水力学:含练习册

第一章 绪论 1

第一节 液体的连续介质假设 4

第二节 液体的主要物理性质 5

第三节 作用在液体上的力 14

附本章例题详解 16

第二章 水静力学 17

第一节 静水压强的特性 17

第二节 液体平衡微分方程 19

第三节 重力作用下静水压强的基本方程 22

第四节 作用在平面壁上的静水总压力 28

第五节 作用在*面壁上的静水总压力 33

附本章例题详解 36

第三章 水动力学基础 37

第一节 液体运动的基本概念 38

第二节总流连续性方程 41

第三节 理想液体的运动微分方程 42

第四节 理想液体的元流能量方程 43

第五节 实际液体的总流能量方程 47

第六节 总流动量方程 54

附本章例题详解 58

第四章 流动形态及水头损失 59

第一节 液体运动的两种形态——层流和紊流 60

第二节 均匀流基本方程及沿程水头损失通用公式 63

第三节 圆管中的层流运动 65

第四节 紊流特征 67

第五节 紊流沿程阻力系数 72

第六节 局部水头损失 80

第七节 短管的水力计算 83

附本章例题详解 87

第五章 明渠恒定均匀流 88

第一节 概述 89

第二节明渠均匀流的水力特性和基本公式 92

第三节梯形渠道的水力*佳断面 94

第四节梯形断面明渠均匀流的水力计算 95

第五节复式断面明渠均匀流的水力计算 100

附本章例题详解 103

第六章明渠恒定非均匀流 104

第一节概述 104

第二节断面比能与临界水深 105

第三节明渠中三种水流状态的判别 111

第四节跌水与水跃 114

第五节棱柱形渠道明渠渐变流的基本微分方程式 119

第六节棱柱形渠道明渠渐变流水面*线的定性分析 120

第七节 明渠渐变流水面*线的定量计算（分段求和法） 123

第八节 明渠渐变流水面*线的衔接 128

附本章例题详解 131

第七章 堰闸出流与衔接消能 132

第一节 堰流的类型及流量公式 132

第二节 薄壁堰流和实用断面堰流 135

第三节 宽顶堰流 140

第四节 闸孔出流 147

第五节 泄水建筑物下游的消能 153

附本章例题详解 157

第八章 渗流 158

第一节 渗流达西定律 159

第二节 无压恒定渐变渗流的浸润*线 163

第三节 水平不透水层上均质土坝的渗流计算 169

附本章例题详解 174

参考文献 175

附录一 管道及明渠各种局部水头损失系数 177

附录二 各章例题 Excel计算表格与迭代程序 183

附录三 关于课程思政元素融入教学的思考 187

第一章 绪论

 水是生命之源，生产之要，生态之基。水，滋润大地，滋养万物。水作为水力学的研究介质，其应用之广泛，渗透到人类生产生活的各个方面。

 一、水力学的概念、任务及其在工程中的作用

 在日常的学习中，我们常常会听到两个发音完全相同的名词——水力学与水利学。但这是两个完全不同的概念，在学习中常常写错。水利学，也称水利经济学。是研究水利事业各种经济关系和经济活动规律的科学，属于经济管理的范畴。

 水力学则是研究液体的平衡和机械运动规律及其实际应用的一门学科。液体的种类很多，如水、酒精、水银、石油等，但工程中昀为常见的液体是水，所以前人就将水作为液体的代表，故称为水力学。

 水力学是人类在不断的实践中逐步发展起来的一门技术科学，是力学的一个分支。水力学所研究的基本规律有两大主要组成部分。一是关于液体平衡的规律，研究液体处于平衡状态时（液体质点之间无相对运动），作用于液体上的各种力之间的关系，这一部分称为水静力学；二是关于液体运动的规律，研究液体在运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关系，以及液体的运动特征与能量转换等，这一部分称为水动力学。教材的前四章是水力学的理论基础，后四章是水力学理论在工程实践中的具体应用。

 水力学是水土保持与荒漠化防治专业重要的技术基础课之一。研究土壤侵蚀机理需要用到水力学，开展水土保持工程设计需要用到水力学，编制水土保持方案需要用到水力学，可以说水力学是水土保持专业其他专业课程学习的基础。水力学在水土保持中的主要任务，是研究水流与边界（固体边界，如径流下垫面，沟岸、河岸边界等；液 -液交界面，如两种不同液体交界面；液 -气交界面，如大气与水体的交界面）的相互作用，分析在各种相互作用条件下所形成的各种水流现象和边界上的各种力的作用，为水土流失机理研究，以及水土保持工程的勘测、设计、施工等方面提供科学的水力学依据。水力学也是对水土保持工程设计进行水力分析和水力计算的理论基础。

 水力学在水土保持中的应用主要可以概况为以下方面：①确定水工建筑物的水力荷载；②确定水工建筑物的过水能力；③分析水流的流动形态；④确定水流的能量损失和利用。具体应用这里不展开论述，在接下来的各章学习中贯穿讲解。

 二、水力学发展简史

 水力学作为学科而诞生，始于水静力学。公元前 400多年，中国墨翟在《墨经》中已有了浮力与排液体积之间关系的设想。公元前 250年，阿基米德（Archimedes）在《论浮体》一书中，阐明了浮体和潜体的有效重力计算方法。1586年，荷兰数学家斯泰芬（Stevin）提出水静力学方程。十七世纪中叶，法国学者帕斯卡（Pascal）提出液压等值传递的帕斯卡原理。至此，水静力学已初具雏形。

 水动力学的发展是与水利工程兴建相联系的。春秋时期（公元前 613—前 591年），楚国令尹孙叔敖组织人力修建了我国**座水库——芍陂；公元前三世纪末，秦国修建了规模巨大的都江堰、灵渠和郑国渠；汉初，人们已能利用山溪水流作动力；公元 1316年，我国劳动人民就利用孔口出流原理设计制造了世界上昀早的计时工具——铜壶滴漏。在长期的劳动实践中，我国古代人民总结了大量治水经验，并编撰成书和图册，如《山海经》《水经注》《河防通议》等；此后在历代防洪及航运工程上积累了丰富的经验。

 但是液体流动的知识，在中国相当长的时间内，在欧洲直至 15世纪以前，都被认为是一种技艺，而未发展为一门学科。文艺复兴时期，意大利人莱昂纳多？达？芬奇（Leonardo di ser Piero da Vinci）在实验水力学方面取得巨大的进展；他用悬浮砂粒在玻璃槽中观察水流现象，描述了波浪运动、管中水流，以及波的传播、反射和干涉。

 十八世纪初叶，**水动力学有了迅速的发展。莱昂哈德？欧拉（Leonhard Euler）和丹尼尔？伯努利（Daniel Bernoulli）是这一领域中杰出的先驱者。十八世纪末和整个十九世纪，形成了两个相互*立的研究方向。一个是主要依靠实验手段和总结治水经验而建立起来的实验水力学；谢才（Chézy）、达西（Darcy）、巴赞（Bazin）、曼宁（Manning）等在实验水力学方面进行了大量的实验研究，提出了许多实用的经验公式。另一个是在古典力学的基础上，运用严格的数学工具描述流体运动普遍规律的古典水动力学（理论水力学），牛顿（Newton）、欧拉（Euler）、开尔文（Kelvin）、斯托克斯（Stokes）、兰姆（Lamb）等的工作使理论水平达到相当的高度。前者由于理论指导不足，其成果往往有局限性；后者或由于推理中的某些假设与实际不尽相符，或由于求解中的数学困难，尚难以解决各种实际问题。因此，理论与实践相结合，改变实验水力学与古典水动力学相互脱节的状况，是水力学发展的必然趋势。

 十九世纪末，流体力学的发展扭转了研究工作中的经验主义倾向，这些发展包括：雷诺（Reynolds）理论及实验研究，雷诺的因次分析，弗劳德（Froude）的船舶模型实验，以及空气动力学的迅速发展。二十世纪初的重要突破是普朗特（Prandtl）的边界层理论，它把无黏性理论和黏性理论在边界层概念的基础上联系起来。

 二十世纪蓬勃发展的经济建设提出了越来越复杂的水力学问题：高浓度泥沙河流的治理；高水头水力发电的开发；输油干管的敷设；采油平台的建造；河流、湖泊、海港污染的防治等。这些问题使水力学的研究方向不断发展，从定床水力学转向动床水力学；从单相流动到多相流动；从牛顿液体规律到非牛顿液体规律；从流速分布到温度和污染物浓度分布；从一般水流到产生掺气、气蚀而引起振动的高速水流。以电子计算机应用为主要手段的计算水力学也得到了相应的发展。水力学作为一门以实用为目的的学科逐渐与流体力学合流。

 从以上的论述，水力学的发展大致可以划分为四个阶段。**阶段（16世纪以前）为水力学形成的萌芽阶段；第二阶段（16世纪文艺复兴以后— 18世纪中叶）是水力学成为一门*立学科的基础阶段；第三阶段（18世纪中叶— 19世纪末）是水力学蓬勃发展的深入阶段；第四阶段（19世纪末以来）是水力学的飞速发展阶段。

 三、水力学课程特点和学习方法

 水力学是一门专业技术基础课，介于基础课和专业课之间，一方面根据基础科学中普遍规律，结合水流的特点，建立自己的理论基础；另一方面又联系工程实际，发展学科内容。

 （一）水力学课程特点

 从学习的角度来看，水力学课程有以下特点。

 （1）理论性水力学是以**力学的普遍规律为基础，结合液体的力学特性发展起来的力学分支学科。自 18世纪以后，水力学得到较快的发展，形成了完整的理论体系，建立了控制液体运动的基本方程（如静水压强基本方程、连续性方程、伯努利能量方程、动量方程），这些基本方程构成水力学课程的理论框架。

 学习水力学，要把课程的理论性放在*位，以基本方程为纲，认真复习高等数学和工程力学相关课程，才能打好理论基础。

 （2）与实验相结合水力学是从直接观察水流现象，依靠实验总结经验公式，随着认识的深入，从经验上升到理论，从而发展为现代水力学的。在水力学发展的历史上，一些著名的基础性实验，如雷诺实验、尼古拉兹（Nikuradse）实验、达西渗流实验等，为揭示流动阻力和渗流的规律奠定了基础。学习水力学课程，特别要注意理论与实验相结合，能够根据所学的理论知识解释实验现象，通过实验来验证所学的理论知识。水力学实验可以起到理论教学无法替代的作用，可以直观演示水流现象，如层流和紊流；可以验证抽象的理论，如水头损失。这样变抽象为直观，变复杂为简单。

 （3）实用性随着科学技术的发展，水力学已经广泛应用于工程技术的各个领域，如水利、土木、环保、化工、机械等；也是水土保持与荒漠化防治专业研究土壤侵蚀原理、淤地坝工程建设、截排水工程设计的技术依据。学习水力学课程，应注重理论联系实际，学以致用。在加强水力学课程实验教学的过程中，将各类水流运动的基本规律与实际工程有机地联系起来，真正做到将所学知识准确地运用到实际工程当中去。

 （二）水力学学习方法

 学好水力学的前提，是要认真阅读教材。阅读教材是学习之本，学生应当把大部分学习时间用于研读教材上，离开认真读书谈学习方法是没有任何意义的。在认真阅读教材的基础上，要学好水力学，还应做好以下几点。

 （1）认真复习高等数学、工程力学水力学是以数学和工程力学为基础的力学分支。学习水力学，必须认真复习高等数学、工程力学的知识，这是深刻理解水力学概念、推导公式的基础。

 （2）理解教材的思路、概念、基本公式水力学课程具有概念多、公式多、引用实验多的特点，阅读教材要注重本章问题的提出和解决问题的思路，明确不同概念的含义，概念之间的区别和联系，基本公式的导出和应用条件，以及基础实验所说明的问题。

 （3）做好读书笔记做笔记对于巩固学到的知识、提高自学能力，大有裨益。做笔记不是抄书，而是按自己的思路，用简要的文字或符号，将所学的重要概念、分析问题的理论根据、重要公式的推导及某些疑难问题加以归纳和条理化，巩固所学、为己所用。

 （4）完成课后作业做习题是理解概念、巩固所学知识的必要手段。做习题是学习水力学课程不可缺少的环节，即使是阅读教材无困难、书上的例题都能看懂的学生，也要认真做习题，否则很难学好本课程。

 （5）努力做好水力学实验，认真完成实验报告实验教学是教学过程中的重要环节，通过水力学实验，一方面验证水力学理论的正确性；另一方面将理论和实践有机结合，在实验中发现问题，通过所学理论解决问题，在实验操作过程中，培养学生的动手能力、创新思维和解决问题的能力。实验教学和理论教学要相互配合、相辅相成、相互促进。

 **节 液体的连续介质假设

 液体是由大量分子所组成的。分子之间真空区的尺度远大于分子本身。由于每个分子都在无休止地做不规则的热运动，相互间经常发生碰撞，因此，液体的微观结构和运动，无论在时间上或空间上，都充满着不均匀性、离散性和随机性。但是，组成液体的分子，体积极小，数量极多，如在标准状态下， 1cm3的水约有 3.34.1022个水分子，相邻分子间的间距约为 3×10－8cm。如此众多而密集的分子，各自做极不规则的随机运动，彼此间必将它们所携带的能量和动量进行充分交换，因而人们用一般仪器所测量到的，或用肉眼所观察到的仅仅是液体的宏观运动，亦即上述微观运动的统计平均状况，这种宏观运动明显呈现出均匀性、连续性和确定性。因此，微观运动的不均匀性、离散性和随机性，与宏观运动的均匀性、连续性和确定性，是液体运动的两个重要侧面。

 一般实际工程中的水流运动，无论是地表水或地下水，明渠流或有压管流，所涉及的特征尺度及特征时间，与分子间距及碰撞时间相比，是大得不可比拟的。个别分子的行为，几乎不影响大量分子统计平均后的宏观物理量（如质量、速度、压力等）。因此，在考虑液体的宏观运动时，不必直接考虑液体的分子结构，而可采用连续介质这一近似的物理模型，即认为真实液体所占有的空间，完全由液体质点所充满着，质点之间毫无孔隙。质点所具有的物理量，满足一切应该遵循的物理定律，如万有引力定律、牛顿三定律、质量和能量守恒定律等，但液体的某些物理常数还必须由实验来确定。

 所谓“液体质点”，是指微观上充分大而宏观上又充分小的分子团。一方面，分子团的尺寸应该远远大于分子运动的尺度，使其包含大量分子，对其进行统计平均后，能得到稳定的数值，少数分子出入分子团，不致影响此稳定的平均值。另一方面，又要求分子团的尺寸远远小于所研究问题的特征尺度，使得分子团的平均物理量可看成是均匀不变的，因而可把它近似地看成是几何上没有维度的一个点。

……

全书共分8章。前四章主要讲授水力学基础知识和基本理论，包括水静力学、水动力学基础、水流形态及水头损失；后四章主要讲授水力学的工程应用，包括明渠恒定均匀流、明渠恒定非均匀流、堰流及泄水建筑物下游的消能、渗流。书后附有一定数量的思考题和习题，以巩固和加深对内容的理解。此次修订将”课程思政”中的爱国主义教育、立德树人、科学家精神和工匠精神融入教材；为适应学时减少的要求，在满足专业要求的情况，教材内容适当精简；为适应培养工程师的要求，加强计算机应用能力、手工计算和图解能力培养方面的内容；为培养动手能力，增加实验测量技术的知识；培养综合分析能力，编入水土保持工程、生产建设项目水土保持等工程实际案例。