水力学思维导图

干货分享！由武汉大学水利水电学院总结，知识点涵盖了水力学第八章至第十二章，内容分别是名槽恒定流动，堰流及闸孔出流，泄水建筑物下游消防防冲，有压管道和明渠非恒定流，渗流，知识点详细明了，简直是初学者的福利。还在想什么，赶快下图收藏学起来吧！

水力学

• 第八章 明槽恒定流动
  • 8-3 明渠恒定渐变流
    • 微幅扰动与明渠流态
      • 缓流
        • 水流流速小，水势平稳，遇到干扰，干扰的影响既能向下游传播，又能向上游传播
          • 当水流遇有障碍时，上游水面普遍抬高，而障碍物处水位跌落
      • 急流
        • 水流流速大，水势湍急，遇到干扰，干扰的影响只能向下游传播，而不能向上游传播
          • 当水流遇到石块便一跃而过，石块顶上掀起浪花，而上游水面未受影响
      • 微波的传播速度 （判别水流流态方法1）
        • v 水流速度 c 在静水中传播的微波速度（相对波速）
        • v＜c 缓流 向上游传播v'＝v－c 向下游传播：v'＝v＋c
        • v＝c 临界流 不能向上游传播 向下游传播v'＝2c
        • v＞c 急流 对上游不发生影响 向下游传播：v'＝v＋c
      • 微幅波波速的计算
      • 佛汝德数：代表水流的惯性力和重力的对比关系 （判别水流流态方法2）
        • • Fr＝1 临界流
          • Fr＞1 急流
          • Fr＜1 缓流
    • 断面比能
      • 以过水断面渠底所在的水平面0’-0’为基准面时 过水断面上单位重量液体所具有的总能量
        • cosθ≈1
      • 断面比能延程变化
        • • 平坡i＝0 逆坡i＜0 断面比能延程减小
          • 顺坡渠道i＞0 可正可负
      • 比能曲线
        • • （取α＝1.0）
            • 两者大小关系 （判别水流流态方法3）
    • 临界水深hk
      • Es＝Esmin h＝hk
        • 临界流方程
      • 水深与临界水深大小关系 （判别水流流态方法4）
        • h＞hk 缓流 比能曲线的上支 h＜hk 急流 比能曲线的下支 h＝hk 分界点 断面比能最小，上支下支的交界点
      • 影响因素
        • 与断面形状尺寸和流量Q有关 与明槽糙率n无关，与底坡i无关（小底坡时）
        • 在断面形状尺寸一定时，Q越大，Hk越大 当流量一定时，断面越宽，临界水深越小
      • 不同断面临界水深Hk的计算
        • • 矩形断面
          • 梯形断面
          • 任意断面
    • 临界坡度ik
      • 明渠均匀流的正常水深等于临界水深时 相应的明渠底坡称为临界底坡
        • 若i=ik ，有h0＝hk，称 ik为临界底坡
        • 水力计算
        • • 若发生均匀流 （判断水流流态方法5）
            • 缓坡（i＜ik），h0＞hk，均匀缓流
            • 陡坡（i＞ik），h0＜hk，均匀急流
            • 临界坡（i＝ik），h0＝hk，临界流
        • 说明
          • 关于渠底坡度的缓、急之称，是对应于一定流量来讲的。对于某一渠道，底坡已经确定，但当流量改变时，所对应的hk(或ik)也发生变化，从而该渠道是缓坡或陡坡也可能随之改变。
          • 1.不同流量（或n）下，同一底坡可是缓坡，陡坡或临界坡 2.一定Q 和n下，i 属哪种坡度是确定的 3. 三种底坡上的水流可以是均匀流、或非均匀流 4. 每一种底坡可能产生非均匀缓流、或非均匀急流
    • 总结判断水流流态方法
    • 有关方程和表达式的对比
  • 明渠恒定急变流
    • 水跌
    • 水跃
      • 水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时 水面突然跃起的局部水力现象。它可以在溢洪 道下、洪水闸下、跌水下游形成，也可以在平 坡渠道中闸下出流时形成。
      • 水跃流动特征
      • 水跃分类
      • 水跃函数
        • • yc：过水断面形心在水面下的深度
      • 共轭水深
        • 共轭水深的性质
        • 共轭水深的作用
        • 共轭水深的计算
      • 水跃的长度
        • 经验公式
      • 水跃的能量损失
  • 明槽恒定渐变流的水面曲线定性分析
    • 雍水、降水曲线
    • 根据底坡的情况对水面线分类
    • 根据水深情况对水面线所在的位置分区
    • • 子主题
      • 子主题
      • 子主题
      • 子主题
      • 子主题
    • 水面曲线分析步骤
      • 分析水面曲线时应注意的问题
  • 明槽恒定渐变流的微分方程
    • 水深沿流程变化的微分方程
      • 水深沿程变化的明槽恒定 渐变流基本微分方程式
      • 用于分析棱柱体明槽 渐变流水面线的变化规律
      • 明槽恒定均匀流基本方程式
    • 水位沿程变化的微分方程式
      • 主要用于天然河道的水面曲线计算
  • 明渠恒定渐变流水面曲线的计算
    • 人工渠道水面曲线的计算
      • 基本公式
      • 计算方法-逐段计算法
    • 自然河道道水曲线的计算
• 第九章 堰流及闸孔出流
  • 基本概念
    • 堰：顶部过流的水工建筑物
    • 堰流：过堰水流未受闸门控制影响
    • 闸孔出流：过堰水流受闸门控制时即为孔流
    • 异同点：堰流水面线为一条光滑曲线，过水能力强；孔流闸孔上下游水面曲线不连续，过水能力弱
    • 共同点：壅高上水位；在重力作用下形成水流运动；出流过程的能量损失主要是局部损失
  • 堰的分类
    • 堰前断面：把堰上游水面无明显下降的0-0 断面 堰上水头：堰前断面堰顶以上的水深，用H 表示 行近流速：堰前断面的流速称为行近流速，用v0 表示 堰前断面距离上游壁面的距离： L =（3～5) H
    • 堰坎厚度与堰顶水头之比δ /H
      • ＜0.67 薄壁堰
      • 0.67＜ ＜2.5 实用堰
      • 2.5＜ ＜10 宽顶堰
      • 明渠水流：堰坎厚度δ ＞10H
  • 堰流的基本公式
    • ε-侧收缩系数 侧向收缩影响：有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数ε反映其影响。
    • 淹没系数σs 下游水位的影响：堰下游过高会影响过堰水流的过流能力，其影响用淹没系数σs反映。
  • 薄壁堰
    • 矩形薄壁堰
      • 矩形薄壁堰上下游等宽，堰流无侧收缩。当自由出流时，水流最为稳定，测量精度较高。
    • 直角三角堰
      • 当所需测流量较小 (例如 Q ＜ 0.1m3/s)时，若用矩形薄壁堰，则水头过小，误差大。一般可改用三角形薄壁堰。堰口夹角可取不同值，但常用直角。
  • 实用堰
    • 曲线型实用堰的流量系数
    • 侧收缩系数
    • 淹没及下游护坦高程对过流能量影响
    • 曲线型低堰的水力设计
    • 宽顶堰
      • 2.5 ＜δ /H ＜10时，进口处形成水面跌落，堰顶范围内产 生一段近似平行于堰顶的渐变流动，称宽顶堰流。
      • 流量系数：流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度P1/H
        • 宽顶堰流量系数m的最大值为0.385
      • 侧收缩系数
      • 无坎宽顶堰流
      • 宽顶堰的淹没条件及淹没系数
    • 闸孔出流
      • 闸孔自由出流
        • 流量系数 μ
        • 垂直收缩系数ε
      • 闸孔淹没出流
• 第十章 泄水建筑物下游消能防冲
  • 底流衔接与消能
    • 常采用的衔接与消能的措施
      • 消力池
      • 消力戽
      • 消力坎
      • 综合消力池
      • 挑流消能
      • 面流消能
    • 泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
    • 水跃位置与形式
    • 控制水跃位置的工程措施
      • 降低护坦高程，使下游形成消能池
      • 在护坦末端修建消能坎，使坎前形成消能池
• 第十一章 有压管道和明渠非恒定流
  • 水击现象
    • 引起压强急剧升高和降低的交替变化，水击现象是一种非恒定流动
    • 在计算时需考虑
      • 液体压缩性
      • 管壁弹性变形
    • 水击产生的内在原因：水流本身具有惯性和压缩性
    • 阀门瞬时关闭时的水击压强
    • 水击波的传播速度
    • 水击波的传播过程
      • 第一阶段：增压波从阀门向管路进口传播阶段
      • 第二阶段：减压波从管道进口向阀门传播阶段
      • 第三阶段：减压波从阀门向管道进口传播阶段
      • 第四阶段：增压波从管道进口向阀门传播阶段
      • 水击波在全管段来回传递两次所需的时间t=4l/c，称为一个周期T
      • 水击波在全管段来回传递一次所需的时间t=2l/c，称为一个相或半周期Tr
    • 闸门逐渐关闭时的水击
      • 间接水击时阀门处的最大水击压强小于直接水击
      • 工程设计中总是试图合理选择参数，尽量延长 阀门调节时间，以避免产生直接水击
    • 水击的危害及预防
  • 水击基本方程
    • 连续性方程
    • 运动方程
    • 水击微分方程组
    • 水击方程的解法
  • 明渠非恒定的特性
    • 明渠非恒定的特性
      • 过水断面上的水力要素既是时间t的函数 又是流程s的函数，明渠非恒定流必然是非均匀流。
      • 明渠非恒定流是一种具有自由液面的波动现象。 主要作用力是重力、摩擦阻力和惯性力。
      • 明渠非恒定流的波动为浅水波或者长波。
        • 如果水深h与波长L之比小于1/20，则整个水体都能 被波动所干扰，这种情况下的水波称为浅水波或者长波。
      • 明渠非恒定流中过水断面的 水位流量关系曲线呈绳套型曲线。
    • 明渠非恒定流的分类
      • 连续波和断波
      • 顺行波和逆行波
        • 顺行波——波的传播方向与水流流向相同； 逆行波——波的传播方向与水流方向相反；
      • 涨水波和落水波
        • 涨水波——波所到之处引起水位上涨； 落水波——波所到之处引起水位下落。
  • 明渠非恒定渐变流基本方程
    • 连续性方程
    • 运动方程
    • 圣维南方程组及其解法
• 第十二章 渗流
  • 渗流基本概念
    • 基本概念
      • 概念：液体在孔隙介质中的流动
      • 应用领域
        • 井和集水廊道的设计计算
        • 排灌工程中地下水位变化、渠道渗漏、坝体和渠道边坡的稳定
        • 水工建筑物坝身稳定、坝身及坝下渗透损失
        • 建筑施工中，围堰或基坑排水问题
      • 水在土壤中的状态
        • 汽态水：水蒸汽 吸着水和薄膜水：受分子力作用吸附于土粒表面 毛细水：受毛细（表面张力）作用在土隙间运动 重力水：受重力及液体动水压强作用在土隙间流动
      • 土壤的渗流特性（土壤通过水的能力）
        • 它与土壤的孔隙大小、形状、分布等因素 有关，还与土壤中水的储量有关
        • 透水性：指土壤允许水流通过的能力
        • 土壤分类
        • 给水度：指在重力作用下，土壤能释放出来的水体积 与土样总体积之比。它与土壤种类、孔隙率、不均匀 系数以及温度等因素有关
      • 渗流模型
        • 渗流模型
        • 渗流流速
        • 渗流水头
          • 渗流流速缓慢，可以忽略流速水头
      • 渗流分类
        • 渗流模型将渗流看作是连续空间内的连续介质的 运动，因此可以按照水力学的分类方法对渗流进行分类
          • 按参数随时间变化分：恒定和非恒定渗流
          • 按参数沿流程变化分：均匀和非均匀渗流
          • 按参数的自变量个数：一元、二元、三元渗流
          • 按有无自由水面分：无压和有压渗流
          • 按水头损失与流速的关系分：线性和非线性渗流
      • 渗流阻力
        • 渗流阻力：渗流时液体在介质的孔隙中流动受到孔隙周界的阻力。
    • 渗流的达西定律
      • 达西定律
        • 达西实验
        • 达西定律：均匀渗流的流速与水头损失 的一次方成正比，也称线性渗流
        • 达西定律的几点说明
      • 达西定律的适用范围
      • 渗流系数k及其确定
        • 渗流系数 k 为土壤透水性与液体粘性的综合影响系数
    • 渗流基本方程
      • 连续方程
        • 假设渗流区内的全部空间都被液体所 充满，其密度等于实际的液体密度，为不可压缩流体， 但流速等于孔隙率n乘以实际流速u0
      • 恒定渗流运动方程
      • 恒定渗流的速度势和Laplace方程
      • 渗流问题的解法
        • 解析法：用解Laplace方程的方法
        • 数值解法：求解复杂边界条件的渗流问题
        • 图解法：流网法
        • 试验法：水电比拟法-利用渗流场与点流场之间存在比 拟关系，通过测量电流场来求解渗流问题
      • Laplace方程的边界条件
    • 一维恒定渐变渗流
      • 几个概念
        • 无压渗流：位于不透水基底上的渗流
        • 无压渗流的底坡：不透水基底的倾斜趋势
        • 浸润面：无压渗流的自由水面
        • 浸润线：无压渗流的水面曲线
      • 无压均匀渗流
      • 渐变渗流
      • 非均匀渐变渗流的分析计算
        • 基本方程
        • 渗流浸润线形式分析计算
          • 正坡 i>0 地下河渠浸润线分析
          • 正坡 i>0 地下河渠浸润线计算公式
          • i=0 （平坡）和 i<0 (负坡)地下河渠浸润线分析
          • 矩形断面平坡(i=0)浸润线计算公式
          • 矩形断面负坡(i<0)浸润线计算公式
    • 井和集水廊道
      • 集水廊道
        • 多用于降低地下水位（平坡渐变渗流）
      • 井
        • 井的分类
          • ① 潜水井（普通井）：完整井和非完整井 ② 自流井（承压井）：完整井和非完整井
        • 完整普通井
        • 非完整普通井
        • 完整承压井
        • 井群
    • 均质土坝渗流
      • 土坝渗流是典型的无压渗流
        • 1、确定坝内浸润线位置 2、坝体渗透流量Q和渗透流速v
    • 水工建筑物透水地基中的渗流
      • 计算内容
        • 经透水层渗入下游的流量
        • 作用在基底上的渗流压强分布和扬压力
        • 自基底下游河床处上渗的渗流流速
      • 流网法求解
        • 流网绘制
        • 流网特点
          • 流网形状与上下游水位无关
          • 对于均质各向同性土壤，与渗透系数也无关
          • 只于整个渗流区域的边界条件有关
        • 流网求解
        • 渗透压强
        • 水力坡度和渗透流速
      • 数值解法
      • 水电比拟法