水力學(xué)簡答和名詞解釋題總結(jié)基本概念1.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是水力學(xué)中一個重要的基本假設(shè)。它將液體視為由無數(shù)個連續(xù)分布的流體質(zhì)點所組成的連續(xù)介質(zhì)。這意味著在研究液體的宏觀運動時，不考慮液體分子間的間隙和分子的微觀運動，認為液體的物理性質(zhì)（如密度、速度、壓強等）在空間上是連續(xù)分布的?；谶@個假設(shè)，我們可以使用數(shù)學(xué)分析中的連續(xù)函數(shù)來描述液體的運動和力學(xué)性質(zhì)，從而大大簡化了水力學(xué)問題的研究和求解。例如，在描述液體中某一點的流速時，我們可以將其看作是該點附近一個微小體積內(nèi)流體質(zhì)點的平均流速，而不需要考慮單個分子的運動速度。2.理想液體理想液體是一種理想化的模型。它是指沒有黏性的液體。在實際液體中，黏性是液體抵抗流動變形的一種性質(zhì)，會導(dǎo)致液體在流動過程中產(chǎn)生能量損失。而理想液體由于沒有黏性，在流動過程中不會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，也就不會有能量的耗散。雖然實際中并不存在理想液體，但在很多情況下，當(dāng)黏性對流動的影響較小，或者我們主要關(guān)注液體的宏觀運動規(guī)律時，可以將實際液體近似看作理想液體來進行分析和計算。例如，在研究一些大尺度、流速較快的水流運動時，黏性的影響相對較小，使用理想液體模型可以使問題的分析和求解更加簡便。3.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律描述了液體黏性的基本規(guī)律。其表達式為$\tau=\mu\frac{du}{dy}$，其中$\tau$是切應(yīng)力，$\mu$是動力黏滯系數(shù)，$\frac{du}{dy}$是速度梯度。該定律表明，液體內(nèi)部的切應(yīng)力與速度梯度成正比，比例系數(shù)就是動力黏滯系數(shù)。速度梯度反映了液體相鄰兩層之間的相對運動速度，動力黏滯系數(shù)則是反映液體黏性大小的一個物理量，它與液體的種類和溫度有關(guān)。例如，水的動力黏滯系數(shù)隨溫度的升高而減小，這意味著溫度升高時水的黏性會降低，流動更加容易。流體靜力學(xué)1.靜水壓強及其特性靜水壓強是指液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，作用在單位面積上的力。它具有兩個重要特性：一是靜水壓強的方向總是垂直并指向作用面；二是靜止液體內(nèi)任一點處各個方向上的靜水壓強大小相等，與作用面的方位無關(guān)。這兩個特性可以通過簡單的實驗來驗證。例如，在一個裝滿水的容器中，在不同方向上放置一個小的測壓管，會發(fā)現(xiàn)測壓管中的液面高度是相同的，這就說明在同一點處各個方向上的靜水壓強是相等的。2.重力作用下靜水壓強的分布規(guī)律在重力作用下，靜止液體中任一點的靜水壓強可以用公式$p=p_0+\gammah$來表示，其中$p$是該點的靜水壓強，$p_0$是液面的壓強，$\gamma$是液體的重度，$h$是該點到液面的垂直距離。這個公式表明，靜止液體中某一點的靜水壓強等于液面壓強加上該點到液面的液柱重量所產(chǎn)生的壓強。從這個公式可以看出，靜水壓強隨深度的增加而線性增加。例如，在一個水池中，越靠近池底的地方，靜水壓強越大。3.等壓面及其性質(zhì)等壓面是指在靜止液體中，壓強相等的各點所組成的面。等壓面具有以下性質(zhì)：等壓面與質(zhì)量力正交；在連通的同一種靜止液體中，等壓面是水平面。等壓面的概念在水力學(xué)中非常重要，它可以幫助我們分析和計算液體中的壓強分布。例如，在U形管測壓計中，當(dāng)U形管內(nèi)裝有同一種液體且處于靜止?fàn)顟B(tài)時，U形管中同一水平面上的各點壓強相等，這就是等壓面性質(zhì)的應(yīng)用。流體動力學(xué)基礎(chǔ)1.流線和跡線流線是某一時刻在流場中畫出的一條空間曲線，在該時刻，曲線上各點的流速方向都與該曲線相切。流線是一個瞬時的概念，它反映了某一時刻流場中各點的流速方向。跡線則是流體質(zhì)點在一段時間內(nèi)的運動軌跡。流線和跡線是兩個不同的概念，但在恒定流中，流線和跡線是重合的。例如，在一個穩(wěn)定流動的河流中，我們可以通過在水面上撒一些輕質(zhì)顆粒，觀察顆粒的運動軌跡來近似得到跡線；而通過繪制某一時刻水流中各點的流速方向，可以得到流線。2.恒定流和非恒定流恒定流是指流場中各空間點上的運動要素（如流速、壓強等）不隨時間變化的流動。在恒定流中，流線的形狀和位置不隨時間改變，流體質(zhì)點的運動軌跡也不隨時間變化。非恒定流則是指流場中各空間點上的運動要素隨時間變化的流動。例如，水庫放水時，隨著水位的下降，水流的流速和壓強會發(fā)生變化，這就是非恒定流；而在一個穩(wěn)定運行的自來水管中，水流的流速和壓強基本不隨時間變化，屬于恒定流。3.一元流、二元流和三元流根據(jù)流場中運動要素與空間坐標的關(guān)系，可將流動分為一元流、二元流和三元流。一元流是指運動要素只與一個空間坐標有關(guān)的流動。例如，在等直徑的圓管中，若不考慮管壁的影響，水流的流速只與管軸方向的坐標有關(guān)，可近似看作一元流。二元流是指運動要素與兩個空間坐標有關(guān)的流動。例如，在一個寬度很大的矩形明渠中，忽略渠寬方向的邊界影響，水流的流速主要與渠長和水深方向的坐標有關(guān)，可看作二元流。三元流是指運動要素與三個空間坐標都有關(guān)的流動，大多數(shù)實際流動都屬于三元流，但由于三元流的分析和計算比較復(fù)雜，在很多情況下我們會將其簡化為一元流或二元流來處理。4.連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體體現(xiàn)。對于不可壓縮流體的一元恒定流，連續(xù)性方程的表達式為$A_1v_1=A_2v_2$，其中$A_1$和$A_2$分別是流管兩個過流斷面的面積，$v_1$和$v_2$分別是這兩個過流斷面上的平均流速。該方程表明，在不可壓縮流體的一元恒定流中，通過任意兩個過流斷面的流量相等。例如，在一個變直徑的管道中，當(dāng)水流通過管徑較小的斷面時，流速會增大；通過管徑較大的斷面時，流速會減小，以保證流量的連續(xù)性。5.能量方程（伯努利方程）能量方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。對于理想不可壓縮流體的恒定元流，能量方程的表達式為$z_1+\frac{p_1}{\gamma}+\frac{u_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\gamma}+\frac{u_2^2}{2g}$，其中$z$是位置水頭，表示單位重量液體相對于某一基準面的位置勢能；$\frac{p}{\gamma}$是壓強水頭，表示單位重量液體的壓強勢能；$\frac{u^2}{2g}$是流速水頭，表示單位重量液體的動能。該方程表明，在理想不可壓縮流體的恒定元流中，單位重量液體的總機械能（位置勢能、壓強勢能和動能之和）沿流程保持不變。對于實際流體，由于存在黏性，會有能量損失，能量方程需要加上能量損失項$h_{w1-2}$，即$z_1+\frac{p_1}{\gamma}+\frac{u_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\gamma}+\frac{u_2^2}{2g}+h_{w1-2}$。例如，在一個有高差的管道中，水從高處流向低處，位置勢能減小，流速可能增大，動能增加，同時由于黏性作用會有能量損失。6.動量方程動量方程是動量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。它的表達式為$\sum\vec{F}=\rhoQ(\beta_2\vec{v}_2-\beta_1\vec{v}_1)$，其中$\sum\vec{F}$是作用在控制體內(nèi)流體上的合外力，$\rho$是流體的密度，$Q$是流量，$\vec{v}_1$和$\vec{v}_2$分別是控制體進出口斷面的平均流速，$\beta_1$和$\beta_2$是動量修正系數(shù)。動量方程主要用于求解流體與固體邊界之間的相互作用力。例如，在計算水流對彎管的作用力時，我們可以選取包含彎管內(nèi)水流的控制體，根據(jù)動量方程計算出水流對彎管的作用力。流動阻力和水頭損失1.沿程水頭損失和局部水頭損失沿程水頭損失是指流體在等截面直管中流動時，由于流體的黏性和流體與管壁之間的摩擦而產(chǎn)生的水頭損失。它與管長成正比，與管徑成反比，還與流速的平方成正比。沿程水頭損失可以用達西-魏斯巴赫公式$h_f=\lambda\frac{l}z3jilz61osys\frac{v^2}{2g}$來計算，其中$h_f$是沿程水頭損失，$\lambda$是沿程阻力系數(shù)，$l$是管長，$d$是管徑，$v$是流速。局部水頭損失是指流體在流經(jīng)管道的局部障礙（如彎頭、閥門、突然擴大或縮小等）時，由于水流的流速分布和方向發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生漩渦和紊動而引起的水頭損失。局部水頭損失可以用公式$h_j=\zeta\frac{v^2}{2g}$來計算，其中$h_j$是局部水頭損失，$\zeta$是局部阻力系數(shù)。2.層流和紊流層流是指流體的質(zhì)點作有條不紊的線狀運動，各層之間互不摻混的流動。在層流中，流體的運動比較規(guī)則，流速分布呈拋物線形。紊流則是指流體的質(zhì)點作不規(guī)則的、雜亂無章的運動，各層之間相互摻混的流動。在紊流中，流體的運動非常復(fù)雜，存在大量的漩渦和脈動現(xiàn)象。判斷流體是層流還是紊流可以通過雷諾數(shù)$Re=\frac{vd}{\nu}$來確定，其中$v$是流速，$d$是管徑，$\nu$是運動黏滯系數(shù)。當(dāng)$Re<Re_{c}$（下臨界雷諾數(shù)，對于圓管流$Re_{c}\approx2000$）時，流動為層流；當(dāng)$Re>Re_{c}$時，流動為紊流。例如，在一些細管中，流速較小時水流可能是層流；而在大管徑、高流速的管道中，水流往往是紊流。3.雷諾數(shù)的物理意義雷諾數(shù)是一個無量綱數(shù)，它反映了慣性力與黏性力的相對大小。雷諾數(shù)的表達式$Re=\frac{vd}{\nu}$中，分子$vd$反映了慣性力的大小，分母$\nu$反映了黏性力的大小。當(dāng)雷諾數(shù)較小時，黏性力起主導(dǎo)作用，流體的運動比較規(guī)則，容易形成層流；當(dāng)雷諾數(shù)較大時，慣性力起主導(dǎo)作用，流體的運動變得不規(guī)則，容易形成紊流。雷諾數(shù)在流體力學(xué)中具有重要的意義，它可以幫助我們判斷流體的流動狀態(tài)，還可以用于相似模型試驗的設(shè)計。4.謝才公式和曼寧公式謝才公式是計算明渠和管道均勻流沿程水頭損失的一個重要公式，其表達式為$v=C\sqrt{Ri}$，其中$v$是斷面平均流速，$C$是謝才系數(shù)，$R$是水力半徑，$i$是水力坡度。曼寧公式是計算謝才系數(shù)的一個經(jīng)驗公式，$C=\frac{1}{n}R^{y}$，在一般情況下，對于明渠水流，當(dāng)$R<1m$時，$y=1.5\sqrt{n}$；當(dāng)$R>1m$時，$y=1.3\sqrt{n}$；在工程中，常用簡化公式$C=\frac{1}{n}R^{\frac{1}{6}}$。謝才公式和曼寧公式在明渠水流和管道水流的設(shè)計和計算中有著廣泛的應(yīng)用。明渠水流1.明渠均勻流的特征和形成條件明渠均勻流是指明渠中水深、斷面平均流速等運動要素沿程不變的流動。其特征包括：過水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸和水深沿程不變；流速分布沿程不變；總水頭線、水面線和渠底線相互平行，即水力坡度、水面坡度和渠底坡度相等。明渠均勻流的形成條件包括：明渠是長直的棱柱形渠道；渠道的糙率沿程不變；渠道中水流為恒定流，且流量沿程不變；渠道底坡為正坡且沿程不變。例如，在一條很長的、斷面形狀和糙率都不變的梯形明渠中，當(dāng)水流穩(wěn)定且滿足上述條件時，可能形成明渠均勻流。2.明渠水流的三種流態(tài)（緩流、急流和臨界流）明渠水流的流態(tài)可以分為緩流、急流和臨界流三種。緩流是指水流的流速小于微波的波速，水流比較平穩(wěn)，遇到障礙物時水面會壅高。急流是指水流的流速大于微波的波速，水流湍急，遇到障礙物時水面會跌落。臨界流是指水流的流速等于微波的波速，它是緩流和急流的分界狀態(tài)。判斷明渠水流的流態(tài)可以通過弗勞德數(shù)$Fr=\frac{v}{\sqrt{gh}}$來確定，其中$v$是斷面平均流速，$g$是重力加速度，$h$是水深。當(dāng)$Fr<1$時，水流為緩流；當(dāng)$Fr>1$時，水流為急流；當(dāng)$Fr=1$時，水流為臨界流。例如，在山區(qū)的溪流中，水流速度較快，可能是急流；而在平原地區(qū)的河流中，水流速度較慢，可能是緩流。3.水躍和水跌水躍是指從急流過渡到緩流時水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。在水躍中，水流的能量損失很大，流速和水深發(fā)生急劇變化。水躍可以分為遠驅(qū)水躍、臨界水躍和淹沒水躍三種類型。水跌是指從緩流過渡到急流時水面急劇降落的局部水力現(xiàn)象。水跌通常發(fā)生在渠道底坡突然變陡或下游水位突然降低的地方。例如，在水庫放水時，水流從閘門流出后，可能會形成水躍；而在渠道通過跌坎時，可能會出現(xiàn)水跌現(xiàn)象。堰流和閘孔出流1.堰流的分類和特點堰流是指水流經(jīng)過堰頂溢流時的水力現(xiàn)象。根據(jù)堰頂厚度$\delta$與堰上水頭$H$的比值，可將堰流分為薄壁堰流（$\frac{\delta}{H}<0.67$）、實用堰流（$0.67<\frac{\delta}{H}<2.5$）和寬頂堰流（$2.5<\frac{\delta}{H}<10$）。薄壁堰流的特點是水流從堰頂自由跌落，水面呈光滑的曲線，常用于測量流量。實用堰流的堰頂形狀經(jīng)過專門設(shè)計，可提高過流能力，常用于水利工程中的溢流壩。寬頂堰流的特點是水流在堰頂有一段近似水平的流動，過流能力相對較大，常用于灌溉渠道的進水口等。2.閘孔出流的特點和影響因素閘孔出流是指水流通過閘門與閘底板之間的孔口流出的水力現(xiàn)象。閘孔出流的特點是水流受到閘門的控制，流速較大，出流具有一定的收縮性。影響閘孔出流的因素包括閘孔的尺寸（如孔寬、孔高）、閘門的開啟高度、上下游水位差等。閘孔出流的流量可以用公式$Q=\mu\varepsilonb\sqrt{2gH_0}$來計算，其中$Q$是流量，$\mu$是流