水力学教案
职业技术学校理论教学教案
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板书与多媒体课课程名称 水力学 教学方法 授课学时 6 件相结合
班 级 教学形式 讲授 时 间
第一章 绪论 教学章节 班 级
了解水利工程中存在哪些水力学问题
了解水力学的任务、研究对象和研究课题 教学目标 掌握液体的基本特性及主要物理性质
掌握水流运动的基本规律及分类
重点:液体的基本特性及主要物理性质 教学重点
掌握水流运动的基本规律及分类 与难点
难点:液体的主要物理性质及基本规律
教学进程 教学内容 教学活动 时间
水在人类生活与生产中占有极其重要的地位,它引入 老师提问 0(5不仅是不可缺少的生活资料,也是不可替代的生产资 学生思考 学时 源。 举工程实例 自然界中任何物质都具有二重性,水也不例外,它既 能危害人类,又可被人们所利用。千百年来,人们与 洪水作斗争中,在利用水为人类的生活和服务的实践 中,对水流运动规律的认识也逐渐丰富起来,在不断 总结经验的基础上形成了较为系统的水流运动理论 ——水力学。
第一节 水利工程中的水力学主体课程 问题
水力学是研究液体平衡和运动的规律及其在生 产实践中应用的一门技术学科。它是力学的一个分 支。 水力学的任务——一是研究液体平衡(包括静止)和 机械运动的基本规律,这是水力学的基本原理部分; 二是研究如何运用基本规律来解决人类活动中对水 力学提出的各种实际问题,这是水力学的应用部分。 水力学的研究对象——以水为代
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
的液体,所以水力例举 学的基本理论不仅适用于水,也适用于一般液体和可 忽略压缩性影响的气体。 水力学内容: 水静力学是研究液体在平衡或静止状态下的力学 规律及其应用; 水动力学是研究液体在运动状态下的力学规律及 其应用。实际上,水静力学是特定条件下的水动力学 问题。 水力学研究课题: 1、水力荷载
水工建筑物建成后,都要承受巨大的静水压力或图标讲解 动水压力,以及透水基础中的透水压力等。 2、过水能力
一般在水利枢纽中常设有输水、泄水、水电站以 及通航等建筑物,因此需要根据水力学基本原理,研对比讲解 究这些建筑物在各种条件下的过水能力及其影响因 素。 3、水流流态 2(5
当水流通过各种建筑物时将会形成各种水流运动 学时 状态,因此需要事先为枢纽设计和布置等提供有关的 水力学要素。 4、水流能量损失
由于运动的水流存在着粘滞切力,水流流态的改
变和水流能量的转换等,都将使水流产生能量损失。 水力学的研究方法: 1、理论分析法 2、科学试验法 3、数值计算法
第二节 液体的基本特性及主要物理 性质 一、液体的基本特性
自然界的物质可分为固体、液体和气体三种存在 形式。固体的主要特征 , 是具有固定 的形状 , 在外 力的作用下不容易变形。液体和气体统称为流体 , 流 体的共同特征,是容易 流动和变形。液体和气体的 主要区别在于 , 液体在外力的作用下不易压缩,而气 体在外力的作用下则容易压缩。 二、液体的主要物理性质
1.质量与密度
质量是物体惯性大小的度量。质量愈大的物体 ,
惯性愈大 , 其反抗改变原有运动状态的能力也就愈
强。
对于质量是均匀分布的均质液体 , 其单位体积的质 量称为密度 , 即 m , , (1-2) V
式中 V ——液体的体积。
3 3 Ρ——密度,g/cm或 kg/m。
2.重量与容重
地球上的物体 , 都会受到地心引力的作用 , 这 种地球对物体的引力就称为重量 ( 或重力 ) 。重量 用 G 表示 , 重量的单位为 N 或 KN。对于质量为 m 的液体,其重量为
G = mg (1-3)
插图 2式中 g ——重力加速度 , g,9.8 m/s 对于均质液体 , 单位体积的重量称为容重 , 则容重 为:
G ,, V
(1-4)
33 γ——容重,N/m 或 kN/m。
由式 (1-3) 和式 (1-4), 可得容重与密度的关系为
,,,g
(1-5)
因为液体的体积随着温度和压强的变化而变化 ,
故其容重与密度也将随之而发生变化 , 但变化很小。
通常将水的容重和密度视为常数 , 在温度为 4? 、
压强为一个大气压的条件下 , 水的容重为
33 9.8kN/m , 密度为 1000kg/m。
3[例 1-1] 己知某液体的体积为 6m, 密度为 3983.3kg/m , 求该液体的质量和容重。 解:由式 (1-2) 得 , 液体的质量 :
m =ρV= 983.3 ×6 =5899.8(kg)
由式 (1-5) 得 , 液体的容重 :
3γ =ρg = 983.3 × 9.80 = 9636.3 (N/m ) 3、液体的粘滞性
(1)粘滞性
液体在运动状态下 , 流层间存在着相对运动,从
而产生内摩擦力 , 具有抵抗剪切变形的能力的特性, 称为液体的粘滞性。 (2) 牛顿内摩擦定律及粘滞系数
为了说明粘滞性的存在对水流运动的影响 , 现 以明渠水流为例予以说明。当渠道中的水流作直线运 动 ,在渠道底部 , 由于粘滞性的存在 , 水流与边壁 之间存在着附着力 , 液体质点的速度为零 ; 距渠底 愈远流速愈大 , 当忽略表面张力的影响时 , 自由表 面上的流速最大。垂线上各点的流速不等 , 表明液体 内部流层间存在着相对运动。
流层间的相对运动一经形成后 , 快层的质点将带动
慢层的质点 , 从而在相邻流层的接触面上产生成对
的内摩擦力。内摩擦力一方面作用于质点上使其发生
剪切变形运动 ; 另一方面 , 对液体质点来说 , 它又
是企图抵抗剪切变形运动的力。内摩擦力的大小可由
牛顿内摩擦定律确定 。
单位面积上的内摩擦力称为粘滞切应力 , 用τ表示 , 即
du ,,, dy
(1-7) 2上式中 μ——动力粘滞系数,N • s/m 或 Pa • s;
τ——相邻流层间接触面的面积;
2学du——流速梯度 , 1/s 时 dy
动力粘滞系数μ值与液体的性质和温度有关 , 它反
映了液体的性质对内摩擦力的影响,是度量液体粘滞
性大小的物理量。μ值大的粘滞性大 , μ值小
的粘滞性小。 在水力计算技术中 , 液体的粘滞性还可用另一种形 式的粘滞系数来描述 , ν称为运动粘度 , ν的单位为 22cm /s 或 m /s。
设水温为 t , 以?计 , 水的运动粘度可用下述经验
公式
小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载
求得:
, , ,,
(1-8)
4、液体的压缩性 压缩性:
液体不能承受拉力,只能承受压力,抵抗体积压
缩变形,当压力除去后又恢复原状,消除变形。液体
具有的这种性质称为液体的压缩性,亦可称之为弹
性。
5、 液体的表面张力特性 表面张力特性“
由于液体表层分子之间的相互吸引 , 因此使得 液体表层形成拉紧收缩的趋势。液体的这种在表面薄 层内能够承受微小拉力的特性 , 称为表面张力特性。 表面张力不仅存在于液体的自由表面上 , 也存在于 不相混合的两层液体之间的接触面上。表面张力很 小 , 通常情况下可以忽略不计 , 仅当液体的表面曲 率很大时才需考虑。
第三节 水流运动的基本概念及
分类
一,流线与过水断面 (一) 流线 概念:
流线的人们假想的用来描述流动场中某一瞬间
时所有水流质点流速方向的光滑曲线。
特点:
流线既不是折线,也不能彼此相交。
(二)过水断面
概念:
过水断面——垂直于水流流向的横断面,用A 表示。
湿周——过水断面上与水流相接触的边界周
长,用χ表示。
水力半径——过水断面面积与湿周的比值,用R
表示
注:水力学上把A、R、χ称为过水断面的水力要素。 二、流量与断面平均流速
(一)流量
概念:
单位时间内流过过水断面的水体体积,以Q表 示。 泄水建筑物过流能力的大小就用流量来描述。为计算 方便,工程上常用断面平均流速代替断面上各点的实 际流速,即
Q=vA
式中Q——流量,m3/s v——断面平均流速,m/s (二)断面平均流速
概念:
过水断面上的流量Q与过水断面面积A之比称 为平均流速,即 Qv, A1学三、水流运动的分类 时
(一)恒定流与非恒定流
概念:
在水流流动的空间上,任一固定空间点处的运动
要素不随时间发生变化的水流称为恒定流,反之,称
为非恒定流。
一般说来,实际水流多为非恒定流,只要水流运
动要素在相当长的时间段内时间平均值基本不变,或
变化非常缓慢,就可以按恒定流来计算。
(二)均匀流与非均匀流
概念:
在流动过程中,水流的运动要素沿
流程
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不变的水流称为均匀流,反之称为非均匀流。
特点:
均匀流:流线彼此为平行的直线,过水断面为一平面且大小沿程不变。
非均匀流:流线虽为直线,但相互不平行
流线彼此平行,但流线弯曲
流线既不是直线,也不平行
(三)渐变流与急变流
概念:
水流流线间的夹角很小,流线的弯曲不大,流线近似为平行直线的水流称为渐变流,反之称为急变流。
特性:
渐变流:渐变流断面近似为平面
过水断面只受压力和重力的影响 急变流:过水断面不是平面
过水断面除受压力和重力外,还受离心惯性力的作用。
(四)有压流与无压流
概念:
在无自由表面的固体边界内流动的水流称为有压流,如管流。
在具有自由液面的固体边界内流动的水流称为无压流,如明渠水流。
特点:
有压流——没有自由水面,压强一般不等于大气压
无压流——具有自由液面,水面压强等于大气压 小结:
1、 概念
2、
计算公式
六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式
3、 习题讲解
作业及思 P10页 1-1、1-2、1-4、1-5、1-6 考
通过概念讲解和多媒体演示,把很多知识点讲解的很清楚,一目了然,激发了学生课后分学习的兴趣和信心。本章多为概念性知识,较易理解和掌握。 析:
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第二章 水压力及其计算 教学章节 班 级
1、正确理解静水压强的两个重要的特性和等压面的性质。
2、掌握静水压强基本公式和物理意义,会用基本公式进行静水压强计算。
3、掌握静水压强的单位和三种表示方法;理解位置水头、压强水头和测管水
教学目标 头的物理意义和几何意义。
4、会画静水压强分布图,并熟练应用图解法计算作用在平面上的静水总压力。
5、会正确绘制压力体剖面图
重点:1、静水压强的两个特性及有关基本概念。
2、重力作用下静水压强基本公式和物理意义。
3、静水压强的表示和计算。
教学重点4、静水压强分布图和平面上的静水总压力的计算。 与难点
5、压力体的构成和绘制。
难点:1、静水压强的表示
2、压力体的构成和绘制
3、静水压强分布图和平面上的静水总压力的计算
教学时 教学内容 活动 间
老师 第一节 静水压强的基本规律 提问 2
一、静水压强及其特性 学生学2静止液体作用在单位受压面积上的压力称为静水压强,单位为(N/ m),也 思考 时 称为帕斯卡(P)。某点的静水压强p可表示为: a Fp, A 静水压强有两个重要特性:(1)静水压强的方向垂直并且指向受压面;(2)
静止液体内任一点沿各方向上静水压强的大小都相等,或者说每一点的静水压强主 仅是该点坐标的函数,与受压面的方向无关。这两个特性是计算任意点静水压强、
绘制静水压强分布图和计算平面与曲面上静水总压力的理论基础。 体 课 程
A A
B B
二、静水压强基本规律
(一)等压面
液体中由压强相等的各点所构成的面(可以是平面或曲面)称为等压面,静
例举 止液体的自由表面就是等压面。
提问 注意: (1) 静止液体质量力仅为重力时,等压面必定是水平面; (2)平衡液
体与大气相接触的自由表面为等压面; (3)不同液体的交界面也是等压面。
重力作用下的静水压强基本公式
重力作用下的静水压强基本公式(水静力学基本公式)为
p=p+γh 0
式中:p—液体自由表面上的压强,h—测压点在自由面以下的淹没深度,γ—液02学
体的容重。 时
该式表明:静止液体内任一点的静水压强由两部分组成,一部分是液体表面
压强p ,它将等值地传递到液体内每一点;另一部分是高度为h的液柱产生的0
压强γh 。
对比
讲解 (二)绝对压强、相对压强和真空压强
1、以设想完全没有大气存在的绝对真空为零计量的压强称为绝对压强p,,即
p,= p+γh a 2、以当地大气压作为零点计量的压强是相对压强p即 ,
p= p,- pa
3、当液体中某点的绝对压强小于当地大气压强,该点的相对压强为负值,则称该 点存在真空。负压的绝对值称为真空压强h,即 υ pp,p'p,ah,,,,, (2,,,
—8) 注意:绝对压强永远是正值,相对压强可正也可负,真空压强(真空度)不能为
负值。
22压强的计量单位表示有三种:(1)用应力单位表示:N /m(P)或kN /ma 2(kP);(2)用大气压的倍数表示:即p =98kN /m,用p的倍数表示;(3)用aaa
液柱高度:米水柱高度(mHO)或毫米水银柱高度(mmHg)。 2
水头和单位势能
重力作用下静水压强基本公式可表示为: p p=p+γ(z-z) 或 z+ = c (2—9) 00, 水力学中习惯用“水头”来称呼这些具有能量意义的长度量,即z称为位置 p水头(即单位重量液体具有的位置势能), 称为压强水头(单位重量液体具有的 ,pz, ,压强势能),而( )称为测压管水头(表示单位重量液体具有的总势能)。
因此,水静力学基本方程也可表述为:静止液体中各点的测压管水头是常数。 该方程反映了静止液体中的能量分布规律。
三、压强的测量和计算
测量液体的压强,可以用压力表(机械式压强量测仪表)、压力传感器(电测讲解 方法)等量测仪器,也可以用水静力学原理设计的测压管、比压计、U型水银测练习
压计等量测仪器和方法。
第二节 静水压强分布图
一、 压强分布图的绘制
静水压强分布图可以形象地反映受压面平上的压强分布情况,并能据此计算 矩形平面上的静水总压力。
,hhP P
HH
L ,HL,HeL/3
h ,hHH
h
,(H,h),H
二、作用在平面上静水总压力 (一)用压强分布图求矩形平面上的静水总压力 讲解 适用条件:受压面为矩形平面。 练习
1、静水压力的大小
F=Sb F——静水总压力;
S——压强分布图的面积;
b——受压面的宽度
2、静水总压力的方向 静水总压力的方向垂直指向该平面。
3、静水总压力的作用点
压强分布图形为:矩形:作用在L/2处;
三角形:作用在e=H/3处; 2h,hL12 梯形:作用在 e, 3h,h12
例题:如图所示矩形平板闸门AB宽b=3m,门重G=9800N,α=60?,h1 =1m,
h2=1.73m。试求:下游无水时作用在闸门上的静水总压力P。
解:(1)用压力图法求P
1.73ABLm,,,2.0 ,sin60
静水总压力为:
1PbAKN,,,,,,,,,,32.732109.66 P
2 2学
时
h1
Th2
h3
讲解
练习 三、作用在曲面上的静水总压力 作用于曲面上任意点的相对的静水压强,其大小仍等于该点的淹没深度乘以液
体的单位体积的重量,其方向也是垂直指向作用面。
压力体应由下列周界面所围成: 1(受压曲面本身;
2(液面或液面的延长面;
3(通过曲面的四个边缘向液面或液面的延长面所作的铅垂平面。
有
液 A
体
a
无
液
A
体
求作用在曲面上的静水总压力P,可先求出其水平分力P和铅垂分力P,然xz
后合成为总压力P 。 (1)静水总压力的水平分力P等于作用在该曲面的铅垂投影面A上的静水总压xx 力,即 P= pA= γh A x cx cx2学(2)静水总压力的铅垂分力P等于曲面所托压力体的水重。 z时
这时静水总压力的铅垂分力P为 z
P=γV z
(3)作用在曲面上的静水总压力P为
22P,P,Pxz
总压力与水平方向的夹角α为
Pz ,arctg,P x
第三节 动水总压力的计算
水在流动状态下所产生的压力叫动水压力,用F表示。
一、动水压强的分布规律
(一)均匀流过水断面上动水压强的分别规律
均匀流上只有压力和重力,受力情况与静水时的受力情况相同,所以,在均匀流过水断面上各点动水压强的变化规律也和静水压强的变化规律相同,即
p z,,C,
(二)渐变流的动水压强分别规律
由于渐变流流线弯曲很小,故渐变流各流线之间近似为平行直线,因此,渐变流过水断面上动水压强的分布规律近似地与静水压强的分布规律相同。 二、动水总压力的计算
例题讲解:
作业及思 2-1、2-2、2-2、2-14、2-16、2-17 考
通过概念、例题的讲解和多媒体演示,把很多知识点讲解的很清楚,一目了然,但课后分对于压强分布图的绘制这个知识点在黑板上讲解,效果较好。 析:
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板书与多媒体课课程名称 水力学 教学方法 授课学时 14学时 件相结合 班 级 教学形式 讲 授 时 间
第三章 水流运动的基本原理 教学章节 班 级
1、 恒定流的连续性方程
2、 恒定流的能量方程
教学目标 3、 恒定流的动量方程
4、 水头损失及其计算
5、 重点:1、恒定流的连续性方程
2、恒定流的能量方程
3、层流与紊流的判别 教学重点
与难点 4、水头损失的计算
难点:1、恒定流的能量方程
2、水头损失的计算
教学时 教学内容 活动 间
第一节 恒定流的连续性方程
一、液体运动的基本概念
引入11.流线的特点:反映液体运动趋势的图线 。 概念 学
流线的性质:流线不能相交;流线不能转折。 时
2 .流动的分类: ,
,主 体 ,,非恒定流,液流课
均匀流:过水断面上,程 , ,, 渐变流,,,非均匀流恒定流 ,急变流
3(系统的概念
包含固定质量的无限多个液体质点的集合称为系统。 4(质量守恒原理
在运动过程中,任何时刻的质量都等于同一个常数。
二、恒定流的连续性方程
由于Q=vA
A= v A=Qv 1122 ,
Av12 ,所以 Av21
连续性方程表明:在恒定流条件下,通过各个断面上的流量是相当的。反映 了恒定水流的过水面积与断面平均流速之间的变化规律。 当有分流时,方程可表示为:
Q,Q,Q12
三、例题讲解与练习
3 例3-1、
边讲学 学会将明渠公式推导为管流的连续性方程。 边练 时
例3-2、
学会运用分流与总流的计算公式。
例3-3、
学会对梯形过水断面面积的计算。
1 第二节 恒定流的能量方程
学一、概念
时 1.功
设作用在液流系统上的力为F,某一时段内系统在力的方向上的位移为S, 则功为:
W = F S
W——功,J
2.动能
某液流系统的质量为m,速度为v,则动能为:
1 2Emv,K 2
3.动能定理
液流系统在某一时段内动能的增量,等于作用于该物体上的全部外力所作用 的功,即
W,,E,K
二、恒定流的能量方程
1(恒定流的能量方程为:
取元 22pvpv,,流隔 111222z,,,z,,,hw12离体 2g2g,, 推导
公式 ,,12注:为便于计算,对于均匀流或一般渐变流,取动能修正系数 = =1.0
上式表明:实际水流上游断面的单位总机械能总是大于下游断面的单位总机
械能的,即E1>E2
该方程反映了单位重量水体在运动过程中能量守恒与转化的规律。
2. 能量方程的物理意义和几何意义 试验11)物理意义 插图学
对比时 z——单位位能
2讲解 v/2g——单位动能
p/,——单位压能 z+p/ ,——单位势能
z+p/ ,+ v2/2g——总机械能
hw为单位重量的液体从断面1-1流到2-2过程中由于克服流动的阻力作功而消耗
的机械能。这部分机械能转化为热能而损失,因此称为水头损失。
2)几何意义 z:位置水头
p/,:压强水头
v2/2g:流速水头
z+p/ , :测压管水头 z+p/ ,+ v2/2g :总水头
三、补充: 量纲、单位
(一)、量纲:表示物理量的特征。
在科学文献中,一般用〔〕符号来表示量纲。
(二)、量纲的分类:基本量纲和导出量纲。
1、基本量纲:
如〔L〕、〔T〕和〔M〕是相互独立的。 2、导出量纲:其它物理量的量纲可以由基本量纲推导出来。
200 如:面积〔A〕=〔LTM〕
1-10 速度〔V〕=〔LTM〕
(三)、单位:表征物理量的大小。
国际单位制(SI):米、秒、公斤。
四、能量(伯诺利)方程的应用条件及步骤
1(一)应用条件
学1.流体必须是均质、不可压缩的恒定流; 时 2.作用于流体上的质量力只有重力,流体流动边界是静止的,除了流动损失的能图片 量以外,在两个断面之间没有能量输入或输出; 展示
几组 3.所取计算断面应为渐变流断面或均匀流断面;
渐变 (二)应用步骤
流断 1、选择断面:一般取在边界比较平直和需要求解问题的地方; 面 2、选择代表点:明渠(水面)、压力管流(管轴线);
3、选择基准面:常选择两代表点中位置低的点之下或与该点重合;
4、代入能量方程求解待求未知量。
五、能量(伯诺利)方程应用举例 边讲3例题3-5、 边练 学
时 注意代表点与基准面的选取
例题3-6、
注意水流方向总是从能量大的流向能量小的; 例题3-7、
3-3 恒定总流的动量方程
概念1一、几个有关的物理力学概念
讲解 学
时 1、动量
某液流系统的质量为m,速度为v,其动量为:
P,mv K
动量—— 为液流的系统的动量,是矢量,其方向与速度方向相同。 PK 2、动量定律
单位时间内物体的动量变化等于作用于此物体的外力的合力。
mv,mv21 F,,t
二、恒定总流动量方程 1、恒定总流动量方程:
,,, ,,F,Q,,,,,,, 221
在均匀流或一般的渐变流中,取动量修正系数β=1.02~1.05。
注意: 动量是一矢量,当不在坐标轴上时应分界到坐标轴上,且与坐标轴方 向一致取正,反之取负方向。 2、动量方程的应用条件与步骤
(1)条件:
1)水流必须是均质、不可压缩的恒定流; 2)断面选择必须是均匀流或渐变流断面,当两断面之间可以存在急变流。 (2)应用步骤:
1)取脱离体;
2)作计算简图:受力分析 3)选取坐标系 4)代入动量方程求解未知数。
(3)注意问题
1)流速和力矢量的投影带正负号; 2)用流出动量减去流入动量; 3)正确分析作用在水体上的力;
4)未知力的方向可以任意假设,计算结果为正表示假设正确,否则假设方向与
实际相反。
三、动量方程应用举例: 边讲3(一)水流对弯管段的作用力 边练 学
例题3-10 时
(二) 水流对渐变管段的冲击力
例题3-11
(三)射流对固定表面的作用力
例题3-12
作业及思 3-1、3-2、3-5、3-6、3-11 考
通过多媒体讲解演示概念,黑板板书例题的讲解,这样结合能使学生掌握计算方法
课后分和步骤。
析:
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板书与多媒体课课程名称 水力学 教学方法 授课学时 10学时 件相结合 班 级 教学形式 讲 授 时 间
第四章 恒定明渠水流 教学章节 班 级
1、明渠均匀水流
教学目标 2、明渠均匀水流的两种流态及判别
3、水跃和水跌
重点:1、明渠均匀流的几个基本概念
2、渠道允许流速
3、渠道的水力最佳断面问题 教学重点
与难点 4、明渠均匀流的水力计算
难点:1、明渠均匀流的几个基本概念
2、明渠均匀流的水力计算
教学时 教学内容 活动 间
引入 明渠水流:具有与大气接触的自由表面的水流,称为明渠水流。
概念 明渠水流的分类: , 2
学
, 时
,,非恒定流 ,液流 均匀流:过水断面上,, 主 ,,渐变流,,体 ,非均匀流恒定流,急变流课 程
第一节 明渠均匀流
一、人工渠道的几个基本概念
(一)、明渠底坡与横断面
1、明渠底坡 明渠单位流程长度上渠底高程的降落值称为明渠的底坡,用i表示。
,z i,,tg, l
由于,很小,sin,,tg,
实际工程中,一般渠道的底坡角θ<6º,即i<1/10,称为小底坡明渠。 渠道底坡可分为: 正坡:渠底沿程降低 i>0
平坡:渠底沿程水平 i=0
负坡:渠底沿程升高 i<0
2、明渠横断面类型及水力要素的计算公式 边讲 常见的断面有梯形断面、矩形断面、U形断面以及圆形断面等。 边练 1、梯形断面: 过水断面面积: A=(b+mh)h
B=b+2mh
边坡系数m=ctgφ
边坡系数(m):边坡线长度的水平投影与铅直投影之比。
湿周和水力半径:
2 ,,b,21,mh
A(b,mh)hR,, 2,b,21,mh
让学生列出矩形、圆形水力要素计算公式
2、矩形断面
AbhA,bh R,,,,b,2h ,b,2h
4、圆形断面
2,dAd ,AR,,4,4
二、明渠均匀流的条件与特征 (一)基本特性 (1)总水头线坡度(水力坡度)J、测管水头线坡度 (水面坡度)JP和渠道底坡i彼此相等。
即 J,J,ip
(2)过水断面的形状和尺寸沿程不变。 (3)过水断面的实际流速分布沿程不变。
(二)产生条件
? 恒定流,Q沿程不变;
? n沿程不变; ? 没有建筑物;
? i>0(顺坡)
?渠道必须是底坡沿程不变的长直棱柱体明渠。
若不满足上述任一条件,则产生恒定非均匀流。 三、明渠均匀流水力计算公式 谢才公式
V,CRi
Q,VA,ACRi,Ki,KJ
K,ACR
K——流量模数 2四、 明渠水力最佳断面和允许流速 学(一)渠道的允许流速问题 时
当水流速度过大时,会冲刷渠道,流速过小,又可能使渠道发生淤积,从而
影响渠道的过水能力。
所以, v应控制在一定范围内,即满足:
v" < v < vˊ (二)水力最佳断面
51概念 1113211A,i讲解 622 Q,ACRi,A,,R,R,i,,2 nn3,
水力最佳断面:当i、n、A一定时,湿周χ最小的断面能通过最大的流量。
注:A为定值,周长最小的几何图形为圆形。因此,在实际工程中选择圆管作为
压力输水管道。
梯形断面渠道水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。 水力最佳的矩形断面,即m=0 则:βh=2 b=2h
水力最佳断面仅从水力学观点来讨论,不一定是最经济的。经济最优还须从 地形条件、施工技术、工程造价以及运行 管理等方面进行综合
评价
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才确定。
五、明渠均匀流水力计算的基本问题
(一)、明渠均匀流的水力计算任务
1、校核渠道的输水能力 主要是对已有的渠道进行验算,由谢才公式:
,,Q,AcRi,fm,b,h,n,i
2、确定渠道的底坡
一般是已知 n、Q、m、b、h,求i 3、设计渠道的断面尺寸 边讲2
边练 学一般是已知 n、Q、m、i,求b、h(两个未知数,需要先假定一个值,然后进行
时 试算)
(二)、明渠均匀流水力计算举例
例题4-1 、例题4-2
4-2 明渠水流的两种流态及判别
2一、缓流、急流、临界流
学
,,临界流速V-----明渠水流在临界水深时的流速 k 时
二、缓流、急流、临界流的判别
1、波速法:
A c,g或c,ghB c——微波在静水中的传播速度,简称波速 2、“临界流速”法
VVV<缓流 =临界流 >急流 VVVccc 3、用弗劳德数来判别
vvv Fr,,, cghgA/B
<1缓流 =1临界流 >1急流 FFFrrr 4、根据临界水深来判别
2q3h, cg h,h缓流h,h急流h,h临界流 ccc
5、根据临界坡度来判别
g, c i,c2 CBcC
iii <缓流 >急流 =临界流 iiiccc
例题讲解 例题4-6 4~3水跌与水跃 一、水跃 2在泄水建筑物(泄水闸.桥等)的下游常常看到一种由水深较小的 学
时 急流转变为水深较大的缓流时的突然跃起的水流现象.
边讲
边练 饱含空气、乳白色、不透明 缓流
,,h急流 ,,图a ,h
这种由急流状态变成缓流的水流现象就叫做水跃.
水跃高度(跃高):跃后水深与跃前水深之差,即h"-hˊ
水跃长度(跃长):跃前断面与跃后断面之间的水平距离,即AA——CC之间的
距离 二、水跌 水跌------水流自缓流过度到急流的现象. 水跌现象常发生在渠道底坡突变的地方或溢流堰的堰顶上等处.
NN kk
h0hk N
k
N
三、当两段底坡不同渠道中的水面曲线联接时,产生下列情况:
〈1〉、由缓流向急流过渡时产生跌水。
〈2〉、由急流向缓流过渡时产生水跃。
〈3〉、由缓流向缓流过渡时只影响上游,下游仍为均匀流。
〈4〉、由急流向急流过渡时只影响下游,上游仍为均匀流。
〈5〉、临界底坡中的流动形态,视其相邻底坡的陡缓而定其急缓流。
如上游相邻底坡为缓坡,则视为缓流过度到缓流,只影响上游。
〈6〉、平底坡及逆坡均可视为缓坡。
作业及思 4-3、4-4、4-8、4-10、4-16 考
通过多媒体讲解演示概念,黑板板书例题的讲解,这样结合能使学生掌握计算方法
课后分和步骤。
析:
教研室任
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五家渠职业技术学校理论教学教案
NO:5
板书与多媒体课课程名称 水力学 教学方法 授课学时 12学时 件相结合
班 级 教学形式 讲 授 时 间
第五章 泄水建筑物的过水能力 教学章节 班 级
1、孔口、管嘴出流
教学目标 2、压力管道恒定流
3、堰流和闸孔出流
重点:1、孔口、管嘴出流的区别及计算
2、长管、短管的分类及计算
教学重点3、堰流、闸孔出流的区别及计算 与难点 难点:1、长管、短管的计算 2、堰流、闸孔出流的计算
教学时 教学内容 活动 间
5-1 孔口、管嘴出流 引入
(一)、 孔口出流 概念
薄壁孔口:在容器壁上开一小孔,壁的厚度对水流没有影响。孔壁与水 2
流只在一条曲线上接触。这种水流从容器壁上孔口流出的现象叫做孔口 学
出流。 时
由于惯性的作用,水流在出口后发生收缩现象,该过水断面称为收缩断
面,用Ac 表示,则收缩系数。
运用 Ac主 ,,图片 A体理解 课加深 程 记忆
H
c
d o o
c
(二)、 孔口出流的类型
1、大孔口出流与小孔口出流:
d 水头H不同,各点的出流情况也不同。根据 比值的大小把孔口分 H
为大孔口和小孔口两类。
d ,0.1小孔口: 小孔口上各点水头取同一数值 H
d ,0.1大孔口: 大孔口上各点水头不是同一数值 H
d——孔口直径;
H——容器孔口形心以上的水头。
2.完全收缩与不完全收缩
设孔口边缘距最近侧壁的距离为l ,根据l 的大小可分为:
l,0完全收缩:当同时满足l,0、时称为完全收缩。 12
不完全收缩:当有一个或同时为零时,称为不完全收缩。
3、完善收缩与不完善收缩
完善收缩:当同时满足 、时称为完善收缩。 l,3bl,3b1122
不完善收缩:当有一个或同时满足 、称为不完善收缩。 l,3bl,3b1122
二、管嘴出流及其类型
(一)管嘴出流
1、概念:
当容器壁的厚度或在孔口上连接一段短管的长度为孔口尺寸的
3~4倍时叫管嘴。
2、特征:
(1)管嘴长度较短,忽略沿程水头损失。
(2)在过水断面尺寸相同的条件下,管嘴出流的过流能力大于孔口出
流的过流能力。(由于管内出现了高度为的真空,加大了作用0.75H0
综合 水头,增加了管嘴出流的能力。)
图标 (二)管嘴出流的类型
讲解 1) 圆柱形管嘴:又可分为外管嘴和内管嘴。 2) 圆锥形管嘴:
孔口及各类管嘴的形式及主要系数见表5-1 三、自由出流与淹没出流 自由出流:孔口或管嘴出流流入大气中时称为自由出流。 淹没出流:孔口或管嘴出流在液面以下时称为淹没出流。 四、孔口、管嘴出流过流能力计算的基本公式 (一)自由出流的基本公式
Q,AV,,A2gH
(二)淹没出流的基本公式
Q,AV,,A2gS 0 例题5-1讲解
学会流量系数查询
5-2 压力管道恒定流 一、管道的分类 2
学按局部水头损失与流速水头之和在沿程水头损失中所占比例的大小,
重点 时 将管道分为: 长管:指管路的总水头损失中,局部水头损失占沿程水头损失的5% 以下。。
短管:指管路的总水头损失中,局部水头损失占沿程水头损失的5%
以上。 如:水泵的吸水管、虹吸管。 二、短管的水力计算
1、自由出流
Q,,A2gHc 2、淹没出流
Q= ,,A2gHc 4、短管水力计算实例 虹吸管的工作原理:
先对管内进行抽气,使管内形成一定的真空,在内外压强差的作用 下,使水流由压强大的地方流向压强小的地方。
例题5-2
掌握虹吸管的水力计算任务 三、长管的水力计算 2(一)长管水力计算的基本公式 学
时 2Q S,l2K S——长管的作用水头,自由出流时S=H,淹没出流时S=Z; 概念 K——流量模数 讲解 (二)长管水力计算的任务 1、已知管径d、管长l、作用水头S及管道糙率n,求流量Q。
2.667dS Q,0.311nl 2、已知管径d、管长l、管道糙率n及流量Q,求作用水头S。
2 22Qnl 学S,10.35.333d 时 3、已知流量Q、作用水头S、管长l,求管径d。
0.375,,d,1.549nK (三)长管的计算例题
例题5-5
5(3堰流与闸孔出流 一、定义:
如果具有自由水面的明渠缓流被障壁所阻,则壁前水位壅高,水流通过2经壁顶溢出,这种建筑物统称为堰。 图片学
水经障壁的顶边或缺口溢流的水流现象,称为堰流。 帮助时 二、分类: 理解 1、按堰壁的剖面可分为三种类型: ? 薄壁堰:
H
,
, ,0.67H ? 实用堰:水头损失最小
, 0.67,,2.5 H
H
,
? 宽顶堰:
, 2.5,,10 H
H
, 2、按堰壁的切口形状分:
? 矩形堰Q ? 梯形堰Q 12
? 三角形堰 Q3
在同样水深条件下:Q3,Q1,Q2 三、堰流的基本公式
33,,222,, ,,Q,b2gHH 21,,3,, 薄壁堰的流量公式:
3 2 Q,mb2gH 三角形堰流量公式:
2.47 Q,1.343H 梯形堰流量公式:
1.5 Q,1.856bH 四、矩形薄壁堰流计算例题 边讲
例题5-6 边练 五、闸孔出流的水力计算 (一)、闸孔出流的类型 1、闸孔出流的分类 通过2(1)、平顶坎、平面闸门闸孔出流; 图片学(2)、平顶坎、弧形闸门闸孔出流; 帮助时 (3)、曲线底坎、平面闸门闸孔出流 理解 (4)、曲线底坎、弧线闸门闸孔出流 2、闸孔自由出流与闸孔淹没出流
当闸孔的下游水位升高到影响闸孔的过流能力时称为闸孔淹没出 流;否则称为闸孔自由出流。 (二)闸孔出流的水力计算公式
Q,,Be2gH 0
,——流量系数 (三)闸孔出流的水力计算 1、平顶坎闸孔出流的水力计算 (1)平面闸门的流量系数
0.264 ,0.352,,e/H 2.718
(2)弧形闸门的流量系数
ee 当cosθ=0~0.3时, ,,0.6,0.176,(0.15,0.2)cos, HH
ee 当cosθ=0.3~0.7时, ,,0.545,0.136,0.334(1,)cos, HH
2、曲线底坎闸孔出流的水力计算 (1)平面闸孔的流量系数
ee ,,0.65,0.186,(0.25,0.375)cos, HH
(2)弧形闸门的流量系数
e ,0.685,0.19 , H
(3)淹没条件及其过流能力计算
?淹没条件: h,0s
Q,,Be2g(H,h)?淹没出流过流能力的计算: 0s
例题:5-10
让学生学会通过已知条件选择流量系数计算公式
作业及思 5-2、5-6、5-8、5-12、 考
本章主要以公式运用为主,在黑板上讲解例题,这样能使学生掌握计算方法和步骤。
课后分
析:
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