉溉渠道水位渠道水位118m118m，虹吸管各，虹吸管各段段长长度度为为l l1 1 = 10m = 10m，，l l2 2 =5m =5m，， l l3 3 =12m =12m，虹吸管，虹吸管进进口安装无底口安装无底阀阀的的滤滤网（网（ζ= 2.5ζ= 2.5））, ,管道有两个管道有两个6060o o的折角弯管的折角弯管（（ζ=0.55ζ=0.55）。

求：）求：（（1 1））通通过过虹吸管的流量虹吸管的流量 （（2 2））当虹吸管内最大允当虹吸管内最大允许许真空真空值值h hv =7.0mv =7.0m时时，虹吸管，虹吸管的最大安装高度的最大安装高度 42a解解：（：（1 1））计计算通算通过过虹吸管的流量虹吸管的流量 43a（（2 2））计计算虹吸管的最大安装高度算虹吸管的最大安装高度所以所以列河道水面和虹吸管下游列河道水面和虹吸管下游转转弯前弯前过过水断面的能量方程水断面的能量方程44a 1 1、明渠水流的特点、明渠水流的特点 2 2、明渠均匀流的特性、明渠均匀流的特性 3 3、明渠均匀流的、明渠均匀流的产产生条件生条件 4 4、水力最佳断面与允、水力最佳断面与允许许流速的概念流速的概念 5 5、明渠均匀流的基本公式及其水力、明渠均匀流的基本公式及其水力计计算算六、明渠恒定均匀流六、明渠恒定均匀流 45a第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流 例例例例1 1 1 1 某梯形土渠某梯形土渠某梯形土渠某梯形土渠设计设计设计设计流量流量流量流量 Q Q Q Q 为为为为2 m2 m2 m2 m3 3 3 3/s/s/s/s，渠道，渠道，渠道，渠道为为为为重壤土，粗糙重壤土，粗糙重壤土，粗糙重壤土，粗糙系数系数系数系数 n n n n 为为为为0.0250.0250.0250.025，，，，边边边边坡系数坡系数坡系数坡系数 m m m m 为为为为1.251.251.251.25，底坡，底坡，底坡，底坡 i i i i 为为为为0.00020.00020.00020.0002。

试试试试设计设计设计设计一水力最佳断面，并校核渠中流速（已知不淤流速一水力最佳断面，并校核渠中流速（已知不淤流速一水力最佳断面，并校核渠中流速（已知不淤流速一水力最佳断面，并校核渠中流速（已知不淤流速为为为为0.4m/s0.4m/s0.4m/s0.4m/s））））解：将解：将 和和 代入代入 ，并用，并用曼宁公式曼宁公式计计算算谢谢才系数，整理后可得：才系数，整理后可得：当当为为水力最佳断面水力最佳断面时时：：46a第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流可得：可得： 校核渠中流速是否校核渠中流速是否满满足不冲不淤的条件：由表足不冲不淤的条件：由表查查得得 R R ＝＝ 1 m 1 m 时时的不冲允的不冲允许许流速流速 对对所所设计设计的水力最佳断面的水力最佳断面则则不冲允不冲允许许流速流速47a已知不淤流速已知不淤流速 渠中断面平均渠中断面平均流速流速为为故故所所设计设计断面断面满满足不冲刷不淤足不冲刷不淤积积的条件。

的条件第五章第五章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流48a1 1、明渠水流的三种流、明渠水流的三种流态态及其判及其判别别 2 2、微波波速、弗汝德数、断面比能、、微波波速、弗汝德数、断面比能、临临界水深、界水深、临临界底坡界底坡3 3、棱柱体明渠非均匀、棱柱体明渠非均匀渐变渐变流水面曲流水面曲线线分析分析4 4、水、水跃跃和水跌概念和水跌概念5 5、水、水跃跃基本方程、水基本方程、水跃跃函数、共函数、共轭轭水深的水深的计计算算七、明渠恒定非均匀流七、明渠恒定非均匀流 49an n绘绘绘绘制制制制变变变变底坡明渠水面底坡明渠水面底坡明渠水面底坡明渠水面线线线线的步的步的步的步骤骤骤骤：：：：1 1 1 1）在底坡改）在底坡改）在底坡改）在底坡改变处变处变处变处画一条画一条画一条画一条铅铅铅铅直直直直线线线线；；；；2 2 2 2）分）分）分）分别别别别画出画出画出画出铅铅铅铅直直直直线线线线上、下游渠道的上、下游渠道的上、下游渠道的上、下游渠道的N-NN-NN-NN-N线线线线和和和和K-KK-KK-KK-K线线线线；；；；3 3 3 3）找出控制水深；）找出控制水深；）找出控制水深；）找出控制水深；4 4 4 4）定性判断水面）定性判断水面）定性判断水面）定性判断水面线线线线的的的的趋势趋势趋势趋势；；；；5 5 5 5）根据水面）根据水面）根据水面）根据水面线线线线唯一性原唯一性原唯一性原唯一性原则则则则，画出水面，画出水面，画出水面，画出水面线线线线，并，并，并，并标标标标注名注名注名注名称。

称50an n 没有水没有水没有水没有水跃跃跃跃的的的的变变变变坡渠道的水面坡渠道的水面坡渠道的水面坡渠道的水面联联联联接接接接1 1 1 1）从）从）从）从缓缓缓缓流到急流流到急流流到急流流到急流2 2 2 2）从）从）从）从缓缓缓缓流到流到流到流到缓缓缓缓流流流流3 3 3 3）从急流到急流）从急流到急流）从急流到急流）从急流到急流51an n 发发发发生水生水生水生水跃跃跃跃的的的的变变变变坡渠道水面坡渠道水面坡渠道水面坡渠道水面连连连连接接接接 当水流由急流当水流由急流当水流由急流当水流由急流变变变变成成成成缓缓缓缓流必流必流必流必发发发发生水生水生水生水跃跃跃跃设设设设上游控制水上游控制水上游控制水上游控制水深深深深 t t t t1 1 1 1( ( ( (急流急流急流急流) ) ) )，下游控制水深，下游控制水深，下游控制水深，下游控制水深 t t t t2 2 2 2( ( ( (缓缓缓缓流流流流) ) ) )1 1 1 1））））远驱远驱远驱远驱式水式水式水式水跃跃跃跃( ( ( (h h h h′>′>′>′>t t t t1 1 1 1) ) ) ) 令令令令h′= h′= h′= h′= t t t t1 1 1 1，，，，计计计计算算算算 若若若若h h h h〞〞〞〞> > > > t t t t2 2 2 2，，，，则发则发则发则发生生生生远趋远趋远趋远趋水水水水跃跃跃跃（在（在（在（在缓缓缓缓坡上）。

坡上） 则则则则令令令令h h h h〞〞〞〞= = = = t t t t2 2 2 2，反推，反推，反推，反推h′(>h′(>h′(>h′(>t t t t1 1 1 1) ) ) )，，，，t t t t1 1 1 1～～～～h h h h′′′′之之之之间为间为间为间为一段壅一段壅一段壅一段壅水曲水曲水曲水曲线线线线52a第五章第五章 明渠恒定非均匀流明渠恒定非均匀流2) 2) 2) 2) 临临临临界水界水界水界水跃跃跃跃 令令令令h′= th′= th′= th′= t1 1 1 1，若，若，若，若计计计计算出算出算出算出h h h h〞〞〞〞= t= t= t= t2 2 2 2，，，，则发则发则发则发生生生生临临临临界水界水界水界水跃跃跃跃 3)3)3)3)淹没水淹没水淹没水淹没水跃跃跃跃 设设设设h′= th′= th′= th′= t1 1 1 1，若，若，若，若计计计计算出算出算出算出h h h h〞〞〞〞< t< t< t< t2 2 2 2，，，，则发则发则发则发生淹没水生淹没水生淹没水生淹没水跃跃跃跃。

h h h h〞～〞～〞～〞～ t t t t2 2 2 2 之之之之间间间间将将将将发发发发生一条壅水曲生一条壅水曲生一条壅水曲生一条壅水曲线线线线53al 关于液体运关于液体运动动的两种流的两种流态态----层层流与紊流流与紊流 如何判如何判别别？？ 雷雷诺诺数数ReRe的物理意的物理意义义l 关于明渠水流的两种流关于明渠水流的两种流态态----缓缓流与急流流与急流 如何判如何判别别？五种方法？五种方法 弗汝德数弗汝德数FrFr的物理意的物理意义义54al 关于水深关于水深 正常水深正常水深 临临界水深界水深l 关于底坡关于底坡实际实际底坡底坡临临界底坡界底坡缓缓坡坡临临界坡界坡陡坡陡坡正坡正坡平坡平坡负负坡坡55al 关于水关于水跃跃跃跃前水深前水深跃跃后水深后水深流流态态的的转换转换l 总总机械能机械能E与断面比能与断面比能Es56al 关于作关于作图图静水静水压压强强分布分布图图和和压压力体力体图图 ------标标出数出数值值、方向、作用点、方向、作用点总总水水头线头线、、测压测压管水管水头线图头线图 ------定性升降定性升降水面曲水面曲线图线图 ------标标出出N-N线线，，K-K线线，定性，定性绘绘水面水面线线，，说说明哪一区，哪一型明哪一区，哪一型57al 关于基本公式关于基本公式牛牛顿顿内摩擦定律内摩擦定律重力作用下静水重力作用下静水压压强强基本公式基本公式作用在平面上的静水作用在平面上的静水总压总压力大小、方向、作用点力大小、方向、作用点作用在曲面上的静水作用在曲面上的静水总压总压力力三大方程三大方程---连续连续方程、能量方程、方程、能量方程、动动量方程量方程均匀流沿程水均匀流沿程水头损头损失与切失与切应应力的关系力的关系达西公式达西公式曼宁公式、曼宁公式、谢谢才公式才公式简单简单管道流量的基本公式管道流量的基本公式均匀流均匀流产产生的条件生的条件明渠横断面的水力要素明渠横断面的水力要素水水跃跃共共轭轭水深水深计计算公式算公式58a。