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1、选择题：,P14：d、c、d、b、b；a、c、a,P39：a、c、b、c、c；c、b、b、c、a；b,P64：d、b、c、b、c；c,P104：c、a、c、a、d；d,P125：d、d、d、d、b；a、c、d、c,P170：a、b、d、d、c；c、d、c、c、b；b,P199：b、b、c、c、d；a、a,P243：b、c、c,P272：b、a、c、d、c,工程流体力学,第1章 绪论第2章 流体静力学第3章 流体运动学第4章 流体动力学基础第5章 量纲分析和相似原理 了解第6章 流动阻力和水头损失第7章 孔口、管嘴出流和有压管流第8章 明渠流动第10章 渗流,第1章 绪论,1.流体上的作用力归纳
2、为两类,流体内部不承受拉力,2.牛顿内摩擦定律,单位质量力矢量：,3.几个概念,黏性：液体质点间存在相对运动而产生内摩擦力以抵抗剪切变形的性质。流体流动产生能量损失的主要原因,液体的黏性只有流动才表现出来。,动力黏度：又称绝对黏度、动力黏性系数、黏度，Pas。,运动黏度：又称相对黏度、运动黏性系数，m2/s。,无黏性流体：黏性不起作用或不起主要作用，忽略黏性影响，=0。,不可压缩流体：流体密度随压强变化很小(r=Const)。,连续介质模型：流体为没有间隙充满所占据整个空间的一种连续介质，物理量是空间坐标和时间连续函数的一种假设模型：u=u(t,x,y,z)。,第2章 流体静力学,（1）流体质
3、点之间不存在相对运动，处于相对平衡状态。（2）流体内部不存在剪应力，只存在压应力的正应力，称为静压强。（3）不考虑流体黏性。,1 静止流体的特性,（1）方向沿作用面的内法线方向；（2）大小与作用面的方位无关。,2 流体静压强两个基本特性,故静止流体任一点静压强p是与位置有关、方向无关、空间上连续函数。,p=p(x，y，z),(2-1),3 静止流体平衡微分方程,(1)欧拉平衡方程：静压强空间变化与单位质量力的关系,欧拉平衡方程式的全微分式:,(2)等压面：等压面与质量力正交,不一定是水平面。,(3)重力场静压强的分布:,pp0gh,4 压强的度量,pabs=pa+gh,(2)相对压强(表压强，
4、压力表)：当地大气压强,(3)真空度:,注：绝对压强为正值，相对压强可正可负，真空压强(真空度)不能为负值。最小真空压强为零，相对压强也为0，而绝对压强pabs=pa。,(1)绝对压强：绝对真空,p=pabspa,pvpapabs=p,真空高度:,流体静力学,5 水头,z 位置高度(位置水头),重力势能(位能),测压管高度(压强水头)，压强势能(压能),测压管水头，总势能(位能+压能),单位重量液体,6 总压力的计算,(1)平面上的压力:,PgsinaycAghcApcA,(2)曲面上的压力:,水平分力,铅垂分力,压力体确定：设想取铅垂线沿曲面边缘平行移动一周，割出的以自由液面（或延伸面）为上
5、底，曲面本身为下底的柱体。,实压力体,虚压力体,曲面总压力P,第3章 流体运动学,2 流体质点加速度,迁移加速度(位变加速度)：速度随位置变化，速度场不均匀性。,当地加速度(时变加速度)：给定空间点速度随时间变化,流场不恒定性；,4 流动的分类,恒定流、非恒定流是相对时间而言，均匀、非均匀流是相对空间而言；恒定流可是均匀流，也可以是非均匀流，非恒定流也是如此。,（1）恒定流：流场中的任何流动要素均不随时间变化。,非恒定流：流场中的流动要素只要有一个随时间而变化。,（2）均匀流：流线为直线、且相互平行流动，即迁移加速度=0(非均匀流),3 过流断面,与流线相垂直的横断面，一般是曲面。过流断面上的
6、各点的(z+p/g)=c。,5 流线、迹线,流线方程(固定t，对x、y、z积分),迹线方程(对t积分，解微分方程组),6 三维流动连续性微分方程,质量守恒定律,流动连续性积分方程,v1A1=v2A2,流场中的流体微团无旋转运动(无涡流、有势流),7 无旋、有旋流动：,1 流体运动的描述,拉格朗日法:综合足够多流体质点随时间运动得整个流动规律质点系法,欧拉法:综合各空间点运动要素变化规律，以“流场”为研究对象流场法,第4章 流体动力学基础,1 无黏性流体运动微分方程(欧拉方程),外力和运动关系,流体运动的力：表面力、质量力。表面力有法向应力(压力)、切向应力(黏滞力)。,2 黏性流体的动压强,由
7、于黏性作用产生的剪应力使任一点法向应力大小与作用面方位有关，即pxxpyypzz。可证明同一点任意三个正交面上法向应力之和都不变，即,与静压强类似，任一点动压强大小与作用面方位无关,黏性流体动压强:,p（pxxpyypzz）/3,无黏性流体动压强:,静压强特性：静止液体内任何点的（z+p/g）=c。动水压强特性：流体流动的过流断面上的各点（z+p/g）=c。,3 伯努利方程,(元流),(总流),z：计算点位能(位置高度、位置水头)；,：两断面间平均机械能损失(水头损失)。,：过流断面上平均动能(平均流速高度、流速水头)；,：计算点压能(测压管高度、压强水头)；,能量守恒定律,单位重量流体,总水
8、头,测压管水头,应用条件：恒定流；质量力只有重力；不可压缩流体；所取过流断面为渐变流断面(两断面间没有任何限制)；两断面间无分流、汇流；两过流断面间除水头损失外，无其它机械能输入或输出。,流体动力学基础,黏性流体的水头线：,:沿程单调下降，J(能坡),(1)总水头线H,(2)测压管水头线Hp,：可升可降或不变,应用注意事项：,合理选取基准面，确定位置水头。基准面应以简化计算为原则。,压强水头 可采用绝对压强或相对压强，但两断面必须选用一致。工程计算多采用相对压强更方便。,选好过流断面上计算点，确定测压管水头。,正确确定方程中水头损失hw。,选取的过流断面满足渐变流，但两过流断面间可是急变流；并
9、使所选断面上未知量尽可能少，使方程求解简化。,正确选定。值与断面流速分布有关，实际工程多为1.051.10，一般可取1=2=1。,流体动力学基础,4 恒定总流动量方程,动量校正系数，校正以断面平均速度计算的动量与实际流速的动量差值,(3)合理选取坐标系，确定流速、作用力方向，能减少方程的未知数。,应用注意事项：,(1)合理选取控制断面位置，使控制断面上的流动满足均匀流或渐变流。,(2)正确确定外力的合力。总流控制体所有表面力以及质量力。,(4)动量方程的动量应该是流出的动量减去流入动量。,适合于任何质量力场作用下的实际流动,不可压缩恒定流，控制体的进出口断面都是渐变流(断面间可是急变流)。,适
10、用范围：,(3)四周边界对水流的总作用力。,外力：,(1)质量力；,(2)表面力(切力可不计)；,5 无黏性流体无旋流动 了解,无旋流场的所有各点上皆成立,欧拉积分：,由伯努利积分和欧拉积分得伯努利方程，形式上完全相同，但适用范围不同。伯努利积分仅在同一流线上成立，有旋流动和元旋流动都适用；欧拉积分在整个流场成立，只适用无旋流动。,第5章 量纲分析和相似原理,1 量纲(因次)：各种物理量的属性（类别）,基本量纲：,M、L、T、：质量、长度、时间、温度,导出量纲：量纲公式,2 量纲和谐原理,正确反映客观规律的物理方程中各项有相同量纲,不同量纲物理量不能相加减，但可以相乘除得另一物理量，如mv=I
11、。由实验资料或实测数据所归纳的公式常有带量纲系数，量纲不和谐。量纲分析法由量纲和谐原理简化一般函数关系，以指导实验研究。,3 量纲分析法：,瑞利法,、定理(布金汉定理),4 相似理论,模型试验的理论基础,(1)力学相似,几何相似:,边界条件和初始条件相似,运动相似:,相应点速度和加速度方向相同、大小成比例,动力相似:,各种作用力方向相同，大小成比例。,黏滞力T、重力G、压力P、弹性力E、惯性力I,了解,(2)相似准则:判断相似的标准,量纲分析和相似原理,流体质点的两类作用力：,维持原有运动状态的力：惯性力I；改变其运动状态的力：重力G、黏滞力T、动水压力P等。,雷诺准则：黏滞力相似准则黏滞力,
12、弗劳德准则：重力相似准则重力,(Re)p=(Re)m,(Fr)p=(Fr)m,欧拉准则：压力相似准则压力,(Eu)p=(Eu)m,柯西准则:弹性力相似准则弹性力,(Ca)p=(Ca)m,独立准则：雷诺准则、弗劳德准则,导出准则：欧拉准则,满足几何相似与独立准则是流体力学相似的充分和必要条件。,不可压缩流体恒定流动力相似：,满足雷诺、弗劳德和欧拉三个准则。,因压强常为待求量，只要相应点的惯性力、黏性力和重力相似，由力多边形相似，压强自行相似。,量纲分析和相似原理,4 模型试验,模型律选择原则：,保证对流动起主要作用的力相似，可不满足次要力相似。,实际模型律的选择：,（1）自由液面流动：弗劳德准则
13、重力,液面上下自由变动流动，如堰顶溢流、闸孔出流、明渠流动、孔口出流,（2）管道流动（第6章）,雷诺数较小：雷诺准则黏滞力（Re）,层流区、临界过渡区、紊流光滑区和紊流过渡区,雷诺数较大：几何相似管壁粗糙度(自模区，自动满足动力相似),紊流粗糙区（即阻力平方区）,第6章 流动阻力和水头损失,1 水头损失的计算公式,沿程摩阻系数（沿程阻力系数），实验确定,达西魏斯巴赫公式,（6-1）,适用范围：层流、紊流，各种过流断面形状均匀流沿程水头损失通用公式。,(2)局部水头损失,（6-2）,局部水头损失系数(局部阻力系数)，实验确定,(1)沿程水头损失,2 两种流态,层流：流体质点作有序、互不渗透的层状
14、运动；,紊流：质点的运动形式以杂乱无章、相互掺混与涡体旋转为特征。,(1)圆管流雷诺数,Rec下临界雷诺数，一般为常数实用上称为临界雷诺数(紊流层流)；,流态判别标准：,层流：Re Rec；临界流：Re=Rec；紊流：ReRec,上临界雷诺数易受外界干扰，不是常数,(2)非圆通道流雷诺数,湿周(过流断面上流体与固体壁接触周界),3 雷诺数,Rec2300,流动阻力和水头损失,4 沿程水头损失与剪应力的关系,5 圆管中的层流流动,(1)断面流速分布,圆管层流流速在断面r按抛物线分布,圆管层流沿程损失与断面平均流速一次方成正比,圆管层流沿程损失系数与雷诺数Re成反比，与边壁粗糙度ks无关。,（6-
15、17）,(2)沿程损失表达式,(3)雷诺数物理意义,表征质点所受惯性作用和黏性作用之比。当ReRec，流动受黏性作用控制，使流体因受扰动所引起的紊动衰减，流动为层流；随着Re增大，黏性作用减弱，惯性对紊动激励作用增强，到ReRec时，流动受惯性作用控制，流动转变为紊流。,流动阻力和水头损失,6 紊流流动,层流：黏性阻力紊流：黏性阻力，惯性阻力(紊动),层流转变为紊流须同时具备两条件：水流中存在大量涡体；惯性力大于黏滞力。,(1)混合长理论,时均流速,涨落流速,涨落流速时均值,ux瞬时流速,普朗特卡门对数分布率,紊流时均剪应力,(2)黏性底层,黏性底层流速线性分布，壁面流速为零,对紊流流速和流动
16、阻力有重大影响。,黏性剪应力起主导作用，涨落流速、附加剪应力不计。厚度1mm，随Re增大而减小。,紊流区：紊动的过渡层(缓冲层)、紊动充分发展紊流核心。,黏性底层(层流底层),(3)紊流的沿程水头损失,尼古拉兹实验,圆管紊流分为五个不同流区,流动阻力和水头损失,层流区：ab线，Re2300(lgRe3.36)，,流态过渡区：bc线，2300Re4000(lgRe3.363.6)，,紊流光滑区：cd线，Re4000(lgRe3.6),紊流过渡区：cd、ef之间的曲线族，,紊流粗糙区：ef线右侧水平直线族，,沿程摩阻系数的测定,流速分布,紊流光滑区,黏性底层：流速按线性分布,，,紊流核心：,紊流粗
17、糙区：,断面按紊流核心处理,工业管道,当量粗糙：直径相同、紊流粗糙区值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度ks定义为该管材工业管道的粗糙。,柯列勃洛克公式,穆迪图,Re*0.3,非圆管的沿程损失,当量直径de水力半径相等圆管直径,圆管，d=4R,非圆管，d=4R=4R=de,7 局部水头损失,决定于局部阻碍形状，与Re无关：,主流脱离边壁形成旋涡区造成局部水头损失,第7章 孔口、管嘴出流和有压管流,1 薄壁孔口出流,大孔口：H/d 10,小孔口：H10d,(1)自由出流：液体经孔口直接流入大气的出流,(2)淹没出流：孔口流出的流体直接流入另一流体的出流,作用水头H0：,淹没出流流速、流量与孔口在水面
18、下深度无关，无大、小孔口区别。,局部损失：流束收缩的孔口局部损失、流束突然扩大的局部损失。,孔口、管嘴出流和有压管流,2 管嘴出流,水流收缩产生的局部损失、水流扩大所产生的局部损失,n=0.82,收缩断面的真空：,圆柱形外管嘴正常工作条件：,(1)作用水头H09m,(2)管嘴长度为(34)d,收缩断面真空度随H0增大而增加。实际上收缩断面真空度超过7mH2O，空气会由管嘴出口处吸入而破坏原来真空状态，管嘴内流动变为孔口自由出流，降低出流能力。由实验可知管嘴正常工作的收缩断面最大真空度7.0m。即H07/0.75=9m。,当管嘴长度l(34)d时，收缩断面与管嘴出口距太小，液流未充分扩散前便抵达
19、出口，收缩断面上不能形成真空。若管嘴长度过大，沿程损失增大，出流能力减小，变为短管出流。,孔口、管嘴出流和有压管流,3 有压管道恒定流计算,(1)水头损失在全部损失所占比重分类,长管：沿程损失为主、局部损失和流速水头不计。,短管：沿程损失、局部损失和流速水头均不能忽略。,(2)短管恒定流计算,自由出流:,淹没出流,(3)长管恒定流计算,简单管道基本计算公式：H=hf=alQ2,串联管道:,QiqiQi+1,并联管道:,A点，Q1qAQ2Q3Q4,第8章 明渠流动,1 明渠流动的特点,有自由液面，表面压强为大气压，p0=0，无压流。,重力作用、底坡影响、水深可变是明渠流有别于有压管流的特点。,(
20、1)底坡(纵坡)：,正底坡(顺坡)、平底坡(平坡)、反底坡(逆坡),(2)明渠均匀流的形成条件及水力特征:,恒定流，流量不变；,长直棱柱形顺坡渠道；,表面粗糙系数不变；,无局部干扰。,形成条件,水力特征:,JJpi,明渠均匀流是等深流、等速流,2 梯形断面明渠均匀流水力计算,K流量模数，,C谢才系数，,n粗糙系数(表6-3),(2)基本公式:,(1)水力要素,水面宽度,过流断面面积,湿周,水力半径,明渠流动,渠道过流断面面积A、粗糙系数n和渠道底坡i一定时，输水能力Q最大，则水力半径R最大，也即湿周最小的断面形状。,水力最优断面的宽深比:,矩形h=2,(4)渠道的允许流速:,设计流速应控制在不
21、冲下淤的范围内,vmaxvvmin,(3)水力最优断面,3 无压圆管均匀流的水力计算,(1)水力要素,水面宽度,过流断面面积,湿周,水力半径,充满度,(2)输水性能最优充满度,无压圆管最大流量、最大流速不发生于满管流，水力最优发生在满流前。,(3)最大充满度、允许流速:,需符合规范,第10章 渗流,渗流：流体在孔隙介质中流动。流体有水、石油；孔隙介质有土壤、岩层等。,1 渗流模型,忽略全部土壤颗粒的体积，认为地下水是充满整个渗流空间连续流动。渗流模型与实际渗流保持相同边界条件、渗流流量和水头损失。,渗流模型选取原则：,渗流压强等于实际中的渗流压强；,渗流量等于实际通过的渗流量；,模型阻力与实际
22、渗流阻力相等，即水头损失相等。,模型渗流流速：,实际渗流平均速度：,土壤中实际渗流流速大于渗流模型中计算得的渗流流速。引入渗流模型后，将渗流视为连续介质运动，利用连续介质各种概念、方法研究渗流。,流速水头忽略不计，即,JpJ,2 达西定律,QkAJ,uv=kJ,渗流线性定律：渗流速度与水力坡度一次方成正比。,k渗透系数，反映土、流体性质综合影响渗流的系数，具有速度量纲。,适用范围:只适用于层流或线性渗流，即不存在土体渗透变形。,线性、非线性渗流雷诺数通常判别式：,渗流,3 渗透系数的确定,(1)实验室测定法,常水头渗透试验：扰动砂类土样,变水头渗透试验：原状的黏性土样,(2)现场测定法:,抽水
23、和注水试验两类,(3)经验法:,手册或规范,4 地下水的渐变渗流,潜水、无压水,(1)裘皮衣公式,渐变渗流同一断面上的流速分布为矩形分布。,适用于一元渐变渗流，流线曲率很大的急变渗流不适用。,(2)无压恒定渐变渗流的基本方程,断面平均渗流速度,渗流量,分析和绘制渐变渗流浸润曲线的理论依据,(3)浸润线的主要几何特征：,浸润线是无压渗流的地下水面线，是测压管水头线，又是总水头线。存在水头损失，总水头线沿程下降，浸润线也只能沿程下降，不可能水平和上升。,渗流,5 井和井群,普通井(潜水井)：自由水面的潜水含水层中开凿的井。完整井、不完整井,自流井(承压井)：不透水层的承压含水层中开凿的井。完整井和不完整井,(1)普通完整井渗流计算,浸润线方程,渗流量,影响半径,或,(2)自流完整井渗流计算,水头线方程,涌水量,(3)井群,普通完整井的井群,浸润面方程,总出水量,自流完整井的井群,总出水量,浸润面方程,
