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水力学复习资料汇总 第1章 绪论 0.1水力学的任务与研究对象(了解) 水力学的任务是研究液体(只要是水)的平衡和机械运动的规律及其实际应用. 水力学研究的基本规律有两大主要组成部分:一是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,作用于液体上各种力之间的关系,这一部分称为水静力学;二是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,这部分称为水动力学. 0.2液体的粘滞性(理想液体与实际液体最大的差别) 粘滞性 当液体处于运动状态时,若液体质点之间发生相对运动,则质点间会产生内摩擦力来阻碍其相对运动,液体的这种性质就称为粘滞性,产生的内摩擦力叫做粘滞力. 0.3牛顿内摩擦定律 当液体做层流运动时，相邻液层之间在单位面积上作用的内摩擦力(或粘滞力)的大小与速度梯度成正比,同时和液体的性质有关.即 . 0.4牛顿内摩擦定律的另一种表述(了解)P7 0.5运动粘度系数 它是动力黏度系数与液体密度的比值,是表征液体粘滞性大小的物理量.其值是随温度的变化而变化的,即温度越高,其值越小(液体的流动性是随温度的升高而增强的) 0.6牛顿内摩擦定律只适用于牛顿流体(符合牛顿内摩擦定律的液体,其特点是温度不变,动力黏度系数就不变P8图0.3) 0.7体积压缩率 液体体积的相对缩小值与压强的增大值之比.(水的压缩性很小,一般不考虑) 0.8表面张力 表面张力是指液体自由表面上液体分子由于两侧引力不平衡,使其受到及其微小的拉力(表面张力仅存在于液体表面,液体内部不存在,其值表示为自由面单位长度受到拉力的大小,并且随液体种类和温度的变化而变化,怎样变化) 0.9毛细现象 在水力学实验中，经常使用盛有水或水银细玻璃管做测压计，由于表面张力的影响使玻璃管中液面和与之向连通容器中的液面不在同一水平面上.这就是物理学中所讲的毛细现象. 0.10由实验得知,管的内经越小,毛细管升高值越大,所以实验用的测压管内径不宜太小10图0.4,0,5 0.11连续介质 在水力学中,把液体当作连续介质看待,即假设液体是一种连续充满其所占据空间毫无空隙的连续体.(水力学所研究的液体运动是连续介质的连续流动,但实际上,从微观角度来看,液体分子与分子之间是存在空隙的,但水力学研究的是液体的宏观运动,故将液体看作连续接介质) 0.12把液体看作连续介质的意义 如果我们把液体看作连续介质,则液流中的一切物理量都可以视为空间坐标和时间坐标的连续函数,这样,在研究液体的运动规律时,就可以运用连续函数的分析方法. 0.13理想液体 所谓理想液体,就是把液体看作绝对不可压缩,不能膨胀,没有粘滞性,没有表面张力的连续介质. 0.14表面力和质量力 表面力 表面力是作用于液体的表面,并于受作用的的表面面积成比例的力. 质量力 质量力是指通过所研究液体的每一部分质量而作用与液体的,其大小和液体的质量成比例的力(质量力又称体积力) 课后习题0.2 第一章 水静力学 1.1液体在平衡状态下.没有内摩擦力的存在,因此理想液体和实际液体都是一样的,故在静水中没有区分的必要. 1.2静水压力 静止(或处于平衡状态)的液体作用在与之接触的表面上的水压力称为静水压力,常以表示. 1.3静水压强 取微小面积，令作用在上的静水压力为,则面上单位面积上所受的平均静水压力为称为面上的平均静水压强，当无限趋近与一点时，比值的极限值定义为该点的静水压强. 1.4静水压强的两个重要特性 静水压强的方向与受压面垂直并指向受压面(若不垂直,则必存在一个与液面平行的分力,这样必会破坏液体的平衡状态;静水压强若不指向受压面而是背向受压面,则必会受到拉力,同样不能保持平衡状态) 作用在同一点上的静水压强相等(推导过程:在平衡液体内分割出一块无限小的四面体,倾斜面的方向任意选取,为简单起见,建立如图所示的坐标系,让四面体的三个棱边与坐标轴平行,并让轴与重力方向平行,各棱边长为,四面体四个表面上受有周围液体的静水压力,因四个作用面的方向各不相同,如果能够证明微小四面体无限缩小至一点时,四个作用面上的静水压强都相等即可.令为作用在面上的静水压力, 令为作用在面上的静水压力, 令为作用在面上的静水压力, 令为作用在面上的静水压力.又假定作用在四面体上单位质量力在三个坐标方向的投影为,则总质量力在三个坐标方向的投影分别为 …因为液体处于平衡状态,由力的平衡条件得:+若…以分别表示四面体四个面的面积,则…将上式都除以,并且有化简可得,上式中分别表示面上的平均静水压强, ,如果微小四面体无限缩小至一点时,均趋近于0,对上式取极限有,同理可证,故作用在同一点上的静水压强相等) 1.5等压面 在平衡液体中可以找到这样一些点,他们具有相同的静水压力,这些点连成的面称为等压面(对于静止的液体其等压面是水平面,对于处于相对平衡的液体,其等压面与自由液面平行,例如称有液体的圆柱形容器绕桶轴做等角速度旋转,其等压面就是抛物面) 1.6等压面的两个性质 在平衡液体中等压面即为等势面. 等压面与质量力正交. 1.7绝对压强和相对压强 绝对压强 以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强,称为绝对压强. 相对压强 把当地大气压作为零点剂量的压强,称为相对压强. 1.8P29图1.11中各字母表示的含义 1.9真空及真空度 真空 当液体中某点的绝对压强小于当地大气压强，即相对压强为负值时，就称该点存在真空. 真空度 真空度是指该点绝对压强小于当地大气压强的数值.(例题1.4 1.5 .16) 1.10压强的液柱表示法 1.11水头与单位势能 1.12液体的平衡微分方程式(欧拉平衡微分方程式)的推导过程P20,以及重力作用下静水压强的基本公式的推导过程P24. 1.13压强的测量(各种压差计的计算) 计算中找等压面须注意:①若为连续液体，高度相等的面即为等压面.②若为不连续液体(如液体被阀门隔开或者一个水平面穿过了不同介质，则高度相等的面不是等压面③两种液体的接触面是等压面. 1.14作用于矩形平面上的静水总压力 ,为压强分布图面积.(压力中心的位置:当压强为三角形分布时, 压力中心离底部距离为 当压强分布为梯形分布时，压力中心离底部距离为) 1.15作用于曲面上的静水总压力 分为水平方向和竖直方向计算,水平方向方法同作用于矩形平面上的静水总压力(将曲面投影在方向的图形即为矩形，则= 为形心点处的压强),竖直方向需画出压力体(压力体包括六个面:曲面本身,自由液面或者其延长面,曲面四个边延长至自由液面的四个面.这里注意自由液面必须是只受到大气压强作用的液面),则,其中为压力体的体积. 1.16几种质量力同时作用下的液体平衡 1.17作用于物体上的静水总压力,潜体与浮力的平衡及其稳定性 第二章 液体运动的流束理论 2.1描述液体运动的两种方法(拉格朗日法和欧拉法)P63 2.2流线和迹线 迹线 某一液体质点在运动过程中,不同时刻所流经的空间点所连成的线称为迹线,即迹线就是液体质点运动时所走过的轨迹线 流线 它是某一瞬时在流场中绘出的一条曲线,在该曲线上所有点的速度向量都与该曲线相切,所以流线表示除了瞬间的流动方向. 流线的基本特性P67 2.3恒定流与非恒定流 恒定流 如果在流场中所有的运动要素都不随时间而改变,这种水流称为恒定流(也就是说,在恒定流的情况下,任一空间点上,无论哪个液体质点通过,其运动要素都是不变的.运动要素仅仅是空间坐标的函数,而与时间无关) 非恒定流 如果在流场中所有的运动要素都是随时间而改变的这种水流称为非恒定流. 注：本章只研究恒定流. 2.4流管 在水流中任意取一微分面积,通过该面积周界上的每一给点,均可以作一根直线,这样就构成了一个封闭的管状曲面,称为流管. 2.5微小流束 充满以流管为边界的一束液流称为微小流束(按照流线不能相交的特性,微小流束内的液体不会穿过流管的管壁向外流动,流管外的液体也不会穿过流管的管壁向流束内流动,当水流为恒定流时,微小流束的形状和位置不会随时间而改变,在非恒定流中,微小流束的形状和位置将随时间而改变.微小流束的很横断面积是很小的,一般在其横断面上各点的流速或动水压强可看作是相等的) 2.6总流 任何一个实际水流都具有一定规模的边界,这种有一定大小尺寸的实际水流称为总流(总流可以看作由无限多个微小流束所组成) 2.7过水断面 与微小流束或总流的流线成正交的横断面称为过水断面. 2.8流量 2.9均匀流与非均匀流 均匀流 当水流的流线为相互平行的直线时,该水流称为均匀流(直径不变的管道中的水流就是均匀流的典型例子) 非均匀流 若水流的流线不是相互平行的直线时,该水流称为非均匀流.如果流线虽然相互平行但不是直线(如管径不变的弯管中的水流)或者流线虽直线但不相互平行(如管径沿程缓慢均匀扩散或收缩的渐变管中的水流)都属于非均匀流. 2.10均匀流的特性 ⑴均匀流的过水断面为平面,且过水断面的形状和尺寸沿程不变⑵均匀流中,同一流线上不同点的流速相等⑶均匀流过水断面上的动水压强分布规律与静水压分布规律相同 2.11均匀流过水断面上的动水压强分布规律与静水压分布规律相同的推导过程 2.12渐变流和急变流 渐变流 当水流的流线虽然不是相互平行的直线,但几乎近于平行直线称为渐变流 急变流 若水流的流线之间夹角很大或者流线的曲率半径很小,这话水流称为急变流. 2.13恒定总流连续性方程的推导P71 2.14理想液体恒定流微小流束能量方程的推导P72 2.15实际液体恒定总流的能量方程的推导P78 2.15恒定总流动量方程的推导P94 第三章 液流形态及水头损失 3.1沿程水头损失和局部水头损失 沿程水头损失 在固体边界平直且无障碍物的水道中,单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能叫做沿程水头损失,常用表示. 局部水头损失 当固体边界发生改变或液体遇到障碍物时,由于边界或障碍物的作用使液体质点相对运动加强,内摩擦增加,产生较大的能量损失,这种发生在局部范围之内的能量损失叫做局部水头损失,常用表示.(就液体内部的物理作用来说,水头损失不论其产生的外因如何,都是因为液体内部质点之间有相对运动,因粘滞性的作用产生切应力的结果) 当固体边界发生改变或液体遇到障碍物时,为什么会产生局部水头损失(了解)P120 3.2影响水头损失的液流边界条件 3.2.1横向条件(过水段面积,湿周和水力半径) 湿周 液流过水断面与固体边界接触的周界线叫做湿周,常用表示.(当过水段面积相等时,周长不一定相等,水与固体边界的接触要长些,故湿周对水损会产生影响,同样,当湿周相等时, 过水段面积不一定相等,通过同样大小的流量水损也不一定相等,故用水力半径来表征过水断面的水力特征) 水力半径 过水段面积与湿周的比值称为水力半径,即 . 3.2.2纵向条件P123 3.3均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损失可以忽略不计,非均匀急变流时两种水头损失均有(知道). 3.4均匀流沿程水头损失与切应力的关系,以及半径为r处的（圆管中）切应力计算公式的推导P132 3.5计算均匀流沿程水头损失的基本公式——达西公式 对圆管来说，水力半径 ,故达西公式也可以写做 达西公式的推导过程应该不会考 3.6层流和紊流 层流 当留速较小时,各流层的液体质点是有条不