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《水力学》课程教学大纲
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发表于 2010-10-13 01:20
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一、水力学课程的性质和任务
（一）课程的性质和任务 水力学是水利类各专业的一门主要的技术基础课程。 水力学课程的主要任务是使学生掌握液体运动的一般规律和有关的基本概念、基本理论，学会必要的分析计算方法和一定的实验操作技术，为学习专业课程，从事专业技术工作，进行科学研究打下必要的坚实基础。（二）本课程与其它有关课程的联系和分工 学生学习水力学以前必须学完高等数学、普通物理、理论力学、材料力学和算法语言等课程。这样，对于有关内容，如微分、积分、矢量、偏导数、泰勒公式、微分方程、液体的物理特性、动能定律、动量定律、达朗贝尔原理、势函数、应力应变和计算机编程具有一定的基础，在水力学中主要是运用这些知识，不必详细讲解。 水力学是一门技术基础课，应当理论联系实际，但应以分析水流现象，揭示水流运动规律，加强水力学的基本概念和基本原理的讲解为主，不宜过分强调专业需要，以致削弱水力学基础理论的讲解。 二、课程教学基本内容和重点 （一）基本内容 1、绪论 （1）水力学任务和水利工程中的水力学问题； （2）液体主要物理力学性质，内摩擦定律，牛顿液体与非牛顿液体； （3）连续介质和理想液体概念； （4）作用在液体上的力：表面力和质量力； （5）水力学的研究方法。 2、水静力学 （1）静水压强及其特性； （2）重力作用下静水压强的基本方程式及其物理意义，等压面的概念； （3）压强的表示法：绝对压强、相对压强和真空度； （4）压强的量测：测压管、U型水银压力计、压差计； （5）作用于平面上的静水总压力：压强分布图，静水总压力的大小、方向和作用点； （6）作用于曲面上的静水总压力：水平压强分布图和压力体图； （7）作用于物体上的静水总压力，物体的浮沉； （8）几种质量力作用下的液体平衡。 3、水动力学基础（一元流） （1）描述液体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法，流线和迹线； （2）恒定流与非恒定流； （3）水流的几个基本概念：流管、微小流束、总流、过水断面、流量、断面平均流速、一元流、二元流、三元流； （4）恒定一元流连续性方程； （5）均匀流、非均匀流、渐变流与急变流； （6）恒定一元流微小流束能量方程和总流能量方程及其应用，毕托管、文 丘里流量计、孔口出流、管嘴出流，变水头孔口出流时间计算； （7）恒定一元流动量方程及其应用举例。 4、量纲分析和相似原理 （1）量纲的基本概念，量纲和单位； （2）量纲合谐原理； （3）π定理及其应用举例； （4）相似概念，流动相似特征，几何相似、运动相似、动力相似； （5）单项力作用下的相似准则：重力准则（佛汝德准则）、粘性准则（雷诺准则），简介惯性力相似准则、表面力相似准则、弹性力相似准则、压力相似准则； （6）水工模型设计简介。 5、液流型态和水头损失 （1）水头损失的概念和分类，沿程水头损失和局部水头损失； （2）边界条件对水头损失的影响； （3）均匀流沿程水头损失与切应力关系，沿程水头损失的一般表达式：达西公式； （4）液体运动的两种型态及其判别：层流和紊流及其判别，雷诺数的物理意义； （5）圆管中层流运动及其沿程水头损失； （6）紊流特征：脉动现象、瞬时值、时均值、脉动值、紊动强度，紊动产生附加切应力，混合长度理论，粘性底层，紊流速度分布； （7）沿程阻力系数变化规律：沿程阻力系数λ与雷诺数和相对粗糙度的关系（尼库拉兹图），莫迪图，水力光滑区、过渡区和粗糙区的差别及计算各区λ值的经验公式； （8）沿程水头损失的经验公式：谢才公式、曼宁公式； （9）局部水头损失：局部水头损失的一般表达式，圆管突然放大的局部水头损失，局部阻力系数。 6、恒定有压管流 （1）管道类型； （2）简单管道水力计算的基本公式； （3）简单管道水力计算的基本类型和实例； （4）复杂管道的水力计算：串联管道、并联管道、分岔管道、沿程均匀泄流管道（农水）管网（给排水）； （5）测压管水头线和总水头线绘制； （6）变水头管道泄流时间的计算。 7、非恒定有压管流 （1）阀门突然关闭和逐渐关闭时管道中的水击：水击现象，水击波传播速度，直接水击和间接水击； （2）管道非恒定流的基本方程：连续性方程和运动方程； （3）水击的基本微分方程组：水击连续性方程、水击运动方程，水击连锁方程及其应用； （4）调压井水面振荡简介。 8、明渠恒定水流 （1）明渠恒定均匀流 ①明渠类型； ②明渠均匀流的特性及产生的条件； ③明渠均匀流计算公式； ④水力最佳断面和允许流速； ⑤明渠均匀流水力计算类型； ⑥粗糙度不同的明渠和复式断面明渠的水力计算。 （2）明渠恒定非均匀流 ①明渠水流的三种流态及判别，佛汝德数的物理意义； ②断面比能及比能曲线的特性； ③临界水深计算及实例； ④缓坡、陡坡和临界坡度； ⑤明渠非均匀渐变流的微分方程式：基本方程式、水深、断面比能和水位沿程变化的微分方程； ⑥棱柱体渠道恒定渐变流水面曲线的分析； ⑦棱柱体及非棱柱体渠道水面曲线计算：逐段试算法； ⑧恒定非均匀流流量和糙率计算； ⑨河道水面曲线的计算：试算法和图解法。 （3）水跃 ①棱柱体水平明渠水跃方程； ②水平明渠水跃共轭水深的计算； ③水跃方程的实验验证； ④棱柱体水平明渠水跃能量损失和跃长的计算。 *9、明渠非恒定流 （1）明渠非恒定流的特性和波的分类； （2）明渠非恒定渐变流基本方程式：连续性方程和运动方程； （3）初始条件和边界条件； （4）明渠非恒定流的计算方法：特征线法和瞬态法； （5）明渠非恒定急变流：波额流段的连续性方程和动量方程，波额流量。 10、堰流和闸孔出流 （1）堰流类型：薄壁堰、实用堰、宽顶堰； （2）堰流的基本公式； （3）薄壁堰、实用堰和宽顶堰的水力计算，流量系数、侧收缩系数、流速系数和淹没系数，实用堰剖面设计原则简介； （4）闸孔出流的水力计算：底坎为宽顶堰型和曲线型实用堰的闸孔出流。 11、泄水建筑物下游水流衔接和消能 （1）底流式消能的水力计算，溢流坝下游收缩断面水深的计算，降低护坦及建消能坝形成消能池的水力计算； Δ（2）挑流式消能的水力计算： Δ（3）面流消能及消能戽消能水流特性简介。 12、液体运动的流场理论 （1）流场、速度、加速度； （2）流线、迹线及其微分方程； （3）液体微团运动的基本形式：平移、线变形、角变形和旋转； （4）无涡流、有涡流、速度环量和涡通量； （5）液体运动的连续性方程式； （6）理想液体运动微分方程式及其积分，动水压强特性，欧拉方程式，葛罗米柯方程式及其积分； （7）实际液体运动微分方程式：纳维埃一斯托克斯方程； （8）边界层概念。 13、恒定平面势流 （1）恒定平面势流的流速势及流函数； （2）流网法解平面势流：流网原理，流网的绘制和应用。 14、渗流 （1）渗流基本概念和渗流模型； （2）达西定律及其应用条件，渗透系数； （3）恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流，杜比公式； （4）棱柱体地下河槽恒定渐变流浸润线的分析和计算； （5）普通井及井群渗流计算； （6）渗流场的基本微分方程式及其解法简介； （7）用流网法解平面渗流； （8）水电比拟法绘流网。 注：有符号Δ者，水工、农水、施工讲，水文、水资源、给排水不讲；有符号*者，水文、水资源讲，水工、农水、施工、给排水不讲。 （二）各部分内容的重点、深度和广度 1、绪论 （1）液体的物理力学性质是重点，对液体的粘滞性，牛顿内摩擦定律要讲深讲透，使学生掌握； （2）水力学任务和水利工程中的水力学问题，水力学研究方法只需作简单扼要介绍； （3）学生能正确理解理想液体和连续介质的概念及其应用。 2、水静力学 （1）重点是静水压强的基本公式、等压面概念和作用在平面、曲面上的静 水总压力，能正确熟练地绘出压力体图。本章应配合一定数量的习题，使学生熟练地掌握： （2）压强的表示方法和压强单位较多，应讲解其关系，避免引起混乱； （3）几种质量力作用下的液体平衡，应结合例题讲解，如圆柱盛水容器等角速度旋转和小车匀加速运动，以加强压强微分方程式理解和运用。 3、水动力学基础 （1）这部分内容头绪较多，讲授时要注意系统性，做到承上启下，前后连贯； （2）连续性方程、能量方程、动量方程是重点，这部分应讲深讲透，结合实例分析三大基本方程的应用条件和注意的问题及解题步骤，使学生正确理解其意义，通过习题熟练地掌握这些方程： （3）液体运动的两种方法，主要使学生理解欧拉法，由欧拉法引出流线的概念，讲清楚流线的特点； （4）应使学生正确理解流量、断面平均流速、渐变流和急变流动水压强分布的概念和应用。 4、量纲分析和相似原理 （1）π定理的应用和相似准则是重点； （2）着重指出无量纲数在表达普遍的水流规律中的重要意义； （3）使学生正确理解量纲合谐是分析流动的一个重要手段，说明相似的重要性。 5、液流型态和水头损失 （1）这部分内容头绪繁多，讲授中要点明各部分内容之间的关系，彼此紧密衔接，上下呼应，做到条理分明。讲完后应总结，使学生明确问题的提出、发展和结论，构成一个有机的整体； （2）达西公式、层流紊流特征、雷诺数、沿程阻力和局部阻力是重点； （3）使学生清晰理解造成水头损失的原因及影响因素； （4）着重讲述雷诺数的物理意义和流态判别； （5）对紊流各区的沿程阻力系数λ值的经验公式只提出不必作深入讲解。 6、有压管道恒定流 （1）短管和长管水力计算和水头线绘制是重点。通过习题使学生掌握计算方法和总水头线、测压管水头线的绘制； （2）管道水力计算类型可总结式讲述，使学生有一个完整概念； （3）复杂管道着重讲述各种管道的特点和用基本公式解题的方法。 7、有压管中的非恒定流 （1）水击过程、管道非恒定流的基本方程是重点，着重使学生掌握其物理概念； （2）通过习题作业使学生能够会应用水击连锁方程解题，不必过多地结合专业讲述管道非恒定流的计算； （3）调压井只简单介绍，得出调压井计算的基本微分方程，不必讲述求解过程。 8、明渠恒定流 （1）明渠均匀流的特性、佛汝德数物理概念及缓流、急流、临界流的判别，棱柱体明渠水面曲线分析，水跃的共轭水深计算是重点； （2）明渠均匀流水力计算，学生应掌握试算法和图解法； （3）水面曲线只着重分析底坡i＞0、i＜ik的棱柱体渠道，其它底坡的水面曲线只列出结论。水面曲线的定性分析要多布置一定的习题使学生熟练掌握； （4）水面曲线计算方法较多，主要讲逐段试算法，学生会编程序计算，其它方法可以简要介绍或不讲； （5）河道水面曲线计算对水文专业学生要求掌握； （6）水跃主要讲解棱柱体水平底坡明渠中的水跃，对底坡i＞0的棱柱体或非棱柱体渠道只作简介或省略。 9、明渠非恒定流 （1）连续性方程和运动方程是重点； （2）学生应掌握特征线法和瞬态法计算水面曲线，结合大作业加深和巩固基本方程的理解； （3）明渠非恒定急变流只扼要讲解，溃坝水流可以不讲。 10、堰流闸孔出流 （1）堰流、闸孔出流的判别和过流能力的计算是重点； （2）学生应正确理解堰闸的流量系数、侧收缩系数和淹没系数，会根据不同类型堰闸选用各种系数，对各种系数不必过多讲解。宽顶堰最大流量系数小于0.385应使学生掌握： （3）实用堰剖面设计只介绍WES剖面，其它类型剖面可以不讲。讲解的目的在于说明剖面对流量系数的影响。 11、 泄水建筑物下游水流的衔接和消能 （1）底流式消能的水力计算是重点； （2）溢流坝下游收缩断面水深计算着重讲迭代法，简单讲试算法和查图法； （3）挑流式消能主要分析挑流长度的挑坎尺寸，简介冲刷坑深度； （4）面流消能简介水流特点。 12、液体运动的流场理论 （1）重点是液体运动的连续性方程、实际液体运动的微分方程及其物理意义； （2）液体微团运动的基本形式，要使学生有一个正确的理解。讲授时以说明物理概念和数学表达式的物理意义为主； （3）讲清理想液体和实际液体动水压强的区别及关系，可以不必详细推导； （4）欧拉方程和纳维埃一斯托克斯方程是流体力学中的基本方程，应使学生能正确地理解和分析应用。讲解中应与前面恒定流基本方程联系起来。 l3、恒定平面势流 （1）流网原理和流网绘制是重点； （2）说明势函数和流函数的物理概念及其关系，使学生有一个正确的理解。 14、渗流 （1）渗流的达西定律和电拟法是本章重点； （2）通过习题要求学生初步绘制流网和掌握用流网法求解渗流场的方法； （3）电比拟法中着重讲原理，配合实验使学生初步掌握电拟法的操作； （4）土坝渗流可以简介，不必详细讲解。 三、习题、实验及学习分配 （一）习题作业 习题作业的基本要求是：巩固和加深理解所学的基本概念和基本理论，培养学生分析问题、解决问题和灵活运用知识的能力，提高计算技能，培养严肃认真的科学作风和独自获取知识的能力。习题作业也是理论联系实际的一个途径。习题包括思考题和计算题。 习题作业应与讲课密切配合。讲课中讲解必要的例题，课后布置习题作业，利用课外时间完成。辅导课可用来分析总结习题中的错误和问题，在教师的引导下进行课堂讨论，解决有关概念或原理中的疑难问题。 水力学课外学时为课内学时的1.5倍，除了复习、阅读参考书外，可用来完成习题作业。完成习题作业的数量为130~200题，针对具体情况，可以布置必作题和选作题，既要避免学生负担过重，又要做到因材施教，使能力较强的学生获得较多的训练。 水文、水资源学生应作明渠非恒定流大作业。 |
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