水力分析与计算解题方法及常见错题分析

2014.09水力分析与计算培养学生

解题能力及常见错题分析12目录（1）流态判别（2）作用水头计算（3）作用力计算（4）流量计算（5）压强水头计算（6）消能计算（7）水面线计算（8）尺寸设计（管流、渠道、堰闸）1培养学生解题能力举例试用三种方法判断明渠水流为急流或缓流。（1）流态判别

1）有一矩形断面渠道，水深h=15cm，底宽b=20cm，断面平均流速v=0.15m／s，水温为15℃，试判断渠道中水流运动型态。

2）有一矩形断面明渠Q=25m3/s，底宽b=6m，渠道中实际水深h=3.0m，试判别渠道中水流流态。液体的运（流）动型态与明渠水流的流态容易搞混，再加上题意表达不清，本来很简单的计算题而不能得分。教师要对比着讲清两者概念、区别，出题要严谨准确明白。分析

试判断渠道中水流的流态。（2）作用水头计算1）如题图为一输水管路，已知铸铁管的管长L=250m，管径d=100mm,管路进口为直角进口，有一个弯头和一个闸阀，弯头的局部损失系数为0.8。当闸门全开时，管路出口流速v=1.6m/s，求水塔的水面高度H。2）从水箱引出一直径不同的管道，如题图所示。已知d1=150mm，L1=30m，λ1=0.036，λ2=0.038，d2=125mm，L2=20m，第二段管子上有一平板闸阀，其开度为0.5。当输送流量Q=25L/s时，求：水箱的水头H。3）如题图所示，一跨河倒虹吸管，正方形过水断面，边长b=0.8m，倒虹吸管长l=50m，两个30。折角、进口和出口的局部水头损失系数分别为ζ1=0.2，ζ2=0.5，ζ3=1.0，沿程水头损失系数λ=0.024，已知通过流量Q=2.7m3/s。若上下游的行近流速水头忽略不计，求上下游水位差H

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（2）作用水头计算分析

1）如题图求水塔的水面高度H。2）从水箱引出一直径不同的管道，如题图所示。求：水箱的水头H。3）如题图所示，求上下游水位差H

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管流作用水头计算，要判断出流情况，根据出流情况想管流水力计算公式，并清楚公式中各项物理量名称及意义，

然后可以用公式求作用水头，也可以用能量方程求作用水头（讲课时要启发学生）。用管流水力计算公式求作用水头时一定要清楚公式使用条件，让学生明白求作用水头时公式是有条件的。（3）作用力计算分析

1），一设置镇墩的水平放置的压力钢管的渐缩段，已知：D1=1.5m，D2=1m，渐变段起点断面的压强p1=400kPa，流量Q=2m3/s。若不计水头损失，求镇墩上所受的轴向推力为多少?

2），有一弧形闸门AB为半径R=2m的圆柱面的四分之一，闸门宽b=4m，水深h=2m，求作用在AB面上的静水总压力的大小和压力中心。

首先知道课程中解决作用力问题的方法，然后让学生看清是运动的水流（流量或流速速给定）或是静止的水流，最后选对公式、方法求解。动量方程应用时让学生注意三选、力、流速正负号及与能量方程联合求解（审题判断），静水总压力计算时让学生注意画对静水压强分布图或压力体剖面图，讲课时一定要讲清画图的目的。（4）流量计算举例分析

讲课时始终贯穿本课程要解决的基本问题之一过流能力计算，经常给学生总结不同流动边界情况下过流能力计算公式方法，让学生对比写不同流动边界情况下过流能力计算公式。看到题首先判断水流流动边界情况，然后对号入座选对公式，然后根据公式对应计算步骤方法依次求解，最终解决问题。

水力要素计算能量方程求解

万变不离其宗（5）压强水头计算分析

p=p0+γh

1）如题图所示为两个封闭容器A、B，其测压管中的液面分别高于或低于容器中液面的高度均为h，已知h=lm，试求：容器A、B内液面的绝对压强、相对压强和真空压强。2）水轮机的直锥形尾水管（题图所示）。已知断面A-A的直径为0.6m，流速vA=6m/s，出口断面B-B直径为0.9m，两断面间的水头损失为断面A-A流速水头的0.15倍。试求：当z=5m时，断面A-A处的压强水头。分析是静水压强或动水压强，静水压强利用静水压强方程式，或绝对压强、相对压强和真空压强关系求解；动水压强只能借助于三大方程中能量方程求解，能量方程求解时注注意三选（经常加强巩固），注意压强表示形式，负压意味着什么，对真空概念要理解熟记！

p1-p2=γ（h1-h2）

p=γh

p真=p绝-pa=-p

（6）消能计算题型不容易与前面各章节搞混

分析

1）拟建一无侧收缩溢流堰，堰高P1=P2=9m。当通过单宽流量q=8.27m3/(m.s)时，堰的流量系数m=0.49，流速系数φ=0.95，下游河道水深ht=3.5m。要求：(1)判断溢流堰出流与下游水流衔接型式；(2)若采用挖深式消力池，试设计消力池的尺寸。下游水流衔接形式就是判断水跃形式，想三种水跃形式判断方法，然后根据方法计算判断。求hc，求hc跃后水深hc’’，hc’’和下游水深比较判流态。主要是挖深式消力池试算法池深确定计算能力及池深确定步骤，Excel计算能力一定要让学生清楚！（6）消能计算题型不容易与前面各章节搞混

分析

2）一单孔平板泄洪闸，上游水位为31m，闸底高程和河床高程均为24.0m，下游水位高程为27.0m，且为自由出流下游发生远离式水跃，初步设计消力池底部高程为22.5m，消能段与闸孔等宽(题图)。当闸门开度e=1m时，不计闸前行近流速，验算消力池的深度能否满足消能要求。

有一定难度，堰闸与消能知识总合应用，让学生清楚主线索是消能计算，但流量、单宽流量不知道，让学生通过审题看水流流动边界条件，然后选堰或闸过流能力公式计算流量、单宽流量。要让学生一步步去尝试，去分析就能得解，光看不去做做试试，看不到结果就放弃了。熟练理解池深确定步骤，然后就容易验算消力池的深度能否满足消能要求。序号常见问题错误情况、原因1运动粘滞系数、动力粘滞系数及密度、容重计算物理量对应关系及单位对应关系不清楚出错2绝对压强、相对压强及真空度计算绝对压强、相对压强及真空度关系不清楚，真空度概念理解不透3能量方程应用解题能量方程三选及各项意义不理解出错4动量方程三选问题错误动量方程三选及各项意义不理解、正负号不清楚出错5绘制静水压强分布图错误静水压强分布图绘制意义、依据不清楚，箭头方向、箭杆长短出错，首尾两端无标出大小。6管流计算1作用水头理解错误题7管流计算2简单管道计算公式使用条件不清楚出错8明渠流态判别判明渠流态求波速水深出错9临界水深计算出错临界水深公式使用条件不清楚10绘制总水头线、测压管水头线绘制要点没掌握好2学生常见问题分析2学生常见问题分析序号常见问题错误情况、原因11绘制压力体剖面图错误压力体剖面图组成、绘制方法不清楚。12绘制水面线出错NN线、KK线画错，水面线沿程变化情况及特点不清楚。13流态判别题目出的不清楚，层流、紊流与急流缓流判别搞混。14堰流水力计算图、表不会查，方法步骤不会。15宽顶堰淹没条件判断hs意义不清楚，hs不会计算.16闸孔出流水力计算闸孔出流淹没条件不会判断，流速迭代试算不会。17水跃衔接形式判断迭代试算没掌握，不会根据堰闸知识确定E0。18挖深式消力池水力计算迭代试算没掌握，方法步骤不会。19水力计算中细节动量方程中密度取值、压强、压力单位，能量方程中容重取值、压强单位，单位能量单位出错，漏掉单位，管流计算局部损失系数选错、漏选问题等。20水力计算不规范无步骤，不画图，不按力的三要素求解等。物理量单位不对应如题图所示为两个封闭容器A、B，其测压管中的液面分别高于或低于容器中液面的高度均为h，已知h=lm，试求：容器A、B内液面的绝对压强、相对压强和真空压强。相对压强小于零才产生真空相对压强小于零才产生真空图首尾两端要标出压强大小同一点压强大小相等，箭杆长度一样。同一点压强大小相等，箭杆长度一样，考虑上下游水流，CD受压面C处压强不能为零。圆弧受压面各点处压强大小不等绘AB面压力体剖面图压力体剖面图与静水压强分布图搞混了压力体剖面图由受压曲线、水面线或延长线及铅垂线组成，根据组成绘制！压力体剖面图由受压曲线、水面线或延长线及铅垂线组成，根据组成绘制！1.没按管道进出口要求绘制；2.管径不变管段两线平行、间距相等，且两线沿程坡度相同；3.管径越大流速越小，两线间距越小且两线坡度越缓。1.管径越小流速越大，两线间距越大且两线坡度越陡。2.管径沿程变小，两线间距沿程变大，两线为不在平行曲线。画水面线要标线型不画静水压强分布图，做题不规范！单位能量与能量概念没区分开，单位也搞混了！单位能量为长度单位。细节出错，概念不透，A-A断面产生真空相对压强就应该为负值，学生计算出的负值又改为正的。此公式适用于简单有压短管，公式使用条件不清楚！应利用能量方程求解！明渠临界雷偌数500写成管流的临界雷偌数，概念不清，不注意细节！此公式适用于压差计为水的情况，水银压差计公式中