[[水力学]教学大纲] 水力学

《水力学》

1、课程名称与代码：水力学（306071050） 课程性质：必修

2、学时学分：85学时/5学分 先修要求：无

3、课程负责人：李克锋、王黎、王协康

4、教材和补充教材信息：

“十二五”规划教材 《水力学》（第四版） 吴持恭主编 高等教育出版社2008年 《水力学》 赵振兴, 何建京编著. 北京: 清华大学出版社, 2005

《水力学》 郭仁东, 冯劲梅, 吴慧芳主编. 北京: 人民交通出版社, 2006

《水力学》 王亚玲主编. 北京: 人民交通出版社, 2005

《工程流体力学（水力学）》 闻德荪主编. 第2 版. -- 北京: 高等教育出版社, 2004 《水力学实验》 贺五洲, 陈嘉范, 李春华编. 北京: 清华大学出版社, 2004

5、课程目标：

a ) 达到的教学目的：使学生具有一定理论基础，理解水力学的一些基本概念与物理意义，对工程中与专业有关的水力学问题，有正确分析和计算的能力，掌握一定的实验技能，加强微机编程计算能力培养。

b) 支撑的毕业要求：工程知识（要求1）、问题分析（要求2）、个人和团队（要求9）、终身学习（要求12）。

6、课程的主要教学内容

一、绪论

(1) 水力学任务和水利工程中的水力学问题；

(2) 液体主要物理力学性质，内摩擦定律，牛顿液体与非牛顿液体；

(3) 连续介质和理想液体概念；

(4) 作用在液体上的力：表面力和质量力；

(5) 水力学的研究方法。

二、水静力学

(1) 静水压强及其特性；

(2) 重力作用下静水压强的基本方程式及其物理意义，等压面的概念；

(3) 压强的表示法：绝对压强、相对压强和真空度；

(4) 压强的量测：测压管、U 型水银压力计、压差计；

(5) 作用于平面上的静水总压力：压强分布图，静水总压力的大小、方向和作用点；

(6) 作用于曲面上的静水总压力：水平压强分布图和压力体图；

(7) 作用于物体上的静水总压力，物体的浮沉；

(8) 几种质量力作用下的液体平衡。

三、水动力学基础

(1) 描述液体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法，流线和迹线；

(2) 恒定流与非恒定流；

(3) 水流的几个基本概念：流管、微小流束、总流、过水断面、流量、断面平均流速、一元流、二元流、三元流；

(4) 恒定一元流连续性方程；

(5) 均匀流、非均匀流、渐变流与急变流；

(6) 恒定一元流微小流束能量方程和总流能量方程及其应用，毕托管、文丘里流量计、

孔口出流、管嘴出流，变水头孔口出流时间计算；

(7) 恒定一元流动量方程及其应用举例。

四、量纲分析和相似原理

(1) 量纲的基本概念，量纲和单位；

(2) 量纲和谐原理；

(3) π定理及其应用举例；

(4) 相似概念，流动相似特征，几何相似、运动相似、动力相似；

(5) 单项力作用下的相似准则：重力准则 (佛汝德准则) 、粘性准则 (雷诺准则) ，简介惯性力相似准则、表面力相似准则、弹性力相似准则、压力相似准则；

(6) 水工模型设计简介。

五、液流型态和水头损失

(1) 水头损失的概念和分类，沿程水头损失和局部水头损失；

(2) 边界条件对水头损失的影响；

(3) 均匀流沿程水头损失与切应力关系，沿程水头损失的一般表达式：达西公式；

(4) 液体运动的两种型态及其判别：层流和紊流及其判别，雷诺数的物理意义；

(5) 圆管中层流运动及其沿程水头损失；

(6) 紊流特征：脉动现象、瞬时值、时均值、脉动值、紊动强度，紊动产生附加切应力，混合长度理论，粘性底层，紊流速度分布；

(7)沿程阻力系数变化规律：沿程阻力系数λ与雷诺数和相对粗糙度的关系 (尼库拉兹图) ，莫迪图，水力光滑区、过渡区和粗糙区的差别及计算各区λ值的经验公式；

(8) 沿程水头损失的经验公式：谢才公式、曼宁公式；

(9) 局部水头损失：局部水头损失的一般表达式，圆管突然放大的局部水头损失，局部阻力系数。

六、恒定有压管流

(1) 管道类型；

(2) 简单管道水力计算的基本公式；

(3) 简单管道水力计算的基本类型和实例；

(4) 复杂管道的水力计算：串联管道、并联管道、分岔管道、沿程均匀泄流；

(5) 测压管水头线和总水头线绘制；

(6) 变水头管道泄流时间的计算。

七、非恒定有压管流

(1) 阀门突然关闭和逐渐关闭时管道中的水击：水击现象，水击波传播速度，直接水击和间接水击；

（2）管道非恒定流的基本方程：连续性方程和运动方程；

（3）水击的基本微分方程组：水击连续性方程、水击运动方程，水击连锁方程及其应用；

（4）调压井水面振荡简介。

八、明渠恒定水流

(1) 明渠恒定均匀流

明渠类型；

② 明渠均匀流的特性及产生的条件；

③ 明渠均匀流计算公式；

④ 水力最佳断面和允许流速；

⑤ 明渠均匀流水力计算类型；

⑥ 粗糙度不同的明渠和复式断面明渠的水力计算。

（2）明渠恒定非均匀流

①明渠水流的三种流态及判别，佛汝德数的物理意义；

②断面比能及比能曲线的特性；

③临界水深计算及实例；

④缓坡、陡坡和临界坡度；

⑤明渠非均匀渐变流的微分方程式：基本方程式、水深、断面比能和水位沿程变化的微分方程；

⑥棱柱体渠道恒定渐变流水面曲线的分析；

⑦棱柱体及非棱柱体渠道水面曲线计算：逐段试算法；

⑧恒定非均匀流流量和糙率计算；

⑨河道水面曲线的计算：试算法和图解法。

（3）水跃

①棱柱体水平明渠水跃方程；

②水平明渠水跃共轭水深的计算；

③水跃方程的实验验证；

④棱柱体水平明渠水跃能量损失和跃长的计算。

九、明渠非恒定流

(1) 明渠非恒定流的特性和波的分类；

(2) 明渠非恒定渐变流基本方程式：连续性方程和运动方程；

(3) 初始条件和边界条件；

(4) 明渠非恒定流的计算方法：特征线法和瞬态法；

(5) 明渠非恒定急变流：波额流段的连续性方程和动量方程，波额流量。

十、堰流和闸孔出流

(1) 堰流类型：薄壁堰、实用堰、宽顶堰；

(2) 堰流的基本公式；

(3) 薄壁堰、实用堰和宽顶堰的水力计算，流量系数、侧收缩系数、流速系数和淹没系数，实用堰剖面设计原则简介；

(4) 闸孔出流的水力计算：底坎为宽顶堰型和曲线型实用堰的闸孔出流。

十一、泄水建筑物下游水流衔接和消能

(1) 底流式消能的水力计算，溢流坝下游收缩断面水深的计算，降低护坦及建消能坝形成消能池的水力计算；

(2) 挑流式消能的水力计算；

(3) 面流消能及消能戽消能水流特性简介。

十二、液体运动的流场理论

(1) 流场、速度、加速度；

(2) 流线、迹线及其微分方程；

(3) 液体微团运动的基本形式：平移、线变形、角变形和旋转；

(4) 无涡流、有涡流、速度环量和涡通量；

(5) 液体运动的连续性方程式；

(6) 理想液体运动微分方程式及其积分，动水压强特性，欧拉方程式，葛罗米柯方程式及其积分；

(7) 实际液体运动微分方程式：纳维埃一斯托克斯方程；

(8) 边界层概念。

十三、恒定平面势流

(1) 恒定平面势流的流速势及流函数；

十四、渗流

(1) 渗流基本概念和渗流模型；

(2) 达西定律及其应用条件，渗透系数；

(3) 恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流，杜比公式；

(4) 棱柱体地下河槽恒定渐变流浸润线的分析和计算；

(5) 普通井及井群渗流计算；

十五、实验内容

（1）操作实验

① 静水压强测定；

② 能量方程的验证；

③ 文丘里管流量系数测定；

④ 动量方程实验验证；

⑤ 管流沿程阻力实验；

⑥ 管流局部阻力实验；

⑦ 明渠断面流速分布测定；

⑧ 薄壁堰流量系数的测定；

( 2 ) 演示实验

① 流线演示；

②雷诺实验；

③ 水面曲线演示实验；

④水跃及建筑物下游水流衔接现象的观测；

7、课程考核内容及方式

结合期末考试、期中考试、水力学实验成绩和平时成绩综合评定