水力學

本書按照教育部高教司制定的水力學課程教學基本要求編寫。共分13章：緒論，水靜力學，液體一元恆定總流基本原理，層流和紊流、液流阻力和水頭損失，液體三元流動基本原理，有壓管流，明渠均勻流，明渠非均勻流，堰流和閘孔出流，泄水建築物下游水流的銜接與消能，滲流，污染物的輸運和擴散，水力相似與模型試驗基本原理。

本書是依據多年的教學實踐，並廣泛吸取國內外教材之優點而編寫的。在內容安排上，著重分析水流現象，揭示水流內在規律；以水力學的基本概念、基本原理為主，避免繁瑣的數學推導，著重物理概念的闡述，對過於繁瑣的計算重點介紹計算方法，引導學生用計算機來完成計算；力求與水利、土建工程實際相結合，並注重與其他學科更好的結合，對推動水力學的學科發展起到較好的促進作用。

本書主要作為高等院校水利、土建類專業的大學本科教學用書，也可作為從事水力學工作的工程技術人員參考用書。

第1章 緒論1

1.1 水力學的定義、任務和發展簡史1

1.2 液體的連續介質模型3

1.3 液體的主要物理性質3

1.3.1 質量和重量4

1.3.2 黏滯性5

1.3.3 壓縮性8

1.3.4 表面張力9

1.3.5 汽化壓強10

1.4 作用於液體的力10

1.4.1 表面力10

1.4.2 質量力11

思考題11

習題12

第2章 水靜力學14

2.1 概述14

2.2 靜水壓強及其特性14

2.2.1 靜水壓強的定義14

2.2.2 靜水壓強的特性15

2.3 液體平衡微分方程及其積分17

2.3.1 液體平衡微分方程17

2.3.2 液體平衡微分方程的積分18

2.3.3 等壓面特性18

2.4 重力作用下靜水壓強的分佈規律19

2.4.1 水靜力學基本方程19

2.4.2 絕對壓強、相對壓強，真空202.4.3 水頭與單位能量21

2.4.4 等壓面的應用22

2.4.5 靜水壓強分布圖24

2.5 重力和慣性力同時作用下的液體平衡25

2.6 作用於平面上的靜水總壓力28

2.6.1 解析法28

2.6.2 矩形平面靜水壓力--壓力圖法31

2.7 作用於曲面上的靜水總壓力33

2.7.1 靜水總壓力的大小33

2.7.2 靜水總壓力的方向35

2.7.3 靜水總壓力的作用點35

思考題37

習題38

目錄目錄第3章 液體一元恆定總流基本原理42

3.1 概述42

3.2 描述液體運動的兩種方法42

3.2.1 拉格朗日法42

3.2.2 歐拉法44

3.3 液體運動的幾個基本概念45

3.3.1 恆定流與非恆定流45

3.3.2 一元流、二元流與三元流46

3.3.3 流線與跡線46

3.3.4 流管、元流、總流、過水斷面47

3.3.5 流量與斷面平均流速47

3.3.6 均勻流和非均勻流48

3.3.7 漸變流與急變流49

3.3.8 系統和控制體50

3.4 恆定流動的連續方程51

3.5 恆定元流的能量方程52

3.5.1 理想液體恆定元流的能量方程52

3.5.2 伯努利方程的能量意義和幾何意義54

3.5.3 實際液體恆定元流的能量方程55

3.6 實際液體恆定總流能量方程56

3.7 恆定總流動量方程62

3.8 空化與空蝕的概念67

思考題67

習題68

第4章 層流和紊流、液流阻力和水頭損失71

4.1 概述71

4.2 水頭損失的分類71

4.3 液體運動的兩種流態--層流和紊流72

4.3.1 雷諾試驗72

4.3.2 沿程損失?h??f和平均流速?v?的關係73

4.3.3 流態的判別--雷諾(Reynolds)數75

4.4 均勻流基本方程77

4.4.1 切應力與沿程損失的關係77

4.4.2 切應力的分佈79

4.5 層流運動80

4.5.1 圓管均勻層流80

4.5.2 二元明渠均勻層流83

4.6 沿程水頭損失的一般公式86

4.7 紊流概述86

4.7.1 紊流的脈動現象和時均概念87

4.7.2 紊流切應力89

4.7.3 紊流的黏性底層91

4.7.4 紊流的水力光滑面、水力過渡粗糙面和水力粗糙面92

4.8 紊流的流速分佈93

4.8.1 對數流速分佈94

4.8.2 指數流速分佈96

4.8.3 黏性底層的厚度98

4.9 沿程水頭損失係數?λ?的試驗研究--尼古拉茲試驗101

4.9.1 人工粗糙管沿程水頭損失係數?λ?的試驗研究

--尼古拉茲試驗101

4.9.2 實用管道沿程水頭損失係數?λ?的試驗研究104

4.10 謝才公式108

4.11 局部水頭損失111

思考題116

習題116第5章 液體三元流動基本原理119

5.1 概述119

5.2 流線與跡線微分方程119

5.2.1 流線微分方程119

5.2.2 跡線微分方程120

5.3 液體三元流動的連續性方程120

5.4 液體微團運動的基本形式121

5.4.1 液體微團運動形式分析122

5.4.2 液體微團速度分解定理123

5.5 有旋運動簡介125

5.6 液體恆定平面勢流128

5.6.1 流速勢函數128

5.6.2 流函數129

5.6.3 流網及其性質131

5.6.4 基本平面勢流134

5.7 液體運動微分方程136

5.7.1 液體中一點處的應力狀態137

5.7.2 本構方程-應力與變形率的關係137

5.7.3 應力形式的運動微分方程138

5.7.4 運動微分方程--納維-斯托克斯方程139

5.7.5 紊流時均運動微分方程--雷諾方程140

5.7.6 邊界層簡介142

思考題143

習題143

第6章 有壓管流145

6.1 概述145

6.2 短管的水力計算146

6.2.1 自由出流146

6.2.2 淹沒出流147

6.2.3 總水頭線和測壓管水頭線的繪製148

6.2.4 短管水力計算舉例149

6.3 長管的水力計算153

6.3.1 簡單管道的水力計算153

6.3.2 串聯管道的水力計算155

6.3.3 並聯管道的水力計算156

6.3.4 沿程均勻泄流管道的水力計算156

6.3.5 管網水力計算基礎159

6.4 有壓管路中的水擊161

6.4.1 水擊波的傳播過程161

6.4.2 直接水擊與間接水擊163

6.4.3 水擊壓強的計算164

思考題166

習題166

第7章 明渠均勻流170

7.1 概述170

7.1.1 明渠的底坡170

7.1.2 明渠的橫斷面171

7.2 明渠均勻流的特性和形成條件173

7.2.1 明渠均勻流的特性173

7.2.2 明渠均勻流產生的條件174

7.3 明渠均勻流的水力計算174

7.3.1 明渠均勻流的計算公式174

7.3.2 明渠均勻流水力計算三類基本問題177

7.3.3 明渠均勻流水力計算的其他問題180

思考題187

習題187

第8章 明渠非均勻流189

8.1 概述189

8.2 明渠水流的流態190

8.2.1 緩流、臨界流和急流190

8.2.2 明渠中干擾微波的波速191

8.3 斷面單位能量，臨界水深，臨界底坡193

8.3.1 斷面單位能量193

8.3.2 ?E??s?與h?的關係(流量一定的條件下)195

8.3.3 臨界水深及其計算195

8.3.4 臨界底坡198

8.4 兩種流態的轉換--水躍與水跌199

8.4.1 水躍199

8.4.2 水跌207

8.5 稜柱體明渠水面曲線微分方程209

8.6 稜柱體明渠水面曲線形狀分析210

8.6.1 水面曲線的類型211

8.6.2 水面曲線的定性分析212

8.6.3 10條水面曲線的共同規律及控制斷面與控制水深的選取215

8.7 明渠水面曲線計算216

8.8 天然河道水面曲線計算222

8.8.1 水面曲線計算公式222

8.8.2 水面曲線計算方法223

8.9 明渠彎段水流230

8.9.1 橫向水面超高231

8.9.2 斷面環流成因分析232

8.9.3 彎段水流的能量損失232

8.10 明渠非恆定流233

8.10.1 明渠非恆定流概念233

8.10.2 明渠非恆定漸變流動的基本方程235

8.10.3 明渠非恆定漸變流計算方法簡介239

思考題240

習題241

第9章 堰流和閘孔出流243

9.1 概述243

9.2 堰的分類244

9.2.1 薄壁堰244

9.2.2 實用堰245

9.2.3 寬頂堰245

9.3 堰流的基本公式246

9.4 薄壁堰248

9.4.1 矩形薄壁堰248

9.4.2 三角形薄壁堰251

9.5 實用堰251

9.5.1 曲線型剖面實用堰251

9.5.2 折線型實用堰255

9.6 寬頂堰259

9.6.1 寬頂堰的流量公式259

9.6.2 寬頂堰的堰頂水深260

9.6.3 流量係數261

9.6.4 側收縮係數262

9.6.5 淹沒係數263

9.7 閘孔出流265

9.7.1 堰流與孔流的界限266

9.7.2 寬頂堰上的閘孔出流267

9.7.3 實用堰上的閘孔出流269

9.8 水工建築物測流簡介271

思考題273

習題274

第10章 泄水建築物下游水流的銜接與消能277

10.1 概述277

10.2 底流式銜接與消能277

10.2.1 收縮斷面水深的計算278

10.2.2 消能工的水力計算280

10.3 挑流式銜接與消能288

10.3.1 挑距的計算289

10.3.2 挑角?θ?291

10.3.3 反弧半徑?R?291

10.3.4 挑坎高程的確定291

10.3.5 挑流沖刷坑的估算292

10.4 面流銜接與消能292

10.4.1 面流型的銜接形式292

10.4.2 消力戽消能294

思考題296

習題297

第11章 滲流299

11.1 概述299

11.2 滲流的幾個基本概念299

11.2.1 水在土壤中的形態299

11.2.2 土壤的滲透特性300

11.2.3 滲流模型300

11.3 滲流的基本定律301

11.3.1 達西試驗和達西定律302

11.3.2 達西定律的適用範圍303

11.3.3 滲透係數及其確定方法304

11.4 恆定無壓滲流305

11.4.1 無壓恆定均勻滲流305

11.4.2 無壓恆定漸變滲流306

11.4.3 無壓漸變滲流的微分方程307

11.4.4 漸變滲流浸潤線的分析和計算307

11.5 井的滲流313

11.5.1 普通完整井313

11.5.2 承壓完整井314

11.5.3 井群315

11.6 土壩滲流317

11.6.1 前段的計算318

11.6.2 後段的計算318

11.6.3 計算浸潤線319

11.7 滲流的基本微分方程320

11.7.1 滲流的連續性方程320

11.7.2 滲流的運動方程320

11.7.3 滲流的流速勢函數321

11.7.4 滲流問題解法概述321

11.8 恆定平面滲流的流網解法322

11.8.1 恆定平面滲流流網的繪製322

11.8.2 應用流網進行滲流計算324

思考題327

習題327

第12章 污染物的輸運和擴散329

12.1 概述329

12.2 污染物輸運和擴散的數學方程330

12.2.1 一維輸運-擴散方程330

12.2.2 平面二維輸運-擴散方程332

12.3 一維擴散過程的解334

12.3.1 無限長渠道中瞬時點源的擴散334

12.3.2 半無限長渠道中瞬時點源的擴散335

12.3.3 無限長渠道中區域濃度的擴散336

12.3.4 半無限長渠道中連續點源的擴散337

12.4 二維擴散過程的解338

12.5 均勻流條件下一維隨流-擴散方程的解339

12.5.1 均勻流條件下瞬時點源的隨流-擴散339

12.5.2 無限長渠道中區域濃度的隨流-擴散341

12.5.3 半無限長渠道中連續點源的隨流-擴散342

12.6 均勻流條件下二維隨流-擴散方程的解342

12.7 存在化學反應的一維隨流-擴散方程的解342

12.8 擴散係數的分析與估算343

思考題345

習題345

第13章 水力相似與模型試驗基本原理347

13.1 概述347

13.2 量綱分析基本原理348

13.2.1 量綱與單位、基本量綱和誘導量綱348

13.2.2 無量綱數(量綱為一的量)349

13.2.3 量綱和諧原理350

13.2.4 量綱分析法350

13.3 水力相似基本原理355

13.3.1 比尺、基本比尺、導出比尺355

13.3.2 力學相似、幾何相似、運動相似和動力相似355

13.3.3 牛頓相似定律356

13.3.4 相似準則357

13.4 相似準則的應用及水力模型設計362

13.4.1 相似準則的應用及模型比尺換算362

13.4.2 水力模型設計的限制條件365

13.5 水力模型的分類368

13.5.1 按模型模擬的範圍分類368

13.5.2 按床面的性質分類369

13.5.3 按模型的幾何相似性分類369

思考題370

習題370

習題答案372

參考文獻378