第一篇：工程水力學教案

前言 導讀與解答

第一章 工程水力學概論(2學時)第一節(jié) 工程水力學的定義、用途、簡史

第二節(jié) 液體的物理力學性質

第三節(jié) 連續(xù)介質和理想液體的概念

第四節(jié) 作用在液體上的力

第五節(jié) 工程水力學的研究方法

本章考試內容

技能訓練題

第二章 靜水壓力計算(10學時)第一節(jié) 靜水壓強及其特性 第二節(jié) 靜水壓強的基本規(guī)律 第三節(jié) 靜水壓強的表示方法及測算 第四節(jié) 作用于平面壁上的靜水總壓力 第五節(jié) 作用于曲面壁上的靜水總壓力 第六節(jié) 浮力、浮體的平衡與穩(wěn)定 本章考試內容 技能訓練題

第三章 水流運動的基本原理(8學時)第一節(jié) 描述水流運動的兩種方法

第二節(jié) 恒定總流連續(xù)性方程

第三節(jié) 恒定總流的能量方程

第四節(jié) 能量方程的應用

第五節(jié) 恒定總流的動量方程

本章考試內容

技能訓練題

第四章 水流型態(tài)與水頭損失計算(10學時)第一節(jié) 水頭損失根源、分類及邊界影響 第二節(jié) 水流兩流態(tài)及hf隨v的變化規(guī)律

第三節(jié) 均勻流層流的切應力和流速分布規(guī)律

第四節(jié) 均勻流紊流過水斷面垂線上的切應力及流速分布

第五節(jié) 沿程水頭損失分析與計算

第六節(jié) 局部水頭損失的分析與計算

第七節(jié) 繞流阻力與升力

本章考試內容

技能洲練題

第五章 管流水力計算(10學時)第一節(jié) 概述

第二節(jié) 簡單管道的水力計算

第三節(jié) 復雜管路水力計算 第四節(jié) 壓力管道中的水擊 本章考試內容 技能訓練題

第六章 明渠恒定均勻流水力計算(6學時)第一節(jié) 概述

第二節(jié) 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件

第三節(jié) 明渠均勻流的計算公式及有關問題

第四節(jié) 明渠水力計算類型

本章考試內容

技能訓練題

第七章 明渠恒定非均勻流水力計算(12學時)第一節(jié) 概述

第二節(jié) 明渠非均勻流的一些基本概念

第三節(jié) 緩流、急流的轉換現(xiàn)象——水跌與水躍

第四節(jié) 明渠恒定非均勻漸變流基本方程 水力學的性質任務及其發(fā)展沿革

水力學是研究水的平衡和運動規(guī)律及其應用的一門科學,它既是自然科學,又與工程應用密切結合[1].水力學是研究水的平衡和運動規(guī)律及其應用的門科學,它是在人類與水、旱災害作斗爭的過程,伴隨著水利工程的發(fā)展而發(fā)展的。遠在幾千年,古埃及就開始修建灌溉渠系,我國廣為流傳的大禹治水”的傳說記載了古人與洪水作斗爭的故,這些歷史記載表明,古人對水流運動已有了樸素認識。18世紀以后,隨著經(jīng)典力學的發(fā)展,水力學始形成自己的理論體系,20世紀初,隨著現(xiàn)代工技術的進步,水力學實驗迅速發(fā)展,提供了大量水學理論計算所需要的經(jīng)驗系數(shù),從而為水力學的程應用開辟了廣闊的天地。近幾十年來,我國修建數(shù)萬座水庫、大壩和水電站。工程建設極大地促進水力學的發(fā)展,水力學在我國取得了長足的進步水力學學科的提高、完善和走向現(xiàn)代化又為工程建的順利進行并取得輝煌成就打下了堅實的基礎。

在探索知識的過程中,自然科學以宇宙中的自然現(xiàn)象為研究客體,重在認識自然現(xiàn)象的客觀本質和運動規(guī)律.作為流體力學的一門分支學科,水力學屬于物理學范疇.數(shù)學、物理學、化學、生物學是自然科學的四大主要門類,習慣上被稱為純理論學科或基礎學科.自然科學的發(fā)展史以物理學為開端,物理學則以力學為開端.公元1594年,意大利物理學家伽利略(Domino Galileo Galilei)出版了首本力學專著《Della Scienza Meccanica》,經(jīng)典力學從此開始建立其知識體系,在大量觀察實驗的基礎上形成了一套完善的定律、原理、定理、方程及其數(shù)學方法.到十九世紀末期,經(jīng)典力學已經(jīng)發(fā)展成為一門相當成熟的學科.該知識體系傳承至今,仍是工程應用的理論基礎[2,3].水力學既與基礎研究有關,又與水利、土木、機械等工程活動密切結合,它在基礎理論和工程應用兩個領域起雙重作用,就此而言,水力學屬于應用科學.然而,工程不僅限于對自然科學知識的應用,工程的全過程包含研究、設計、建造、運行、維修、以及產(chǎn)品銷售等,其中每一環(huán)節(jié)無不直接或間接受到社會中人類活動要素的影響,如安全、經(jīng)濟、環(huán)境、傳統(tǒng)、法律等.換句話說,工程應用包括了自然科學和社會科學兩個領域,學習現(xiàn)代水力學,必須建立工程應用的概念.水力學的應用范圍十分廣泛,除水利工程外,土建、交通、能源、機械等行業(yè)都需要水力學知識.針對不同的專門問題,水力學學科又形成許多具有相對獨立知識體系的分支學科,如高速水力學,明渠水力學,施工水力學,道橋水力學,環(huán)境水力學,等等.以水利水電工程為主要應用對象的水工水力學,主要是解決水利水電樞紐中的泄洪和輸水建筑物的水力學問題,如高壩大流量泄洪消能,高速水流的沖刷、空蝕、摻氣、霧化等.水力學是一門歷史悠久的學科.幾千年前古埃及就開始修建灌溉渠系,二千年前阿基米德就提出了著名的浮力定理.兩千多年前我國人民就修建了都江堰工程,建成的“魚嘴”及“飛沙堰”,巧妙地利用了近代水力學中所闡明的彎道環(huán)流及堰流的理論,將洪水按一定比例分別泄入內江和外江,洪水中的泥沙則通過“飛沙堰”排入外江,為防洪及灌溉起到了良好的控制作用.這些事例說明,古代人民對水流運動規(guī)律已有了相當深入的了解.十六世紀以后,隨著經(jīng)典力學的發(fā)展,水力學開始創(chuàng)立自己的理論體系,十八世紀以后開始形成一門獨立的學科,并沿著以應用嚴格的數(shù)學工具而發(fā)展的經(jīng)典流體力學及以實驗為主的實驗水力學兩個方向發(fā)展.二十世紀初,隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的進步,水力學實驗迅速發(fā)展,提供了大量水力學理論計算所需要的經(jīng)驗系數(shù),從而為水力學的工程應用開辟了廣闊的天地.1904年普朗特提出了邊界層理論,開創(chuàng)了認識真實流體運動與邊界間相互作用的新篇張.相似理論及量綱分析理論的發(fā)展,以及現(xiàn)代量測儀器的研制,使水力學實驗技術有了長足的進步.近幾十年來,我國修建了數(shù)萬座水庫、大壩和水電站.工程建設極大地促進了水力學的發(fā)展,而水力學的提高和現(xiàn)代化又為工程建設的大發(fā)展打下了堅實的基礎[4].現(xiàn)代水力學是以現(xiàn)代科學技術為基礎的.二十世紀六十年代,高速電子計算機的問世使許多過去難以用手工計算完成的計算課題得以順利實現(xiàn),流場數(shù)值模擬能算出水流內部任一點的所有流動參數(shù),為探討復雜流動現(xiàn)象的內部機理開辟了新天地.現(xiàn)代流體量測技術的發(fā)展極大地促進了實驗水力學的發(fā)展,激光流速儀、動態(tài)信號分析儀等測量儀器的出現(xiàn),使從前無法獲得的流場各項流動參數(shù)的測量得以實現(xiàn),如時均流速及脈動流速、脈動壓強等等.現(xiàn)代科學在理論上的創(chuàng)新與突破為現(xiàn)代水力學的發(fā)展提供了豐富的理論手段,如概率論與統(tǒng)計理論,多相流理論,紊流理論,數(shù)值計算的理論與方法等.現(xiàn)代科技手段使傳統(tǒng)水力學跨上了新臺階,在思想方法上由傳統(tǒng)的只能了解少數(shù)平均流動參數(shù)的總流的概念轉變?yōu)楝F(xiàn)代化的可以把握流場內各時刻流動情景的流場的概念,在技術手段上由傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗系數(shù)的方法轉變?yōu)閿?shù)學模型和數(shù)值模擬的方法.理論研究、實驗研究和數(shù)值模擬計算是現(xiàn)代水力學的三大支柱.進入21世紀,工程水力學將繼續(xù)沿著理論與實踐相結合,為國民經(jīng)濟建設服務,推進科學技術進步的道路前進.在新的世紀中,工程建設必將提出諸多更新、更大、更復雜的水力學技術問題,水力學學科必須更迅速地發(fā)展,以迎接時代的挑戰(zhàn).工程水力學屬于應用力學的分支學科。力學既是自然科學,又是工程學科。在探索知識的過程中,自然科學以宇宙中的自然現(xiàn)象為研究客體,重在認識自然現(xiàn)象的客觀本質和運動規(guī)律;而工程學科則要研究包含設計、建造、運行維修等每一個環(huán)節(jié)的應用問題。此外,工程技術問題還要受到人類社會各種要素的影響,如安全、經(jīng)濟、法律等。水力學的應用范圍十分廣泛,除水利工程外,土建、交通、能源、機械等行業(yè)都需要水力學知識。針對不同的專門問題,水力學學科又形成許多具有相對獨立知識體系的分支學科,如高速水力學,明渠水力學,施工水力學,道橋水力學,環(huán)境水力學等。以水利水電工程為主要應用對象的水工水力學,主要是解決水利水電樞紐中的泄洪和輸水建筑物的水力學問題,如高壩大流量泄洪消能高速水流的沖刷空蝕摻氣霧化等。

進入世紀工程水力學將繼續(xù)沿著理論與實踐相結合,為國民經(jīng)濟建設服務,推進科學技術進步的道路前進。在新的世紀中,水利水電工程建設必將提出諸多更新、更大、更復雜的水力學技術問題,水力學學科必須更迅速地發(fā)展,以迎接時代的挑戰(zhàn)。現(xiàn)代水力學在理論上的新發(fā)展

在21世紀,水力學的理論框架將發(fā)生根本性變革,研究對象將從自然尺度向細觀尺度發(fā)展,突破傳統(tǒng)的連續(xù)均勻介質的假設,從而使我們能更深入地認識實際水流運動的真實現(xiàn)象,在以下幾個理論領域將有重要進展。

1.1非經(jīng)典介質理論

水力學中有均勻流與非均勻流,恒定流與非恒定流等,“非”字當頭的研究內容比沒有“非”字的要復雜得多?，F(xiàn)代水力學理論的發(fā)展,又出現(xiàn)了一些以“非”字起頭的新理論,如非經(jīng)典介質理論,非線性理論,非確定性理論等。經(jīng)典力學一般將所研究的流體介質視做連續(xù)均勻介質,這是經(jīng)典力學的一項重要的基本假設。而實際流體往往摻雜有氣體、固體或其它流體等各種雜質,它是一類尚未被現(xiàn)有力學理論適當描述的介質,可稱之為非經(jīng)典介質。無論是從發(fā)展力學理論的角度,還是解決真實介質流體的實際問題,開展非經(jīng)典介質流動的研究都是十分必要的。如摻氣水流,空化與空蝕,河流泥沙運動,污染物在水體中的運動等流動現(xiàn)象,它們都屬于二相流,但過去往往不考慮相間作用力,而是采用一定假設,使問題得以簡化?，F(xiàn)代水力學應該著眼于實際流動現(xiàn)象,引進多相流體動力學理論,建立全新的知識體系。例如,研究高速摻氣水流,其關鍵是如何確定水與氣二相流體之間的相互作用力,而單相流體的假設很難反映這種相間作用力;現(xiàn)代滲流理論應建立在研究水與多孔介質之間、相互作用的基礎上,因此,必須突破傳統(tǒng)水力學的均勻連續(xù)介質的假定。

1.2 非線性理論

非線性行為是近代力學基礎研究的重要前沿課題。湍流和混沌理論是典型的非線性問題。描述水流運動的N-S方程是非線性的微分方程。過去的水力學計算,往往要用還原和疊加的方法對基本方程式作線性化處理,因而不能準確反映真實水流現(xiàn)象。隨著現(xiàn)代科學技術的進步,非線性理論有了突飛猛進地發(fā)展。非線性理論是揭示具有非線性本質的各類水流現(xiàn)象的有力工具,也是開發(fā)非線性問題數(shù)學模型的有力工具。

1.3 非確定性理論隨機水力學

水流運動,特別是紊流,有大量的不確定性因素,水流脈動壓力一般可以被視為完全隨機的現(xiàn)象,紊流過程則具有混沌的特性?；煦缡且环N界于完全隨機性現(xiàn)象與完全確定性現(xiàn)象之間的自然現(xiàn)象。傳統(tǒng)水力學一般只研究確定性的水流現(xiàn)象,對于隨機性水力參數(shù),往往采用統(tǒng)計平均的方法加以處理,從而抹煞了水流運動的隨機特性?，F(xiàn)代水力學重視發(fā)展非確定性理論,動水荷載的設計方法將由定值設計法逐步轉為可靠性設計法,概率理論和優(yōu)化決策理論將在工程設計中廣泛應用,風險分析的概念將作為規(guī)劃、設計的重要理論基礎。

1.4 紊流力學

水利工程中的絕大多數(shù)流動現(xiàn)象都屬于湍流(水力學中的習慣稱謂為‘紊流’)。湍流是自然科學中的八大難題之一,由于其復雜性,全世界同行學者協(xié)力研究,歷時長達百年,至今尚未攻克。湍流作為一種既典型又廣泛存在的復雜流動,其非線性規(guī)律有超越力學范圍的普遍性。我們知道,紊流是由大大小小不同尺度的漩渦組成的,漩渦尺度的量級差別很大。最大漩渦尺度的量級可達數(shù)公里,而最小漩渦的尺度不過幾毫米,但不同尺度的漩渦在結構上往往具有自相似性,最近發(fā)現(xiàn)的標度律,反映了紊流現(xiàn)象的這種混沌特征。無論從基本理論,還是從實際應

用考慮,湍流研究都是21世紀面臨的緊迫課題。

水利工程中的水流基本上都屬于紊流。研究紊流特性,可簡要歸納為以下幾類問題:第一,邊壁切變紊流;第二,漩渦與分離流;第三,分離再附流動;第四,流動穩(wěn)定性問題。要大力開發(fā)紊流數(shù)學模型,用數(shù)值模擬方法逐步取代物理模型實驗。

1.5 細觀水力學

傳統(tǒng)水力學在自然尺度下研究水流的運動規(guī)律,現(xiàn)代水力學要突破傳統(tǒng)水力學的常規(guī)尺度,從自然尺度向細觀尺度延伸,發(fā)展細觀水力學。一般地說,物理、化學的研究對象往往在其物質分子的尺度上,可稱之為微觀尺度,細觀水力學的研究尺度雖然遠小于自然尺度,但仍遠大于水分子的尺度,故稱為細觀。傳統(tǒng)水力學常采用總流的概念,它屬于自然尺度,細觀水力學深入研究水流內部的運動特性,水流與混摻其中的固體、氣體、污染物等其它物質的相互作用,水流與固體邊界的相互作用及空蝕、沖刷破壞機理等,使水力學的研究深度與現(xiàn)代科學技術相銜接。流場的精細數(shù)值模擬也可以視為細觀水力學。

多相流體與固體力學的交叉學科研究產(chǎn)生和形成了一些新的學科方向,界面力學就是其中之一。界面力學以界面的力學建模、界面區(qū)域應力分布規(guī)律以及界面結構強韌度研究與破壞分析為主要內容。界面層是裂紋和損傷等破壞容易產(chǎn)生并發(fā)展的區(qū)域,界面微區(qū)的力學問題研究需發(fā)展細觀尺度與微觀尺度的實驗測試技術,近年來,界面力學的研究已越來越多地引起人們的關注與重視。水力學數(shù)學模型的新發(fā)展

60年代以來,計算機技術的迅速發(fā)展為整個科學技術的進步提供了強有力的工具,計算機與數(shù)值分析法的結合使科學技術的發(fā)展如虎添翼。水力學也不例外,它很快從這個新的科學成就中獲得了活力,并迅速地推廣應用于水利工程實踐。計算機的功能今后將有更大的發(fā)展,水力學與計算機結合將極大地增強解決疑難問題的能力。必須加強水力學的算法研究和軟件開發(fā),把計算機和水力學密切結合起來,這是現(xiàn)代水力學的重要標志之一。這一領域的主要發(fā)展方向有: 2.1 數(shù)值方法研究

有限差分法、有限元法、有限容積法是計算水力學的基本方法。近年來,為了提高計算精度,求解更復雜的水流現(xiàn)象,數(shù)值方法有很大發(fā)展。具有突變現(xiàn)象的流動,其解是間斷的。不同間斷現(xiàn)象的數(shù)值方法各有特點,這方面還有許多問題需要解決。水利工程中有大量的河渠淺水二維流,明渠或管道中的二維非恒定流問題,這類問題的數(shù)值模擬方法至今仍很不完善,其計算格式的優(yōu)化,邊界條件的處理,都有很多需要深入研究的課題,也已出現(xiàn)了許多新算法。

2.2 流場可視化技術

流場可視化在工程應用中有重要意義。展現(xiàn)研究成果,無論是理論成果、實驗成果,還是數(shù)學模型計算成果,都需要流場可視化技術。我國目前可視化技術的水平還比較低,需要大力發(fā)展。

2.3 水力信息學

現(xiàn)代技術不斷向綜合化和智能化發(fā)展,大型水利設施的運行管理需要引進現(xiàn)代信息論的理論和方法。由此產(chǎn)生了一個新的交叉學科方向,水力信息學。水力信息學的研究內容和應用目標可簡述如下:水力學數(shù)學模型與系統(tǒng)管理、控制方面的知識相結合,即可構成專門化的專家系統(tǒng)。應用現(xiàn)代計算機技術將這種集成化的專門知識變成動態(tài)的信息資源,就可以用來進行大型防洪系統(tǒng)的預報與調度,大型水利工程的施工組織,大型灌溉系統(tǒng)或水庫群的運行調度。21世紀人類將全面進入信息時代,信息的獲取、處理和傳輸是生產(chǎn)組織的主要任務。水力信息學的核心是相關水力學知識的集成、打包,以及集成知識的信息資源化。計算機多媒體技術是最普遍的信息處理技術,在水力信息學的發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。信息資源化的主要手段是建立專業(yè)化的信息網(wǎng)絡,但也可借助已有的信息網(wǎng)絡。水力學實驗研究

實驗在水力學研究中具有基礎和支撐作用。模型實驗可以為理論和計算模型的建立提供依據(jù)和支持,也可以對已有的理論結果提出修正或質疑,并以此推動這一領域的研究深入發(fā)展。在實驗中要對許多水力學參量進行量測,如水深、流量、時均與脈動流速、時均與脈動壓強、摻氣水流的摻氣濃度、含沙水流的含沙量等。發(fā)展和建立高分辨率、高精度的水力學測量儀器,是發(fā)展實驗水力學急需加強的薄弱環(huán)節(jié)。我國引進了一些具有當代國際先進水平的流體量測儀器,如激光流速儀、動態(tài)粒子成像測速儀(PIV)、動態(tài)信號分析儀等。我國還不惜耗費巨資,建造了一些大型水力實驗裝置和數(shù)個大型水力學實驗基地,為提高我國水利工程的科技水平做出了應有的貢獻。在吸收、消化國際先進技術的同時,今后

要繼續(xù)努力研制新型測量儀器,發(fā)展自己的水力學實驗技術。在實驗研究方面,急需解決的問題有: 3.1 水力學模型相似率

目前,我國工程設計中的多數(shù)重大水力學問題仍是通過水力學模型試驗解決。試驗模型通常按重力相似準則設計。大量模型試驗證明,水工模型能夠預演大多數(shù)原型工程的復雜三元水流現(xiàn)象。但對高速水流問題,除重力相似外,還須考慮其他物理量的相似性。如高速水流的摻氣與霧化、脈動壓力與流體激振現(xiàn)象、輸水道通氣、巖基沖刷等問題,其模型相似率至今尚未解決?？栈跎囼炓话阍跍p壓箱內進行,以空化數(shù)相等為準。但最新研究表明,初生空化數(shù)和模型的大小與水流速度有關,不同的模型,既使水流空化數(shù)相等,空化初生現(xiàn)象也不一定相似。高

速水流的模型相似率問題困惑著模型實驗,是工程水力學急待解決的技術難題。在這方面已做了不少研究,如摻氣與通氣的相似性,水流脈動壓強的相似性, 霧化的相似性等,但至今尚無可靠的理論與方法。

解決高速水流的相似率問題,一方面有賴于更深入的基礎理論研究,而原型觀測與模型試驗進行對比則是更為實際、有效的方法。借鑒已有同類工程的經(jīng)驗,對解決待建工程問題具有重大意義。目前所開展的原型觀測,已大量應用現(xiàn)代化的理論、方法及觀測儀器,如應力、應變、位移、速度、摻氣濃度等各種類型的傳感器,當代最先進的信號分析測試儀器,衛(wèi)星定位、遙感遙測技術等。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國已在100多個大、中型水利樞紐中的近200個泄水建筑物上進行了原型觀測,已積累了較豐富的觀測成果,主要集中在泄洪霧化、空化空蝕、脈動壓力、水流摻氣與通氣等方面。原型觀測需消耗大量的人力、物力和財力,需要周密的預先設計和現(xiàn)場組織,也需要借助許多現(xiàn)代化的先進測試儀器。但為了提高水力

學的研究水平,今后仍需大力開展原型觀測工作。3.2 高速水流關鍵技術問題的基礎研究

我國待建的大型水利水電工程多具有水頭高、流量大、河谷狹窄的特點,高壩大流量泄洪消能是各項工程共有的技術難題。在這方面雖已做了大量研究,但工程中仍有許多技術難題,因其機理復雜,目前的方法仍難以準確預測實際情況,尚待進一步研究:(1)多股淹沒射流流態(tài)結構與水墊消能機理。

攔河筑壩必須保證洪水的正常下泄,為了防止高速水流的沖刷破壞,泄洪必須滿足消能要求。泄洪水流的多余能量,絕大多數(shù)是在大壩下游的消能水體中(挑流消能水墊塘或底流消能消力池)通過水流的紊動混摻而消耗掉的。壩身多股泄洪在水墊塘內形成多股淹沒射流。水墊塘內的流態(tài)結構與水墊消能效率及水流作用于水墊塘邊壁動水荷載的大小有十分密切的關系。高速強紊動水流的消能效率高,但對固體邊壁的沖刷破壞力也大,既要實現(xiàn)高效消能,又要防止沖刷破壞,其根本途徑是優(yōu)化消能水體中多股淹沒射流的流態(tài)結構。消能機理的研究是創(chuàng)造新型消能工的源泉。為此,既要加強泄洪消能機理的基礎理論研究,也要在消能工體型優(yōu)化方面做出創(chuàng)新性的實用成果。

(2)水流動力荷載與流固耦合振動。

脈動壓強研究的基本問題有:脈動壓力產(chǎn)生機理,脈動壓力隨機分析方法,脈動壓力的模型相似率,點、面脈動壓強的轉換等。不同的過水建筑物,其脈動壓強的動力特性也有所區(qū)別。盡管過去對上述問題都做過研究,但其知識的系統(tǒng)性、可靠性都還不能滿足工程應用的需要。水流誘發(fā)的結構振動,工程實例很多。但由于結構和水流條件的復雜性和多變性,振動型式和種類也非常復雜,實驗模擬和數(shù)學模型計算都有很多困難。研究問題主要有:振動形成機理及激勵力的分析,水彈性模型試驗的理論與技術,工程流彈振動的仿真研究等。

(3)高速水流的摻氣與霧化。

近年來,在減蝕摻氣設施的摻氣特性方面作了大量研究,如摻氣空腔的水力特性、卷吸空氣量、保護長度等。摻氣對脈動壓強及消能的影響至今說法不一,尚無定論。關于水氣二相流的數(shù)值模擬計算,現(xiàn)已建立起理論嚴密的二相流運動方程式,但由于水和空氣的密度相差懸殊,加之對水氣兩相之間的相間作用力尚無深入研究,成功的數(shù)值模擬結果很少。最近的大量原型觀測表明,挑流泄洪的霧化問題對水工建筑物及河岸岸坡的安全有嚴重威脅,霧化問題的預測研究越來越受到重視。關于霧化問題的研究力度將會加強。

(4)泄水建筑物的沖刷、空蝕與磨損破壞。

挑流消能沖刷坑深度及大小的預測有重要工程意義,幾十年來雖做過大量研究,但至今仍無成熟、可靠的解決方法。我國近年研究提出的能量法和巖塊放大法使這方面的研究有了新的進展。對于高水頭大流量工程,一般都要修建混凝土襯砌的水墊塘,關于混凝土水墊塘的沖刷破壞模式問題,尚待進行深入研究。高水頭泄水建筑物的空蝕破壞在工程中屢見不鮮,含沙水流對過水建筑物的磨損給許多工程的運行維修造成很大困難?？瘴g和磨損往往同時發(fā)生并相互促進,使破壞程度急劇增加。隨著我國大量高水頭泄水建筑物的建成運行,沖蝕、空蝕與磨蝕問題將會越來越多,并不斷受到重視。

第二篇：水力學教案

新疆水利水電學校

水

利

系

《水力學》課程教案

制作人：克里木江

新疆水利水電學校

第一章 緒 論

1.本章的教學目的及基本要求：

目的：使學生了解水力學的任務及應用領域，掌握流體的連續(xù)介質理論和流體的主要物理力學性質以及作用在流體上的力的兩種形式。

基本要求：掌握流體的連續(xù)介質模型、流體的主要物理性質：易流動性、密度與重度、粘性與理想流體模型、壓縮性與不可壓模型、表面張力特性、汽化壓強特性；掌握作用在流體上的力的兩種形式：質量力與表面力

2.本章各節(jié)的教學內容及學時分配： §1-1工程水力學的任務及發(fā)展史 0.25學時 §1-2連續(xù)介質假定 0.5學時 §1-3 液體的基本特性 0.25學時 §1-4流體的主要力學性質 1學時 §1-5 作用在流體上的力 0.5學時 共2.5學時，課外3學時 3.本章教學內容的重點和難點：

重點：流體的連續(xù)介質模型、密度與重度、粘性與理想流體模型、牛頓內摩擦定律、壓縮性與不可壓模型、質量力與表面力

難點：連續(xù)介質模型、牛頓內摩擦定律、質量力與表面力 4.本章教學內容的深化和拓寬：

深化：連續(xù)介質模型的應用、牛頓內摩擦定律應用、質量力與表面力的應用 拓寬：牛頓內摩擦定律推廣

5.本章教學方式（手段）及教學過程中應注意的問題： 教學方式：講授

注意問題：概念理解、記憶并能應用。6.本章的主要參考書目：

禹化謙，《工程水力學（水力學）》，西南交通大學出版社，1999.12 聞德蓀、魏亞東等，《工程水力學（水力學）》，高等教育出版社，1992.9 蔡增基，龍?zhí)煊澹端W》，中國建筑工業(yè)出版社，1999.12 7.本章的思考題和習題等

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6.本章的主要參考書目：

禹化謙，《工程水力學（水力學）》，西南交通大學出版社，1999.12 聞德蓀、魏亞東等，《工程水力學（水力學）》，高等教育出版社，1992.9 蔡增基，龍?zhí)煊?，《水力學》，中國建筑工業(yè)出版社，1999.12 7.本章的思考題和習題等

思考題：2-

1、2-

2、2-

3、2-

6、2-

17、2-23習題：2-

5、2-

8、2-

9、2-

13、2-

15、2-

16、2-

18、2-

19、2-

21、2-22 教學單元授課教案編寫的具體內容： 單元2 1.本單元教學內容（具體到各知識點）：

§1-5 作用在流體上的力 0.5學時，課外0.75學時 1）質量力 2）表面力

§2-1靜水壓強及其特性 0.5學時，課外0.75學時 1）靜水壓強 2）靜水壓強的特性

§2-2液體的平衡微分方程 1學時，課外1.5學時 1）液體平衡微分方程一般式 2）綜合式

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授 3.本單元師生活動設計：

教師提問——學生思考——教師講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：2-

1、2-

2、習題：2-

3、2-5 單元3 1.本單元教學內容（具體到各知識點）：

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§2-3重力場的液體平衡 1學時，課外1.5學時 1）水靜力學的基本方程 2）靜水壓強分布規(guī)律

§2-4靜水壓強的計算與測量 1學時，課外1.5學時 1）絕對壓強 2）相對壓強 3）真空度

4）壓強的計量單位

5）測量壓強的儀器：測壓管、U形測壓計 2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授 3.本單元師生活動設計：

教師提問——學生思考——教師講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 2-4習題： 2-

8、2-6 單元4 1.本單元教學內容（具體到各知識點）：

§2-4靜水壓強的計算與測量 1學時，課外1.5學時 6）測量壓強的儀器：差壓計 7）靜水壓強分布圖

§2-5液體的相對平衡 1學時，課外1.5學時

1）等加速直線運動 2）等角速旋轉運動

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授 3.本單元師生活動設計：

教師提問——學生思考——教師講授

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4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）：

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 2-6習題： 2-

9、2-13 單元5 1.本單元教學內容（具體到各知識點）：

§2-6作用在平面上的靜水總壓力 2學時，課外3學時 1）圖解法 2）解析法 3）例題分析

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授 3.本單元師生活動設計：

教師提問——學生思考——教師講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 2-

17、2-23習題： 2-

15、2-18 單元6 1.本單元教學內容（具體到各知識點）：

§2-7作用在曲面上的靜水總壓力 2學時，課外3學時 1）水平分力 2）垂直分力 3）壓力體 4）例題分析

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授 3.本單元師生活動設計：

教師提問——學生思考——教師講授

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4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 2-19習題：2-

21、2-22

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第三章 水動力學理論基礎

1.本章的教學目的及基本要求：

目的：使學生理解連續(xù)性微分方程、理想液體運動微分方程、實際流體的運動微分方程，掌握恒定總流連續(xù)性方程、理想液體元流的能量方程與實際液體總流的能量方程、恒定總流動量方程以及恒定平面勢流。

基本要求：理解連續(xù)性微分方程、理想液體運動微分方程、實際流體的運動微分方程；牢固掌握，并靈活應用恒定總流連續(xù)性方程、理想液體元流的能量方程與實際液體總流的能量方程、恒定總流動量方程以及恒定平面勢流。

2.本章各節(jié)的教學內容及學時分配： §3-1描述液體質點運動的兩種方法 1學時

§3-2流線、跡線、流管、流束、元流、過流斷面、斷面平均流速 1學時 §3-3流動分類 1學時

§3-4液體微團運動的基本形式 1學時 §3-5有渦流與無渦流 1學時 §3-6液體連續(xù)性微分方程 1學時 §3-7恒定總流連續(xù)性方程 1學時 §3-8理想液體運動微分方程 1學時 §3-9實際液體運動微分方程 1學時 §3-10恒定元流伯諾里方程 1學時 §3-11恒定總流伯諾里方程 2學時 §3-12恒定氣體伯諾里方程 1學時 §3-13恒定總流動量方程 2學時 §3-14恒定平面勢流 1學時 共16學時

3.本章教學內容的重點和難點：

重點：連續(xù)性微分方程，理想液體運動微分方程，實際流體的運動微分方程，恒定總流連續(xù)性方程，理想液體元流的能量方程與實際流體總流的能量方程、恒定總流動量方程以及恒定平面勢流。

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難點：連續(xù)性微分方程，實際液體的運動微分方程，實際液體總流的能量方程、恒定總流動量方程以及恒定平面勢流。

4.本章教學內容的深化和拓寬：

深化：理想液體元流的能量方程的推廣，實際流體總流的能量方程在實際工程中的應用，恒定總流動量方程在實際工程中的應用，恒定平面勢流的實際意義。

拓寬：實際流體的運動微分方程在三維流場中的數(shù)值計算，理想液體元流的能量方程的推廣，實際流體總流的能量方程在實際工程中的應用，恒定總流動量方程在實際工程中的應用，平面勢流的應用。

5.本章教學方式（手段）及教學過程中應注意的問題： 教學方式：講授——提問——講授——習題課——實驗

注意問題：1）概念、原理、計算方法的理解、掌握。注意實際流體能量方程和動量方程計算斷面的選取，以及解題步驟與方法；注意有渦流與勢流

2）注意復習高等數(shù)學的導數(shù)、微分與曲線積分等基本方法 6.本章的主要參考書目：

禹化謙，《工程水力學（水力學）》，西南交通大學出版社，1999.12 聞德蓀、魏亞東等，《工程水力學（水力學）》，高等教育出版社，1992.9 蔡增基，龍?zhí)煊?，《水力學》，中國建筑工業(yè)出版社，1999.12 7.本章的思考題和習題等

思考題：3-

1、3-

3、3-

10、3-

13、3-

24、3-

26、3-30、3-

31、3-

38、3-

39、3-41習題：3-

2、3-

5、3-

6、3-

7、3-

8、3-

11、3-

17、3-

19、3-

22、3-

23、3-

26、3-

29、3-31、、3-

32、3-

37、3-

39、3-40、3-

42、3-43 單元教案7 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §3-1描述液體質點運動的兩種方法 1學時 1）歐拉法 2）拉格朗日法

§3-2流線、跡線、流管、流束、元流、過流斷面、斷面平均流速 1學時 1）流線與跡線 2）流管、流束、元流

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3）流量 4）過流斷面 5）斷面平均流速。

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授 3.本單元師生活動設計：

教師提問——學生思考——教師講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：3-1習題：3-2 單元教案8 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §3-3流動分類 1學時 1）恒定流與非恒定流 2）均勻流與非均勻流 3）一元流與二元流、三元流 4）有壓流與無壓流、射流

§3-4液體微團運動的基本形式 1學時 1）微團的四種運動形式 2）速度分解定理

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授 3.本單元師生活動設計： 講授提問——學生思考——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：3-3習題：3-6

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單元教案9 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §3-5有渦流與無渦流 1學時 1）有渦流 2）無渦流

§3-6液體連續(xù)性微分方程 1學時 1）液體連續(xù)性微分方程 2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 3-

10、3-13習題： 3-11 單元教案10 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §3-7恒定總流連續(xù)性方程 1學時 1）恒定元流連續(xù)性方程 2）恒定總流連續(xù)性方程。

§3-8理想液體運動微分方程 1學時 1）理想液體的特點 2）理想液體運動微分方程 3）理想液體的能量方程

4）理想液體能量方程的應用（比托管）2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授——習題——實驗

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4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）：

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 3-

24、3-26習題：3-

11、3-

17、3-19 單元教案11 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §3-9實際液體運動微分方程 1學時 1）實際液體的特點

2）實際液體微團應力分析（本構關系）3）實際液體的運動微分方程?！?-10恒定元流伯諾里方程 1學時 1）恒定元流伯諾里方程 2）恒定元流伯諾里方程的意義 3）總水頭線與測驗管水頭線 4）水力坡度

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）：

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：3-21習題： 3-

22、3-25 單元教案12 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §3-11恒定總流伯諾里方程 2學時 1）均勻流與漸變流的壓強分布規(guī)律 2）恒定總流伯諾里方程（即能量方程）3）能量方程各項意義

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4）能量方程的應用條件與注意事項

5）能量方程的應用（文丘里管）：例題分析

（一）6）能量方程的推廣（有分流的能量方程與水泵）：例題分析

（二）2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授、實驗 3.本單元師生活動設計：

講授——實驗演示

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）：

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：3-24習題：3-

23、3-

27、3-28 單元教案13 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §3-12恒定氣體伯諾里方程 1學時 1）恒定不可壓氣體的伯諾里方程 §3-13恒定總流動量方程 1學時 1）恒定元流動量方程 2）恒定總流動量方程。3）動量方程適用條件 4）動量方程的解題要點與步驟 5）例題分析

（一）2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）：

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 3-

38、3-

37、3-41習題： 3-

32、3-

36、3-

39、3-40、新疆水利水電學校

單元教案14 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §3-13恒定總流動量方程 1學時 1）恒定總流動量方程： 例題分析

（二）§3-14恒定平面勢流 1學時 1）勢流函數(shù)的性質 2）流函數(shù)的性質

3）勢函數(shù)與流函數(shù)的關系

4）流網(wǎng) 5）復合勢流

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授——習題——實驗 4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 5.本單元的作業(yè)布置：

思考題： 3-

8、3-

38、3-

39、3-41習題：3-

9、3-

42、3-43

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第四章 相似原理與量綱分析

1.本章的教學目的及基本要求：

目的：使學生掌握流動相似的基本概念，動力相似準則及理解模型設計的基本方法，能應用量綱的和諧原理進行量綱分析。

基本要求：理解幾何、運動、動力、初始與邊界條件相似的基本概念，掌握各種動力相似準則，特別是重力相似準則、粘性力相似準則，能靈活應用模型律進行模型設計；理解量綱與單位的基本概念，量綱的和諧原理，掌握量綱的基本分析方法：瑞利法與 定理。

2.本章各節(jié)的教學內容及學時分配： §4-1流動相似的基本概念 1學時 §4-2相似準則 1學時 §4-3模型實驗 0.5學時

§4-4量綱分析的概念和量綱和諧原理 1學時 §4-5量綱分析 1.5學時 5學時 課外7.5學時

3.本章教學內容的重點和難點：

重點：重力相似準則、粘性力相似準則，模型設計；量綱的和諧原理，瑞利法與 定理。難點：動力相似準則，量綱分析：瑞利法與 定理 4.本章教學內容的深化和拓寬： 深化：模型設計與模型實驗

拓寬：模型實驗的工程實際問題：三峽工程的模型實驗研究 5.本章教學方式（手段）及教學過程中應注意的問題： 教學方式：講授——提問——講授——習題

注意問題：物理量的量綱單位的記憶；注意觀察實際工程的模型實驗。6.本章的主要參考書目：

禹化謙，《工程水力學（水力學）》，西南交通大學出版社，1999.12 聞德蓀、魏亞東等，《工程水力學（水力學）》，高等教育出版社，1992.9 蔡增基，龍?zhí)煊?，《水力學》，中國建筑工業(yè)出版社，1999.12 7.本章的思考題和習題等

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蔡增基，龍?zhí)煊?，《水力學》，中國建筑工業(yè)出版社，1999.12 7.本章的思考題和習題等

思考題： 7-

1、7-

2、7-

4、7-

5、7-

14、7-15習題： 7-

3、7-

6、7-

7、7-

9、7-

11、7-12 單元教案27 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §7-1明渠均勻流的水力特征 0.5學時 1）明渠均勻流

2）明渠均勻流產(chǎn)生的條件 3）明渠均勻流的水力特征 §7-2明渠均勻流的計算公式 1學時 1）濕周 2）水力半徑 3）謝才公式 4）曼寧公式 5）巴浦勒夫斯基公式

§7-3水力最優(yōu)斷面及允許流速 0.5學時 1）水力最優(yōu)斷面 2）水力最優(yōu)斷面條件

2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授 3.本單元師生活動設計： 講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 電子教案

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 7-

1、7-2習題： 7-3 單元教案28

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1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §7-3水力最優(yōu)斷面及允許流速 0.5學時 2）允許流速 3）最大允許流速

§7-4明渠均勻流水力計算的幾類問題 1學時 1）過流能力的水力計算 2）底坡的水力計算 3）粗糙系數(shù)的水力計算 4）渠道斷面形式的設計

§7-5無壓圓管均勻流水力計算 0.5學時 1）充滿度

2）無壓圓管的水力要素 2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 電子教案

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：7-

4、7-5習題： 7-

6、7-

7、7-9 單元教案29 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §7-5無壓圓管均勻流水力計算 0.5學時 3）無壓圓管的最大流速與流量 4）無壓圓管均勻流的水力計算

§7-6復式斷面明渠均勻流水力計算 0.5學時 1）復式斷面的水力要素 2）復式斷面的水力計算

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2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 電子教案

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 8-

14、8-15習題： 8-

11、8-12

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思考題： 8-

1、8-4習題： 8-

2、8-

3、8-

5、8-6 單元教案30 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §8-1明渠水流的三種流態(tài)、佛汝德數(shù) 0.5學時 5）佛汝德數(shù)判別流態(tài)

§8-2斷面比能（單位能量）與臨界水深 1.5學時 1）斷面比能 2）比能曲線 3）臨界水深 4）臨界流與臨界底坡 2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 電子教案

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：8-1習題：8-

2、8-3 單元教案31 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §8-3明渠非均勻漸變流微分方程 2學時 1）明渠非均勻漸變流微分方程 2）明渠非均勻漸變流水面曲線分析 3）明渠非均勻漸變流水面曲線的繪制 2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

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講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 電子教案

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題： 8-4習題： 8-5 單元教案32 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §8-4水躍與跌水 1學時 1）水躍的組成 2）水躍的功能與作用 3）躍前與躍后水深的計算 4）跌水

§8-5棱柱體渠道非均勻漸變流水面曲線的計算 1學時 1）道非均勻漸變流水面曲線的計算 2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 電子教案

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：習題： 8-6

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第九章 堰流

1.本章的教學目的及基本要求：

目的：使學生了解薄壁堰、實用堰、寬頂堰的基本功能與用途，掌握堰流基本的水力計算公式。

基本要求：了解薄壁堰、實用堰、寬頂堰的基本功能與用途，能進行堰流的流量計算。2.本章各節(jié)的教學內容及學時分配：

§9-1堰流的基本公式 1學時 §9-2薄壁堰 0.5學時 §9-3實用堰 0.5學時 §9-4寬頂堰 1學時 共3學時

3.本章教學內容的重點和難點： 重點：堰流基本的水力計算公式 難點：堰的流量系數(shù)的計算。4.本章教學內容的深化和拓寬： 深化：堰的流量系數(shù)的影響因素 拓寬：工程應用

5.本章教學方式（手段）及教學過程中應注意的問題： 教學方式：講授——提問——講授 注意問題：堰的流量系數(shù)公式的選取。6.本章的主要參考書目：

禹化謙，《工程水力學（水力學）》，西南交通大學出版社，1999.12 聞德蓀、魏亞東等，《工程水力學（水力學）》，高等教育出版社，1992.9 蔡增基，龍?zhí)煊?，《水力學》，中國建筑工業(yè)出版社，1999.12 7.本章的思考題和習題等 思考題：9-

1、9-

2、9-3習題：9-

4、9-5 單元教案33

536

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單元教案35 1.本單元教學內容（具體到各知識點）： §10-2滲流模型與達西滲透定律 1學時 1）滲流模型 2）達西滲透定律

§10-3地下水漸變滲流分析 1學時 1）地下水均勻滲流 2）裘皮衣公式

3）漸變聲滲流基本微分方程 4）漸變滲流的侵潤曲線 2.本單元的教學方式（手段）： 教學方式：講授

3.本單元師生活動設計：

講授——提問——講授

4.本單元的講課提綱、板書設計（電子教案）： 電子教案

5.本單元的作業(yè)布置： 思考題：10-

1、10-

2、10-3習題：10-

4、10-5

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本課程實驗

本課程實驗學時共10學時，設5個實驗，分別如下： 實驗一：靜水壓強特性實驗 實驗二：伯努利方程實驗 實驗三：動量定律實驗 實驗四：雷諾數(shù)實驗 實驗五：水擊綜合演示實驗

940-

第三篇：環(huán)境水力學(教案)

第一章 液體流動的基本概念和基本方程（4學時）1.1基本概念：

一．研究對象：①連續(xù)介質假定，使物理量為空間坐標和時間的函數(shù)。

②描述流體運動特性的物理量v，p，?，T，C。基本特征參量。

③lagrange Method（拉格朗日）

Euler Method（歐拉）

④兩種方法研究對象不同：流體質點

空間點

流體微團

微團控制體

流體系統(tǒng)

控制體 二.基本參量表示法：

用兩種方法表示的基本參量方法不同。

Lagrange法：標量（p，T，C）

p=（a，b，c，t）

質點跡線?= ?（a，b，c，t）

d????

矢量?????(a,b,c,t)

dt?t??d?

a?

dtEuler法：

???(x,y,z,t)????????d?????①x，y，z變，a???(???)?

dt?t②附體性dx?udt

dy?udt

dz?udt

?????????u?ui????xi??yj??zk

所以ai?i?ui（張量形式）??????t?uj???ui?vj?wk?三.跡線和流線。

?dx?udt?

跡線：?dy?udt

?dz?udt?

流線：??d??0

??dxdydz??

（恒定流時重合）uvw四.質點導數(shù)。液體質點的流動參數(shù)B隨時間的變化律的歐拉法表示。也稱為隨體導數(shù)。

?????DB??

???????B

Dt?遷移變率??t?當?shù)刈兟????????????算子???B恒定流：?0

?t均勻流：(???)B?0

不可壓：D??0 Dt0五.任意度量中系統(tǒng)體積分的隨體導數(shù)。

①B??d?????0

B為?0系統(tǒng)體內積分。

例：???

????d?0?m

?0Dm?0（連續(xù)性方程積分形式）Dt（一般將其變?yōu)闅W拉法形式）

????

?22?????d?0?M(動量)

?0DM??F（動量方程）Dt

???(e?)

????(e??0?22)d?0?E

DE?W（外力所做功）Dt

e為內能（隨溫度、壓力變化的能量）單位質量流體所具有的內能，狀態(tài)函數(shù)。

②輸運方程（transport Equation）、（L-E）

EularD?

?d??d???????(???)d? 0???????Dt?0?t???????B

?：?0在t0時刻所占領的控制體。

物理意義：D?d?0

系統(tǒng)?體積分的隨體導數(shù)。???Dt?0?????d?0

控制體內物理量?體積分（B）的當?shù)仉S時變化率。?t??????

?????(???)d????????dAn（高斯定理）

?0????

???????n?dA從封閉面A流出的?的體積分，也就是系

A?A統(tǒng)中一個位置移動到另一個位置，由于流場的不

均勻性而改變引起的?的體積分的遷移變化率。

1.2運動液體的應力和應變關系——本構方程

一.流體微團運動的分析。

1.微團運動=平移+變形（線變形、角變形）+轉動 ?u????若A點流速為：v，則距其距離為dr(dx,dy,dz)處點流速可表示為： ????w??A?u??u??Sxx?v???v???S?????yx?S??w??w????A?zx平移SxySyySzy變形引起的流速增量Sxz??dx???????Syz?dy?w?dr???dz?Szz????

轉動引起的流速增量i???其中w?dr?wxdxjwydykwzdz

1??ui?uj?2、3?

2、i?j線變形，i?j角變形 2.變形率張量：Sij??

i?

1、，j?

1、??2??x?xi??j變形率張量具有對稱性：Sij?Sji（6個獨立）

??u?v?w?????v（速度的散度）Sij稱為體積膨脹率，Sij?Sxx?Syy?Szz??x?y?z??1?1??角轉速分量?，定義為??rotv（速度的旋度）

22ijk?1????1?????v???xi??yj??zk 22?x?y?zuvw????若??0，無旋、有勢流動，速度有勢v??? ? ??lvdl?0（環(huán)流量=0）

存在勢函數(shù)，稱為流速勢? ? 滿足?2??0（拉普拉斯方程）

??????[區(qū)別，力有勢f????，力勢函數(shù)，??lFdl?0]

二、運動流體中的應力

0???p0??①靜止：0?p0，只有壓應力（負號表示與作用面外法線方向相反）???0?p??0???pxx?②運動、理想液體（不存在粘性切應力）0???00?pyy00?0??，pxx?pyy?pzz?pm ?pzz????pxx?③粘性實際運動：??yx??zx??xy?pyy?zy?pzz???xz???yz?，?zx：x表示作用面法線方向，z表示力方向。

由于存在切應力，所以，法向應力pxx?pyy?pzz，但pxx?pyy?pzz?const（不因坐標變化而變），所以，引入動水壓強：pm?1pxx?pyy?pzz?與作用面無關，各方上壓力應?3'力被認為是pm加上一個附加壓應力，如pxx?pm?pxx。

切應力具有對稱性：?yz??zy

??pm?A：對于層流??0?L??0'??pxx?其中??yx??zx?0?pm0'0???pxx?0?????yx?pm?????zx?xy?p'yy?zy'??pzz??xz???yz?

?xy?p'yy?zy'??pzz??xz???yz?粘性附加應力張量

???u'2x??'B：對于紊流??????u'yux?tL?''??uzux?????u'2x??'其中??u'yux??''??uzux??''??uxuy''??uxuy??u'z2''??uzuy''???uxuz????u'yuz'?

2?'??uz????u'z2''??uzuy''???uxuz?'???u'yuz?為紊流附加切應力項（混滲應力or Re應力）2?'??uz??簡寫為?ij?t???ij?L???ij

'

三、應力—應變的關系（本構方程）

1、牛頓流體

?ij?s??nij

n=1。本構關系符合內摩擦定律，應力和應變線性關系。

非牛頓流體

n?1

2、本構方程：各向同性、牛頓流體、層流，應力應變關系：牛頓內摩擦定律，Stokes（斯托克斯）推廣。正應力：pij?pm?2??ui

i?j（不可壓）?xj??ui2pij?pm?2????v

i?j

（可壓）

?xj3切壓力：?ij??ji???1.3 連續(xù)性方程 質量守恒 ??ui?uj??

?i?j? ???x??j?xi?DM?0

（對理想、實際流體都適用）Dt????v?ndA??????vd?

?：控制體

?

一、積分形式：

????d????v?ndA?0

???t????一維恒定：?1v1A1??2v2A2

二、微分形式

????????????v?0

??v：流出控制體的質量（單位時間、單位體積）?t?D?????v?0 Dt?D??0

?

?v?0

（恒定、非恒定流均可）

①不可壓 Dt?D??0

?

??v?0

（不限制壓縮否）②恒定

Dt??????1.4 運動方程

???

一、微分形式：?F?ma

????1dv?v???

1、ideal：Eular方程：f??p???v??v

?dt?t??

2、實際牛頓流體、各項同性、不可壓縮、層流 N-S方程

?????1?v?????2??v??v?F??p??v ?t???????????????v?v?????v??v：慣性項。：當?shù)刈兓?，v??v：遷移變化率（非線性項），?t?t??????1?2?F：質量力項，?p：壓強梯度項，?v：粘性項。

??

3、對紊流，將上述方程取時均，得到（雷諾方程）

一、上述方程可以簡化為：I

II

III A：恒定

I?0 B：絕熱

II=I?0 '??????C：理想流體

II?I???pnvdA?????pv?ndA

（壓力）

???????????D：只有重力作用

F????

則 II????????v?dz????????v?n?dA AA??E：不可壓縮、絕熱、理想、恒定、內能不變 ????ev?n?dA 則推出

A?A ???A?v2?p??v2???p???????v?n?dA?0 一維問題的伯努利方程，（???為機械能）。

?2?2??

二、微分形式：

①化面積分為體積分：

AA??????????pnvdA?????n?vdA???????vd?

?????T???Tn

?----熱傳導系數(shù) ②引入Forier定律：q????n????q?dA???????TndA????????T?d?

AA?將??0去掉積分量得（1.40）

????D?v2??e????F?v?????v??qR??????T?

微分形式 Dt?2???在直角坐標系下、不可壓縮，上述微分形式可簡化如下：公式（1.43）

De?(1?6項)?(7?9項)??qR DtDe?----內能變化，(1?6項)應力做功（粘性耗散），(7?9項)熱傳導，?qR輻射。Dt?對大多數(shù)液體：e?cvT

cv----定容比熱 引入熱擴散率（導溫系數(shù)）???

cp----定壓比熱

一般取cv?cp?c ?cp?1-6項?=??

?----耗散函數(shù)

則方程為：

qDT????2T???R Dt?ccDT???2T（有關方程柱坐標下表示，參見Dt去掉（忽略）?、qR影響，即得熱傳導方程書，不詳述）。

1.6 基本方程組的封閉問題 對于不可壓縮、各項同性、牛頓流體、層流。

?p方程組有5個，未知數(shù)v，p，?，T（6個未知數(shù)）補充狀態(tài)方程?RT。

?對于不可壓縮液體??const，所以，直接用連續(xù)運動方程求p，v后求溫度場。1.7—1.8—1.9 有勢流動 有渦流動 邊界層概念

1、有勢流動，實際流動滿足何條件可簡化為有勢流動求解。

???0 或者?單連域???udl?????ndA ??A????----渦通量，（????v?2?）

根據(jù)kelvin’s（開爾文）定理：在有勢質量力作用下，理想流體，正壓條件下，（流體質點組成的封閉曲線的速度環(huán)量?不隨時間變化）即

???0。?t對于高Re流動粘性項作用可忽略，認為理想流體，由靜止狀態(tài)開始的流動，如重力壩泄流，圓柱繞流，閘孔出流。波浪等，可近似認為是勢流。

?

2、勢流特征：①存在勢函數(shù)??x,y,z,t?，v???

②圖

③不可壓勢流

?2??0

v2④基本方程???0，z???c（Eular方程積分）理、恒、不可壓、?2g2p有勢（力）勢流。單獨變量?,p。

⑤平面、不可壓勢流：存在流函數(shù)?(x,y,z)，量綱ms 圖

2?1滿足?2??0

求解方法：勢流疊加法、復變函數(shù)法、流網(wǎng)法、實驗法。

3、渦量滿足渦量方程（推求不詳細講）。

4、邊界層概念：如上所述，對高Re，N-S忽略?得到Euler（物面為流線），但用此法求解平板繞流時，阻力=0，不符合實際，物面應給粘滑條件。

引入邊界層概念：在固體壁面附近的一個薄層中，流速梯度變大，粘性作用必須考慮稱為邊界層。

流動分區(qū)：邊界層內，粘性流。邊界層外，理想流。

分界：引入邊界層厚度概念?（又分為①排擠厚度或流量損失厚度?1②動量損失厚度?2能量損失厚度?3）。層外勢流解

?1構成的線為流線，解外層勢流時邊界條件。恒定二維、不可壓縮、質量力不計（曲率?。?，假定???L，y??x，v??u量綱比較，忽略

量，簡化為邊界層方程（1.97）、（1.80—1.81）。由邊界層方程知?p?0 ?y即，邊界層內法向壓強基本不變，即可用邊界層邊界上勢流解的p，所以邊界層方程中p已知，只有u、v兩個變量，一般數(shù)值解。

引入邊界層概念目的：①解決沿程水頭損失計算

②繞流阻力計算，紊動射流（邊界層流動）

邊界層動量積分方程（1.85）

未知數(shù)u、?、?0 三個未知數(shù)，一般補充u?f?y?，?0??dudy（層流邊界層，紊

y?0流邊界層不同）。

1.10 小密度差流動，Bousinesq’s近似

一、Bousinesq’s近似：密度變化的影響僅僅在運動方程的重力項中考慮對其他各項影響忽略不計。

二、小密度差流動的基本方程：

許多環(huán)境問題，由于水中加入污染物質，使密度發(fā)生變化，但這種密度差很小，嚴格按考慮密度變化的可壓縮流體分析比較困難，常常采用Bousinesq’s假定、作近似處理。對于質量力只有重力、不可壓流體、其運動方程為：

?Dv???p??g???2v Dt若?,g以靜止時值為參考狀態(tài)，即???0???，p?p0??p代入上式，并知靜止時

??0??0g

所以，?1??????Dv1???2????p?g??v ????0?Dt?0?0?0??由于???0??

1所以，慣性項中??可忽略，令g*??0g（折減重力加速度）

Dv1??????p??g*??2v Dt?0?0連續(xù)性方程不變 ?v?0

以上為基本方程

1.11旋轉流體流動，科里奧利力效應（Coriolis effect）

一、對于較大的江河、湖泊、海灣等水域的流動問題，將地球看成慣性坐標系統(tǒng)會引起一定的誤差，此時要考慮地球轉動對水域流動的影響。根據(jù)理論力學知： 絕對運動（定坐標系）=相對運動（動坐標系）+牽連運動（動坐標系對定坐標系）對于動坐標系為定軸轉動的情況：aI?aR?ae?ak

aI絕對加速度，aR相對加速度，ae牽連加速度，akCoriolis加速度。

相對運動和牽連運動相互作用結果。??vae??????r?

ak?z由于牛頓第二定律對于定坐標系進行的，所以，對于流體質量力為重力，N-S方程為：

1u2?Dv?aI?????p?g??u ????Dt?I所以，對于旋轉動坐標系的相對運動微分方程為：

1u2?Dv??a?a?a???p?g??u??????r??z??v Iek?????Dt?R?????r?可表示為????2r'2?與?p合并考慮。

二．科化力效應判別數(shù)。

有兩個：（Rossby）羅斯比數(shù) R0??1?2??u慣性力? ??L科化力

（Ekman）埃克曼數(shù) Ek????L2?粘性力

科化力由公式可知：R0減小，Ek減小，科化力大，不能忽略。對環(huán)境問題：地球自轉?不變，L大時，R0減小，Ek減小。

所以，對大面積水體流動問題，如海灣、湖泊、大氣環(huán)流、科化力要計入。第三章 穩(wěn)流模型

（一）方程的封閉問題及穩(wěn)流模型的概念。1.瞬時不可壓縮流動N-S方程： 連續(xù)：?ui?0 ?xi?ui?ui?2ui1??運動：?uj?????Fi

?t?xj??xi?xj?xj方程組4個，未知數(shù)4個，理論上可直接求出解，也就是說明N-S方程包含了所有的湍動信息，可直接求解，也就是進行直接模擬（DNS）。直接法要求：①?t，?ui都很小與脈動量同一量級。

②計算量很大。

③邊界條件給定難度大。

④目前只有對Re小流動，簡單邊界條件進行計算的算例無法用于工程實際。

對工程問題，往往不要求物理量的瞬時值，只要知道時均值隨時間變化就可以了，因此轉向解時均流動。

2.時均不可壓縮紊流（Reynolds方程）

??ui?0??xi????ui?u?ui??1???1?j??t?xj??xi??xj???ui?''??uiuj??Fi???x??j??''

方程4個，未知數(shù)?，ui，6個獨立的uiuj（i，j=1，2，3）總共10個未知數(shù)。所以方程不封閉。

3.紊流模型：為了使上述方程封閉，根據(jù)紊流特性需附加的條件。

第四篇：水力學學習心得

《水力學》學習心得

轉眼之間，這學期就過完了大半的日子。我們這學期的課程就要完成了，回頭想想，還真是感慨萬千啊。

我們這學期的水力學是由韓老師教授的。他是一個非常風趣的人，他知道我們學土木房建的人不是特別的重視這門課程，所以在上課的時候，為了提高我們的聽課率，他就會不時的給我們講一些他自己的人生故事或者說一些他在工作中與我們這個專業(yè)相關的工作經(jīng)歷來啟迪我們。韓老師是一個很會講故事的人，因為每次講故事時我們都聽得很認真，比聽課認真多了，總是逗得我們全班哈哈大笑。我們也跟隨著韓老師的腳步，學會了什么是靜水壓、什么是恒定流和非恒定流、什么是水頭損失、什么是倒虹吸、什么是謝才公式，我們也學會了在大學階段要做的三件大事：學好自己的專業(yè)，它將是我們立足社會的“天斧神兵”；鍛煉好自己的身體，它是將來革命的本錢；找個女朋友，不要總是宅在寢室里，談一場轟轟烈烈的戀愛。

下面就是我學完水力學這門課程后對它的一些淺薄的認識。首先，我已經(jīng)清楚的明白了 水力學主要是研究以水為代表的液體的平衡和機械運動規(guī)律及其實際應用的一門科學。從學科的角度來看，水力學是介乎基礎科學和工程技術之間的一門科學。一方面根據(jù)基礎科學中的普遍規(guī)律，結合水流特點，建立理論基礎，同時又緊密聯(lián)系工程實踐發(fā)展科學內容。另外我還知道水力學的應用是非常廣泛的，在各類工科中都有它的身影。

1、一方面，它在水利建設中非常的重要。水力學在水利建設中的主要任務是研究水流與邊界的相互作用，分析在各種相互作用條件下所形成的各種水流現(xiàn)象和邊界上的各種力的作用（例如，水流與堰作用，形成各種形式的堰流與閘門作用形成閘孔出流等），為水利工程的勘測、規(guī)劃、設計、施工和運轉管理等方面提供合理的水力學依據(jù)。

2、另一方面，它在土木工程的各個領域也有大量的涉獵。當修建大壩時，必須考慮當渲泄洪水時，要確定校核大壩所能夠通過的流量，以確保大壩安全泄洪；或已知泄量，確定大壩的溢流寬度。在圍堰修建、橋渡設計、基坑排水、地基抗?jié)B穩(wěn)定、給水與排水管渠及給水與污廢水處理、構筑物的設計和給排水系統(tǒng)的運行管理等過程都會遇到一系列的水力學問題。所以只有學好水力學課程，才能正確地解決工程中所與到的水力學方面的設計計算、運行管理與測試等問題。我們對水力學的主要研究方法有理論分析法、試驗研究法和數(shù)值模擬法，三種方法相互結合，為發(fā)展水力學理論和解決復雜的水力學問題奠定了基礎。

我們還清楚的知道水力學是以研究水為代表的液體的宏觀機械運動規(guī)律，及其在工程技術中的應用。水力學包括水靜力學和水動力學。

水靜力學研究液體靜止或相對靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律及其應用，探討液體內部壓強分布，液體對固體接觸面的壓力，液體對浮體和潛體的浮力及浮體的穩(wěn)定性，以解決蓄水容器，輸水管渠，擋水構筑物，沉浮于水中的構筑物，如水池、水箱、水管、閘門。堤壩、船舶等的靜力荷載計算問題。

水動力學研究液體運動狀態(tài)下的力學規(guī)律及其應用，主要探討管流、明渠流、堰流口流、射流多孔介質滲流的流動規(guī)律，以及流速、流量、水深、壓力、水工建筑物結構的計算，以解決給水排水、道路橋涵、農(nóng)田排灌、水力發(fā)電、防洪除澇、河道整治及港口工程中的水力學問題。

水力學作為學科而誕生始于水靜力學。在國內，據(jù)記載，4000多年前的上古時代就有大禹治水。在戰(zhàn)國末代至秦代更是修建了都江堰、鄭國渠和靈渠三大水利工程。在國外，公元前250年，阿基米德在《論浮體》中，闡明了浮體和潛體的有效重力計算方法。1586年德國數(shù)學家斯蒂文提出水靜力學方程。十七世紀中葉，法國帕斯卡提出液壓等值傳遞的帕斯卡原理。至此水靜力學已初具雛形。水動力學的發(fā)展是與水利工程興建相聯(lián)系的。公元前三世紀末，中國秦代修建規(guī)模巨大的都江堰、靈渠和鄭國渠。漢初利用山溪水流作動力。此后在歷代防洪及航運工程上積累了豐富的經(jīng)驗。但是液體流動的知識，在中國相當長的時間內，在歐洲直至15世紀以前，都被認為是一種技藝，而未發(fā)展為一門科學。文藝復興期間，意大利人達·芬奇在實驗水力學方面獲得巨大的進展，他用懸浮砂粒在玻璃槽中觀察水流現(xiàn)象，描述了波浪運動、管中水流和波的傳播、反射和干涉。

十八世紀初葉，經(jīng)典水動力學有迅速的發(fā)展.歐拉和丹尼爾第一·伯努利是這一領域中杰出的先驅者。十八世紀末和整個十九世紀，形成了兩個相互獨立的研究方向：一是運用數(shù)學分析的理論流體動力學；一是依靠實驗的應用水力學。開爾文、瑞利、斯托克斯、蘭姆等人的工作使理論水平達到相當?shù)母叨龋x才、達西、巴贊、弗朗西斯、曼寧等人則在應用水力學方面進行了大量的實驗研究，提出了各種實用的經(jīng)驗公式。十九世紀末，流體力學的發(fā)展扭轉 了研究工作中的經(jīng)驗主義傾向，這些發(fā)展是：雷諾理論及實驗研究；雷諾的因次分析；弗勞德的船舶模型實驗；空氣動力學的迅速發(fā)展。二十世紀初的重要突破是普朗特的邊界層理論，它把無粘性理論和粘性理論在邊界層概念的基礎上聯(lián)系起來。

自從二十世紀以來蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟建設提出了越來越復雜的水力學問題：高濃度泥沙河流的治理；高水頭水力發(fā)電的開發(fā)；輸油干管的敷設；采油平臺的建造；河流湖泊海港污染的防治等。使水力學的研究方向不斷發(fā)展，從定床水力學轉向動床水力學 ；從單向流動到多相流動；從牛頓流體規(guī)律到非牛頓流體規(guī)律；從流速分布到溫度和污染物濃度分布；從一般水流到產(chǎn)生滲氣、氣蝕，引起振動的高速水流。以電子計算機應用為主要手段的計算水力學 也得到了相應的發(fā)展。水力學作為一門以實用為目的的學科將逐漸與流體力學合流。

水動力學的數(shù)理分析首先是根據(jù)問題的客觀條件和生產(chǎn)任務或理論要求，對所研究的液體建立力學模型，提出假設，使分析簡化。最常用的力學模型有連續(xù)介質模型，將由分子組成、分子之間有空隙的的非連續(xù)液體看作分子緊密相依沒有空隙的連續(xù)介質；不可壓縮流體模型，將受壓收縮、受熱膨脹、有彈性的液體，看作無彈性密度不變的不可壓縮流體；無粘性流體模型，將流動時因粘性作用產(chǎn)生內摩擦力的液體，看作粘性不起作用，無內摩擦力的流體；理想液體模型，不可壓縮無粘性的液體。力學模型確定后，以相適應的運動學和動力學基本方程式為工具，結合起始條件和邊界條件，進行各種流動的質量平衡、動量平衡和能量平衡分析，求出所需要的各種變量。以上就是我所知道的一些水力學方面的知識，至于一些水力學中所學到的公式和計算方法等，我就不詳細的說明了。

通過對水力學的學習，使我開始真正的認識了這門學科，我發(fā)現(xiàn)我也越來越喜歡這門學科了，因為通過使用其中的知識我們可以解決一些我們日常生活中與它有關聯(lián)的問題。

我們這學期的水力學課程雖然在不知不覺中結束了，但是我們不會忘記這門學科的。我們會好好的保存這本書，說不定在以后的工作中我們就會遇到與這方面有關的工程問題，到時候我們就可以拿出這本書出來，好好地回憶一下水力學方面的知識，也許會幫我們一個大忙；我們也不會忘記教授我們水力學知識的韓智明韓老師，是他用有趣的方式教授我們水力學知識，告訴我們做人處事的方法、告誡我們不要被手機玩了，同時，還向我們推薦他認為對我們有好處，對我們的人生有益的書，例如，《冰鑒》、《誡子書》等等。在次，深深的向我們的韓老師表示衷心的感謝。

第五篇：水力學教案(前三章為最終稿)

教案

2010~ 2011學年第2學期

學院、系室能源與機械工程系（設備）課程名稱水力學C 專業(yè)、年級、班級

09土木1-4班 主講教師呂祥翠 天津城市建設學院 天津城市建設學院教案 編號：01 題目（教學章、節(jié)或主題）： 第一章緒論

一、本章教學目標及基本要求： 教學目標：使學生了解水力學的任務及應用領域，掌握液體的連續(xù)介質理論和液體的主要物理力學性質以及作用在液體上的力的兩種形式。

基本要求：了解水力學的發(fā)展簡史、學科的簡本構架、研究方法以及課程在專業(yè)中的地位；掌握液體的連續(xù)介質模型、液體的主要物理性質：易流動性、密度與重度、粘性與理想流體模型、壓縮性與不可壓模型、表面張力特性；掌握作用在液體上的力的兩種形式：質量力與表面力。

二.本章各節(jié)的教學內容及學時分配：

§1-1水力學的任務和發(fā)展簡史； 0.75學時 §1-2連續(xù)介質假設

0.5學時

§1-3 液體的主要物理性質

1.25學時 §1-4作用在液體上的力；0.5學時 共3學時

三.本章教學內容的重點和難點：

重點：液體的連續(xù)介質模型、密度與重度、粘性與理想流體模型、牛頓內摩擦定律、壓縮性與不可壓模型、質量力與表面力

難點：液體質點的概念、連續(xù)介質模型、牛頓內摩擦定律 四.本章教學內容的深化和拓寬：

深化：連續(xù)介質模型的應用、牛頓內摩擦定律應用、質量力與表面力的應用 拓寬：牛頓內摩擦定律推廣

五.教學手段及注意內容： 教學方式：以教師講授為主

注意內容：講解時注意理想流體與非理想流體的主要區(qū)別 教學媒介：多媒體結合板書

六.思考題和習題： 思考題：

1.粘性的本質是什么？2.牛頓內摩擦定律的有哪兩種表述方法？習題：1-

2、1-3

七、主要參考書目：

1、柯葵等，《水力學》，同濟大學出版社，2007年2月第7次印刷

2、吳持恭，《水力學》第四版）.高等教育出版社.2008.12

3、陳文義，張偉《流體力學》.天津大學出版社.2005.2 第二次印刷

4、莫乃榕，《流體力學水力學習題集》

天津城市建設學院教案 編號：02 題目（教學章、節(jié)或主題）： 第二章液體靜力學

一、本章教學目標及基本要求：

目的：使學生理解靜水壓強的特性、流體平衡微分方程，掌握液體靜力學的基本方程、液柱式測壓計的基本原理，最終能熟練計算作用在平面、曲面上的靜水總壓力。

基本要求：理解靜水壓強的特性，理解流體平衡微分方程，壓強的表示方法、壓強的計量單位、流體的相對平衡；掌握液體靜力學的基本方程，掌握液柱式測壓計的基本原理，掌握并能熟練計算作用在平面、曲面上的液體總壓力。

二.本章各節(jié)的教學內容及學時分配：

§2-1靜水壓強及其特性

0.5學時 §2-2流體平衡微分方程

0.75學時 §2-3液體靜壓強的分布規(guī)律

0.75學時 §2-4壓強的計算基準和量度單位

0.5學時 §2-5靜水壓強的量測方法

0.5學時 §2-6作用于平面上的液體總壓力

1學時 共4學時

三.本章教學內容的重點和難點：

重點：靜水壓強的特性、流體平衡微分方程、液體靜力學的基本方程、液柱式測壓計、作用在平面、曲面上的液體總壓力。

難點：作用在平面、曲面上的靜水總壓力、壓力體的概念、壓力作用點的確定。四.本章教學內容的深化和拓寬：

深化：液體靜力學的基本方程、流體平衡微分方程、差壓計、作用在平面上的液體總壓力。拓寬：在講解作用在平面上的液體總壓力計算方法時，介紹理論力學中有關慣性矩的相關知識。

五.教學手段及注意內容：

教學手段：以教師講解為主，分講授——提問——講授——習題等步驟開展教學 注意內容：降解時注意復習理論力學中有關積慣性矩及面積慣矩等相關知識 教學媒介：多媒體結合板書

六.思考題和習題：

1.思考題：1）流體平衡微分方程是如何進行推導的？ 2）什么是壓力體？它是如何進行繪制的？ 2.習題：2-5，2-8，2-13，2-22

七、主要參考書目：

1、柯葵等，《水力學》，同濟大學出版社，2007年2月第7次印刷

2、蔡增基，龍?zhí)煊澹端W》，中國建筑工業(yè)出版社，1999.12

3、陳文義，張偉.《流體力學》.天津大學出版社.2005.2 第二次印刷

4、莫乃榕，《流體力學水力學習題集》

天津城市建設學院教案 編號：03 題目（教學章、節(jié)或主題）： 第三章水動力學

一、本章教學目標及基本要求：

目的：使學生掌握恒定總流連續(xù)性方程、元流能量方程與實際流體總流的能量方程、恒定總流動量方程。

基本要求：理解連續(xù)性微分方程、實際流體的運動微分方程；牢固掌握、并靈活應用恒定總流連續(xù)性方程、元流能量方程與實際總流的能量方程、恒定總流動量方程。

二.本章各節(jié)的教學內容及學時分配：

§3-1描述液體運動的兩種方法

0.5學時

§3-2液體運動的一些基本概念

1學時 §3-3恒定總流的連續(xù)性方程

0.5學時 §3-4恒定總流能量方程

3.學時 共計5學時

三.本章教學內容的重點和難點：

重點：液體運動基本概念的具體描述，恒定總流連續(xù)性方程，理想元流的能量方程與實際流體總流的能量方程。

難點：恒定流、均勻流、漸變流的聯(lián)系與區(qū)別，恒定流連續(xù)性方程的應用，實際液體總流的能量方程的意義及應用。

四.本章教學內容的深化和拓寬：

深化：元流能量方程的推廣，理想液體恒定流連續(xù)性方程在實際工程中的應用。拓寬：理想元流能量方程的物理意義及幾何意義的推廣，實際流體總流的能量方程在工程中的應用。

五.教學手段及注意內容： 教學手段：以教師講解為主，分講授——提問——講授——習題課——實驗等步驟開展教學 注意內容：1）對概念、原理、計算方法的理解、掌握。注意實際流體能量方程計算斷面的選取，以及解題步驟與方法

2）注意復習高等數(shù)學的導數(shù)、微分與曲線積分等基本方法 教學媒介：多媒體結合板書

六.思考題和習題：

思考題：1）恒定流與非恒定流是如何定義的？

2）描述液體運動的兩種方法各是什么？二者主要區(qū)別是什么？習題：3-

2、3-

5、3-

6、3-

7、3-

8、3-

11、3-

17、3-

19、3-

22、3-23

七、主要參考書目：

1、禹化謙，《工程水力學（水力學）》，西南交通大學出版社，1999.12 2.聞德蓀、魏亞東等，《工程水力學（水力學）》，高等教育出版社，1992.9

3、陳文義，張偉.《流體力學》.天津大學出版社.2005.2 第二次印刷

4、莫乃榕，《流體力學水力學習題集》

天津城市建設學院教案 編號：04 課時安排：4學時

教學課型：理論課√實驗課□習題課□實踐課□其它□

題目（教學章、節(jié)或主題）： 第四章流動阻力和水頭損失

教學目的要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：

目的：使學生了解實際流體的兩種流動型態(tài)，流動阻力與水頭損失的兩種型式，掌握沿程損失、局部損失的分析和計算方法。

基本要求：理解實際流體的兩種流動型態(tài)，流動阻力與水頭損失產(chǎn)生的原因，以及邊界層概念及繞流阻力概念。掌握均勻流的基本方程、圓管層流與紊流沿程阻力系數(shù)及沿程水頭損失、局部水頭損失的計算方法，理解當量粗糙度、當量直徑、水力半徑等重要概念。

教學內容（注明： * 重點

# 難點？疑點）： 本章各節(jié)的教學內容及學時分配：

§4-1流動阻力與水頭損失的兩種型式

0.25學時 §4-2層流與紊流、雷諾數(shù)

1學時 §4-3 均勻流基本方程

0.5學時 §4-4圓管中的層流運動

0.5學時 §4-4紊流運動

0.75學時

§4-5沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律

1.25學時 §4-6當量直徑的概念與非圓管的沿程損失？

0.25學時 §4-7管道流動的局部損失

0.5學時 共計4學時

本章教學內容的重點和難點：

* 實際流體的兩種流動型態(tài)的判別，均勻流的基本方程，圓管層流與紊流的流速分布，沿程阻力系數(shù)及沿程水頭損失的計算，局部水頭損失的計算。

＃沿程損失與局部損失的特征，當量粗糙度、當量直徑的概念，紊流沿程阻力系數(shù)的計算。本章教學內容的深化和拓寬：

深化：紊流理論基礎，紊流理論的應用，N-S方程與雷諾應力方程的區(qū)別與聯(lián)系。拓寬：現(xiàn)代紊流模型的發(fā)展。

教學方式、手段、媒介： 教學方式：以教師講解為主，分講授——提問——講授——習題課——實驗等步驟開展教學 注意問題：紊流與層流的判別，圓管紊流的速度分布、切應力分布與紊流阻力系數(shù)經(jīng)驗公式的選取。

教學媒介：多媒體結合板書

討論、思考題、作業(yè)：

討論： 1）紊流是怎樣形成的？

2）為什么Re數(shù)可用來作為判別流態(tài)的唯一準則，而臨界速度卻不可以？ 作業(yè)：習題：

參考書目：

1、柯葵等，水力學，同濟大學出版社，2007年2月第7次印刷

2、吳持恭，水力學（第四版）.高等教育出版社.2008.12

3、陳文義，張偉主編.流體力學.天津大學出版社.2005.2 第二次印刷

4、莫乃榕，流體力學水力學習題集

天津城市建設學院教案 編號：05 課時安排：3學時

教學課型：理論課√實驗課□習題課□實踐課□其它□

題目（教學章、節(jié)或主題）： 第五章明渠均勻流

教學目的要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）： 目的：使學生理解水力最優(yōu)斷面及允許流速的基本概念，掌握明渠均勻流各類問題的水力計算方法，并能設計渠道的斷面形式和渠道坡度。

基本要求：

1、了解明渠水流的分類和特征，了解棱柱體渠道的概念，掌握明渠底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。

2、了解明渠均勻流的特點和形成條件，熟練掌握明渠均勻流公式，并能應用它來進行明渠均勻流水力計算。

3、理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最佳斷面的條件和允許流速的確定方法，學會正確選擇明渠的糙率n值。

4、掌握明渠均勻流水力設計的類型和計算方法，能進行過流能力和正常水深的計算，能設計渠道的斷面尺寸。

教學內容（注明： * 重點

# 難點？疑點）： 本章各節(jié)的教學內容及學時分配：

§6-1明渠均勻流的水力特征

0.5學時 §6-2明渠均勻流的計算公式

0.5學時 §6-3水力最優(yōu)斷面及允許流速

0.75學時

§6-4明渠均勻流水力計算的幾類問題

0.75學時 §6-5無壓圓管均勻流水力計算

0.5學時 共計3學時

本章教學內容的重點和難點：

重點：水力最優(yōu)斷面及允許流速，明渠均勻流的水力計算 難點：水力最優(yōu)斷面條件，無壓圓管均勻流水力計算。本章教學內容的深化和拓寬：

深化：在水力最優(yōu)斷面或允許流速條件下，設計渠道的斷面形式和渠道坡度，考慮粗糙度的影響，驗算渠道的過流能力。

拓寬：與工程實際相聯(lián)系，設計渠道的斷面形式和渠道坡度，并研究渠道沖刷問題。

教學方式、手段、媒介：

教學方式：講授——提問——講授——習題課——實驗 教學媒介：多媒體結合板書 注意問題：概念、原理、計算方法的理解、記憶。

討論、思考題、作業(yè)： 作業(yè)：

天津城市建設學院教案 編號：06 課時安排：1學時

教學課型：理論課√實驗課□習題課□實踐課□其它□

題目（教學章、節(jié)或主題）： 第七章明渠非均勻流（簡介）

教學目的要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：

目的：使學生理解明渠非均勻流中斷面單位能量、臨界水深等的基本概念，掌握恒定明渠流其流動狀態(tài)的判別方法，能進行水面曲線的分析與繪制 基本要求：

1、掌握明渠水流三種流態(tài)（急流、緩流、臨界流）的運動特征和判別明渠水流流態(tài)的方法，理解佛汝德數(shù)Fr的物理意義。

2、理解斷面比能、臨界水深、臨界底坡的概念和特性，掌握矩形斷面明渠臨界水深hk的計算公式和其它形狀斷面臨界水深的計算方法。

3、了解水躍和水跌現(xiàn)象，掌握共軛水深的計算，特別是矩形斷明渠面共軛水深計算。

5、掌握棱柱體渠道水面曲線的分類、分區(qū)和變化規(guī)律，能正確進行水面線定性分析，了解水面線銜接的控制條件。

教學內容（注明： * 重點

# 難點？疑點）： 本章各節(jié)的教學內容及學時分配： §7-1明渠水流的三種流態(tài)、佛汝德數(shù) §7-2斷面比能（單位能量）與臨界水深 §7-3明渠非均勻漸變流微分方程（簡介）§7-4水躍與跌水 共計1學時

本章教學內容的重點和難點：

重點：斷面單位能量、臨界水深、恒定明渠流其流動狀態(tài)的判別方法，水面曲線的分析。難點：臨界水深、恒定明渠流及其流動狀態(tài)的判別方法。本章教學內容的深化和拓寬：

教學方式、手段、媒介：

教學方式：講授——提問——講授——習題課——實驗 教學媒介：多媒體結合板書

注意問題：水面曲線的分析與繪制方法。

討論、思考題、作業(yè)： 討論： 作業(yè)：

參考書目：

1、柯葵等，水力學，同濟大學出版社，2007年2月第7次印刷

2、吳持恭，水力學（第四版）.高等教育出版社.2008.12

3、陳文義，張偉主編.流體力學.天津大學出版社.2005.2 第二次印刷

4、莫乃榕，流體力學水力學習題集