工程水力学教案

1、前言导读与解答第一章工程水力学概论(2学时)第一节工程水力学的定义、用途、简史第二节液体的物理力学性质第三节连续介质和理想液体的概念第四节作用在液体上的力第五节工程水力学的研究方法本章考试内容技能训练题第二章静水压力计算(10学时) 第一节静水压强及其特性第二节静水压强的基本规律第三节静水压强的表示方法及测算第四节作用于平面壁上的静水总压力第五节作用于曲面壁上的静水总压力第六节浮力、浮体的平衡与稳定本章考试内容技能训练题第三章水流运动的基本原理(8学时)第一节描述水流运动的两种方法第二节恒定总流连续性方程第三节恒定总流的能量方程第四节能量方程的应用第五节恒定总流的动量方程本章考试内容技能训练题

2、第四章水流型态与水头损失计算(10学时) 第一节水头损失根源、分类及边界影响第二节水流两流态及hf随v的变化规律第三节均匀流层流的切应力和流速分布规律第四节均匀流紊流过水断面垂线上的切应力及流速分布第五节沿程水头损失分析与计算第六节局部水头损失的分析与计算第七节绕流阻力与升力本章考试内容技能洲练题第五章管流水力计算(10学时)第一节概述第二节简单管道的水力计算第三节复杂管路水力计算第四节压力管道中的水击本章考试内容技能训练题第六章明渠恒定均匀流水力计算(6学时) 第一节概述第二节明渠均匀流的特性及其产生条件第三节明渠均匀流的计算公式及有关问题第四节明渠水力计算类型本章考试内容技能训练题第七章明

3、渠恒定非均匀流水力计算(12学时)第一节概述第二节明渠非均匀流的一些基本概念第三节缓流、急流的转换现象水跌与水跃第四节明渠恒定非均匀渐变流基本方程<B< div> 水力学的性质任务及其发展沿革水力学是研究水的平衡和运动规律及其应用的一门科学,它既是自然科学,又与工程应用密切结合1. 水力学是研究水的平衡和运动规律及其应用的门科学,它是在人类与水、旱灾害作斗争的过程,伴随着水利工程的发展而发展的。远在几千年,古埃及就开始修建灌溉渠系,我国广为流传的大禹治水”的传说记载了古人与洪水作斗争的故,这些历史记载表明,古人对水流运动已有了朴素认识。18世纪以后,随着经典力学的发展,水力学

4、始形成自己的理论体系,20世纪初,随着现代工技术的进步,水力学实验迅速发展,提供了大量水学理论计算所需要的经验系数,从而为水力学的程应用开辟了广阔的天地。近几十年来,我国修建数万座水库、大坝和水电站。工程建设极大地促进水力学的发展,水力学在我国取得了长足的进步水力学学科的提高、完善和走向现代化又为工程建的顺利进行并取得辉煌成就打下了坚实的基础。在探索知识的过程中,自然科学以宇宙中的自然现象为研究客体,重在认识自然现象的客观本质和运动规律.作为流体力学的一门分支学科,水力学属于物理学范畴.数学、物理学、化学、生物学是自然科学的四大主要门类,习惯上被称为纯理论学科或基础学科.自然科学的发展史以物理

5、学为开端,物理学则以力学为开端.公元1594年,意大利物理学家伽利略(Domino Galileo Galilei)出版了首本力学专著Della Scienza Meccanica,经典力学从此开始建立其知识体系,在大量观察实验的基础上形成了一套完善的定律、原理、定理、方程及其数学方法.到十九世纪末期,经典力学已经发展成为一门相当成熟的学科.该知识体系传承至今,仍是工程应用的理论基础2,3.水力学既与基础研究有关,又与水利、土木、机械等工程活动密切结合,它在基础理论和工程应用两个领域起双重作用,就此而言,水力学属于应用科学.然而,工程不仅限于对自然科学知识的应用,工程的全过程包含研究、设计、建

6、造、运行、维修、以及产品销售等,其中每一环节无不直接或间接受到社会中人类活动要素的影响,如安全、经济、环境、传统、法律等.换句话说,工程应用包括了自然科学和社会科学两个领域,学习现代水力学,必须建立工程应用的概念.水力学的应用范围十分广泛,除水利工程外,土建、交通、能源、机械等行业都需要水力学知识.针对不同的专门问题,水力学学科又形成许多具有相对独立知识体系的分支学科,如高速水力学,明渠水力学,施工水力学,道桥水力学,环境水力学,等等.以水利水电工程为主要应用对象的水工水力学,主要是解决水利水电枢纽中的泄洪和输水建筑物的水力学问题,如高坝大流量泄洪消能,高速水流的冲刷、空蚀、掺气、雾化等.水力

7、学是一门历史悠久的学科.几千年前古埃及就开始修建灌溉渠系,二千年前阿基米德就提出了著名的浮力定理.两千多年前我国人民就修建了都江堰工程,建成的“鱼嘴”及“飞沙堰”,巧妙地利用了近代水力学中所阐明的弯道环流及堰流的理论,将洪水按一定比例分别泄入内江和外江,洪水中的泥沙则通过“飞沙堰”排入外江,为防洪及灌溉起到了良好的控制作用.这些事例说明,古代人民对水流运动规律已有了相当深入的了解.十六世纪以后,随着经典力学的发展,水力学开始创立自己的理论体系,十八世纪以后开始形成一门独立的学科,并沿着以应用严格的数学工具而发展的经典流体力学及以实验为主的实验水力学两个方向发展.二十世纪初,随着现代工业技术的进

8、步,水力学实验迅速发展,提供了大量水力学理论计算所需要的经验系数,从而为水力学的工程应用开辟了广阔的天地.1904年普朗特提出了边界层理论,开创了认识真实流体运动与边界间相互作用的新篇张.相似理论及量纲分析理论的发展,以及现代量测仪器的研制,使水力学实验技术有了长足的进步.近几十年来,我国修建了数万座水库、大坝和水电站.工程建设极大地促进了水力学的发展,而水力学的提高和现代化又为工程建设的大发展打下了坚实的基础4.现代水力学是以现代科学技术为基础的.二十世纪六十年代,高速电子计算机的问世使许多过去难以用手工计算完成的计算课题得以顺利实现,流场数值模拟能算出水流内部任一点的所有流动参数,为探讨复

9、杂流动现象的内部机理开辟了新天地.现代流体量测技术的发展极大地促进了实验水力学的发展,激光流速仪、动态信号分析仪等测量仪器的出现,使从前无法获得的流场各项流动参数的测量得以实现,如时均流速及脉动流速、脉动压强等等.现代科学在理论上的创新与突破为现代水力学的发展提供了丰富的理论手段,如概率论与统计理论,多相流理论,紊流理论,数值计算的理论与方法等.现代科技手段使传统水力学跨上了新台阶,在思想方法上由传统的只能了解少数平均流动参数的总流的概念转变为现代化的可以把握流场内各时刻流动情景的流场的概念,在技术手段上由传统的经验公式和经验系数的方法转变为数学模型和数值模拟的方法.理论研究、实验研究和数值模

10、拟计算是现代水力学的三大支柱.进入21世纪,工程水力学将继续沿着理论与实践相结合,为国民经济建设服务,推进科学技术进步的道路前进.在新的世纪中,工程建设必将提出诸多更新、更大、更复杂的水力学技术问题,水力学学科必须更迅速地发展,以迎接时代的挑战.工程水力学属于应用力学的分支学科。力学既是自然科学,又是工程学科。在探索知识的过程中,自然科学以宇宙中的自然现象为研究客体,重在认识自然现象的客观本质和运动规律;而工程学科则要研究包含设计、建造、运行维修等每一个环节的应用问题。此外,工程技术问题还要受到人类社会各种要素的影响,如安全、经济、法律等。水力学的应用范围十分广泛,除水利工程外,土建、交通、能

11、源、机械等行业都需要水力学知识。针对不同的专门问题,水力学学科又形成许多具有相对独立知识体系的分支学科,如高速水力学,明渠水力学,施工水力学,道桥水力学,环境水力学等。以水利水电工程为主要应用对象的水工水力学,主要是解决水利水电枢纽中的泄洪和输水建筑物的水力学问题,如高坝大流量泄洪消能高速水流的冲刷空蚀掺气雾化等。进入世纪工程水力学将继续沿着理论与实践相结合,为国民经济建设服务,推进科学技术进步的道路前进。在新的世纪中,水利水电工程建设必将提出诸多更新、更大、更复杂的水力学技术问题,水力学学科必须更迅速地发展,以迎接时代的挑战。1 现代水力学在理论上的新发展在21世纪,水力学的理论框架将发生根

12、本性变革,研究对象将从自然尺度向细观尺度发展,突破传统的连续均匀介质的假设,从而使我们能更深入地认识实际水流运动的真实现象,在以下几个理论领域将有重要进展。1.1非经典介质理论水力学中有均匀流与非均匀流,恒定流与非恒定流等,“非”字当头的研究内容比没有“非”字的要复杂得多。现代水力学理论的发展,又出现了一些以“非”字起头的新理论,如非经典介质理论,非线性理论,非确定性理论等。经典力学一般将所研究的流体介质视做连续均匀介质,这是经典力学的一项重要的基本假设。而实际流体往往掺杂有气体、固体或其它流体等各种杂质,它是一类尚未被现有力学理论适当描述的介质,可称之为非经典介质。无论是从发展力学理论的角度

13、,还是解决真实介质流体的实际问题,开展非经典介质流动的研究都是十分必要的。如掺气水流,空化与空蚀,河流泥沙运动,污染物在水体中的运动等流动现象,它们都属于二相流,但过去往往不考虑相间作用力,而是采用一定假设,使问题得以简化。现代水力学应该着眼于实际流动现象,引进多相流体动力学理论,建立全新的知识体系。例如,研究高速掺气水流,其关键是如何确定水与气二相流体之间的相互作用力,而单相流体的假设很难反映这种相间作用力;现代渗流理论应建立在研究水与多孔介质之间、相互作用的基础上,因此,必须突破传统水力学的均匀连续介质的假定。1.2 非线性理论非线性行为是近代力学基础研究的重要前沿课题。湍流和混沌理论是典

14、型的非线性问题。描述水流运动的N-S方程是非线性的微分方程。过去的水力学计算,往往要用还原和叠加的方法对基本方程式作线性化处理,因而不能准确反映真实水流现象。随着现代科学技术的进步,非线性理论有了突飞猛进地发展。非线性理论是揭示具有非线性本质的各类水流现象的有力工具,也是开发非线性问题数学模型的有力工具。1.3 非确定性理论随机水力学水流运动,特别是紊流,有大量的不确定性因素,水流脉动压力一般可以被视为完全随机的现象,紊流过程则具有混沌的特性。混沌是一种界于完全随机性现象与完全确定性现象之间的自然现象。传统水力学一般只研究确定性的水流现象,对于随机性水力参数,往往采用统计平均的方法加以处理,从

15、而抹煞了水流运动的随机特性。现代水力学重视发展非确定性理论,动水荷载的设计方法将由定值设计法逐步转为可靠性设计法,概率理论和优化决策理论将在工程设计中广泛应用,风险分析的概念将作为规划、设计的重要理论基础。1.4 紊流力学水利工程中的绝大多数流动现象都属于湍流(水力学中的习惯称谓为紊流)。湍流是自然科学中的八大难题之一,由于其复杂性,全世界同行学者协力研究,历时长达百年,至今尚未攻克。湍流作为一种既典型又广泛存在的复杂流动,其非线性规律有超越力学范围的普遍性。我们知道,紊流是由大大小小不同尺度的漩涡组成的,漩涡尺度的量级差别很大。最大漩涡尺度的量级可达数公里,而最小漩涡的尺度不过几毫米,但不同

16、尺度的漩涡在结构上往往具有自相似性,最近发现的标度律,反映了紊流现象的这种混沌特征。无论从基本理论,还是从实际应用考虑,湍流研究都是21世纪面临的紧迫课题。水利工程中的水流基本上都属于紊流。研究紊流特性,可简要归纳为以下几类问题:第一,边壁切变紊流;第二,漩涡与分离流;第三,分离再附流动;第四,流动稳定性问题。要大力开发紊流数学模型,用数值模拟方法逐步取代物理模型实验。1.5 细观水力学传统水力学在自然尺度下研究水流的运动规律,现代水力学要突破传统水力学的常规尺度,从自然尺度向细观尺度延伸,发展细观水力学。一般地说,物理、化学的研究对象往往在其物质分子的尺度上,可称之为微观尺度,细观水力学的研

17、究尺度虽然远小于自然尺度,但仍远大于水分子的尺度,故称为细观。传统水力学常采用总流的概念,它属于自然尺度,细观水力学深入研究水流内部的运动特性,水流与混掺其中的固体、气体、污染物等其它物质的相互作用,水流与固体边界的相互作用及空蚀、冲刷破坏机理等,使水力学的研究深度与现代科学技术相衔接。流场的精细数值模拟也可以视为细观水力学。多相流体与固体力学的交叉学科研究产生和形成了一些新的学科方向,界面力学就是其中之一。界面力学以界面的力学建模、界面区域应力分布规律以及界面结构强韧度研究与破坏分析为主要内容。界面层是裂纹和损伤等破坏容易产生并发展的区域,界面微区的力学问题研究需发展细观尺度与微观尺度的实验

18、测试技术,近年来,界面力学的研究已越来越多地引起人们的关注与重视。2 水力学数学模型的新发展60年代以来,计算机技术的迅速发展为整个科学技术的进步提供了强有力的工具,计算机与数值分析法的结合使科学技术的发展如虎添翼。水力学也不例外,它很快从这个新的科学成就中获得了活力,并迅速地推广应用于水利工程实践。计算机的功能今后将有更大的发展,水力学与计算机结合将极大地增强解决疑难问题的能力。必须加强水力学的算法研究和软件开发,把计算机和水力学密切结合起来,这是现代水力学的重要标志之一。这一领域的主要发展方向有:2.1 数值方法研究有限差分法、有限元法、有限容积法是计算水力学的基本方法。近年来,为了提高计

19、算精度,求解更复杂的水流现象,数值方法有很大发展。具有突变现象的流动,其解是间断的。不同间断现象的数值方法各有特点,这方面还有许多问题需要解决。水利工程中有大量的河渠浅水二维流,明渠或管道中的二维非恒定流问题,这类问题的数值模拟方法至今仍很不完善,其计算格式的优化,边界条件的处理,都有很多需要深入研究的课题,也已出现了许多新算法。2.2 流场可视化技术流场可视化在工程应用中有重要意义。展现研究成果,无论是理论成果、实验成果,还是数学模型计算成果,都需要流场可视化技术。我国目前可视化技术的水平还比较低,需要大力发展。2.3 水力信息学现代技术不断向综合化和智能化发展,大型水利设施的运行管理需要引

20、进现代信息论的理论和方法。由此产生了一个新的交叉学科方向,水力信息学。水力信息学的研究内容和应用目标可简述如下:水力学数学模型与系统管理、控制方面的知识相结合,即可构成专门化的专家系统。应用现代计算机技术将这种集成化的专门知识变成动态的信息资源,就可以用来进行大型防洪系统的预报与调度,大型水利工程的施工组织,大型灌溉系统或水库群的运行调度。21世纪人类将全面进入信息时代,信息的获取、处理和传输是生产组织的主要任务。水力信息学的核心是相关水力学知识的集成、打包,以及集成知识的信息资源化。计算机多媒体技术是最普遍的信息处理技术,在水力信息学的发展中将发挥重要作用。信息资源化的主要手段是建立专业化的

21、信息网络,但也可借助已有的信息网络。3 水力学实验研究实验在水力学研究中具有基础和支撑作用。模型实验可以为理论和计算模型的建立提供依据和支持,也可以对已有的理论结果提出修正或质疑,并以此推动这一领域的研究深入发展。在实验中要对许多水力学参量进行量测,如水深、流量、时均与脉动流速、时均与脉动压强、掺气水流的掺气浓度、含沙水流的含沙量等。发展和建立高分辨率、高精度的水力学测量仪器,是发展实验水力学急需加强的薄弱环节。我国引进了一些具有当代国际先进水平的流体量测仪器,如激光流速仪、动态粒子成像测速仪(PIV)、动态信号分析仪等。我国还不惜耗费巨资,建造了一些大型水力实验装置和数个大型水力学实验基地,

22、为提高我国水利工程的科技水平做出了应有的贡献。在吸收、消化国际先进技术的同时,今后要继续努力研制新型测量仪器,发展自己的水力学实验技术。在实验研究方面,急需解决的问题有:3.1 水力学模型相似率目前,我国工程设计中的多数重大水力学问题仍是通过水力学模型试验解决。试验模型通常按重力相似准则设计。大量模型试验证明,水工模型能够预演大多数原型工程的复杂三元水流现象。但对高速水流问题,除重力相似外,还须考虑其他物理量的相似性。如高速水流的掺气与雾化、脉动压力与流体激振现象、输水道通气、岩基冲刷等问题,其模型相似率至今尚未解决。空化初生试验一般在减压箱内进行,以空化数相等为准。但最新研究表明,初生空化数

23、和模型的大小与水流速度有关,不同的模型,既使水流空化数相等,空化初生现象也不一定相似。高速水流的模型相似率问题困惑着模型实验,是工程水力学急待解决的技术难题。在这方面已做了不少研究,如掺气与通气的相似性,水流脉动压强的相似性,雾化的相似性等,但至今尚无可靠的理论与方法。解决高速水流的相似率问题,一方面有赖于更深入的基础理论研究,而原型观测与模型试验进行对比则是更为实际、有效的方法。借鉴已有同类工程的经验,对解决待建工程问题具有重大意义。目前所开展的原型观测,已大量应用现代化的理论、方法及观测仪器,如应力、应变、位移、速度、掺气浓度等各种类型的传感器,当代最先进的信号分析测试仪器,卫星定位、遥感

24、遥测技术等。据不完全统计,我国已在100多个大、中型水利枢纽中的近200个泄水建筑物上进行了原型观测,已积累了较丰富的观测成果,主要集中在泄洪雾化、空化空蚀、脉动压力、水流掺气与通气等方面。原型观测需消耗大量的人力、物力和财力,需要周密的预先设计和现场组织,也需要借助许多现代化的先进测试仪器。但为了提高水力学的研究水平,今后仍需大力开展原型观测工作。3.2 高速水流关键技术问题的基础研究我国待建的大型水利水电工程多具有水头高、流量大、河谷狭窄的特点,高坝大流量泄洪消能是各项工程共有的技术难题。在这方面虽已做了大量研究,但工程中仍有许多技术难题,因其机理复杂,目前的方法仍难以准确预测实际情况,尚待进一步研究:(1)多股淹没射流流态结构与水垫消能机理。拦河筑坝必须保证洪水的正常下泄,为了防止高速水流的冲刷破坏,泄洪必须满足消能要求。泄洪水流的多余能量,绝大多数是在大坝下游的消能水体中(挑流消能水垫塘或底流消能消力池)通过水流的紊动混掺而消耗掉的。坝身多股泄洪在水垫塘内形成多股淹没射流。水垫塘内的流态结构与水垫消能效率及水流作用于水垫塘边壁动水荷载的大小有十分密切的关系。高速强紊动水流的消能效率高,但对固体边壁的冲刷破坏力也大,既要实现高效消能,又要防止冲刷破坏,其根本途径是优化消能水体中多股淹没射流的流态结构。消能机理的研究是创造新型消能