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《水力學》課程教學大綱
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發表于 2010-10-13 01:20
樓主
一、水力學課程的性質和任務
（一）課程的性質和任務 水力學是水利類各專業的一門主要的技術基礎課程。 水力學課程的主要任務是使學生掌握液體運動的一般規律和有關的基本概念、基本理論，學會必要的分析計算方法和一定的實驗操作技術，為學習專業課程，從事專業技術工作，進行科學研究打下必要的堅實基礎。（二）本課程與其它有關課程的聯系和分工 學生學習水力學以前必須學完高等數學、普通物理、理論力學、材料力學和算法語言等課程。這樣，對于有關內容，如微分、積分、矢量、偏導數、泰勒公式、微分方程、液體的物理特性、動能定律、動量定律、達朗貝爾原理、勢函數、應力應變和計算機編程具有一定的基礎，在水力學中主要是運用這些知識，不必詳細講解。 水力學是一門技術基礎課，應當理論聯系實際，但應以分析水流現象，揭示水流運動規律，加強水力學的基本概念和基本原理的講解為主，不宜過分強調專業需要，以致削弱水力學基礎理論的講解。 二、課程教學基本內容和重點 （一）基本內容 1、緒論 （1）水力學任務和水利工程中的水力學問題； （2）液體主要物理力學性質，內摩擦定律，牛頓液體與非牛頓液體； （3）連續介質和理想液體概念； （4）作用在液體上的力：表面力和質量力； （5）水力學的研究方法。 2、水靜力學 （1）靜水壓強及其特性； （2）重力作用下靜水壓強的基本方程式及其物理意義，等壓面的概念； （3）壓強的表示法：絕對壓強、相對壓強和真空度； （4）壓強的量測：測壓管、U型水銀壓力計、壓差計； （5）作用于平面上的靜水總壓力：壓強分布圖，靜水總壓力的大小、方向和作用點； （6）作用于曲面上的靜水總壓力：水平壓強分布圖和壓力體圖； （7）作用于物體上的靜水總壓力，物體的浮沉； （8）幾種質量力作用下的液體平衡。 3、水動力學基礎（一元流） （1）描述液體運動的兩種方法：拉格朗日法和歐拉法，流線和跡線； （2）恒定流與非恒定流； （3）水流的幾個基本概念：流管、微小流束、總流、過水斷面、流量、斷面平均流速、一元流、二元流、三元流； （4）恒定一元流連續性方程； （5）均勻流、非均勻流、漸變流與急變流； （6）恒定一元流微小流束能量方程和總流能量方程及其應用，畢托管、文 丘里流量計、孔口出流、管嘴出流，變水頭孔口出流時間計算； （7）恒定一元流動量方程及其應用舉例。 4、量綱分析和相似原理 （1）量綱的基本概念，量綱和單位； （2）量綱合諧原理； （3）π定理及其應用舉例； （4）相似概念，流動相似特征，幾何相似、運動相似、動力相似； （5）單項力作用下的相似準則：重力準則（佛汝德準則）、粘性準則（雷諾準則），簡介慣性力相似準則、表面力相似準則、彈性力相似準則、壓力相似準則； （6）水工模型設計簡介。 5、液流型態和水頭損失 （1）水頭損失的概念和分類，沿程水頭損失和局部水頭損失； （2）邊界條件對水頭損失的影響； （3）均勻流沿程水頭損失與切應力關系，沿程水頭損失的一般表達式：達西公式； （4）液體運動的兩種型態及其判別：層流和紊流及其判別，雷諾數的物理意義； （5）圓管中層流運動及其沿程水頭損失； （6）紊流特征：脈動現象、瞬時值、時均值、脈動值、紊動強度，紊動產生附加切應力，混合長度理論，粘性底層，紊流速度分布； （7）沿程阻力系數變化規律：沿程阻力系數λ與雷諾數和相對粗糙度的關系（尼庫拉茲圖），莫迪圖，水力光滑區、過渡區和粗糙區的差別及計算各區λ值的經驗公式； （8）沿程水頭損失的經驗公式：謝才公式、曼寧公式； （9）局部水頭損失：局部水頭損失的一般表達式，圓管突然放大的局部水頭損失，局部阻力系數。 6、恒定有壓管流 （1）管道類型； （2）簡單管道水力計算的基本公式； （3）簡單管道水力計算的基本類型和實例； （4）復雜管道的水力計算：串聯管道、并聯管道、分岔管道、沿程均勻泄流管道（農水）管網（給排水）； （5）測壓管水頭線和總水頭線繪制； （6）變水頭管道泄流時間的計算。 7、非恒定有壓管流 （1）閥門突然關閉和逐漸關閉時管道中的水擊：水擊現象，水擊波傳播速度，直接水擊和間接水擊； （2）管道非恒定流的基本方程：連續性方程和運動方程； （3）水擊的基本微分方程組：水擊連續性方程、水擊運動方程，水擊連鎖方程及其應用； （4）調壓井水面振蕩簡介。 8、明渠恒定水流 （1）明渠恒定均勻流 ①明渠類型； ②明渠均勻流的特性及產生的條件； ③明渠均勻流計算公式； ④水力最佳斷面和允許流速； ⑤明渠均勻流水力計算類型； ⑥粗糙度不同的明渠和復式斷面明渠的水力計算。 （2）明渠恒定非均勻流 ①明渠水流的三種流態及判別，佛汝德數的物理意義； ②斷面比能及比能曲線的特性； ③臨界水深計算及實例； ④緩坡、陡坡和臨界坡度； ⑤明渠非均勻漸變流的微分方程式：基本方程式、水深、斷面比能和水位沿程變化的微分方程； ⑥棱柱體渠道恒定漸變流水面曲線的分析； ⑦棱柱體及非棱柱體渠道水面曲線計算：逐段試算法； ⑧恒定非均勻流流量和糙率計算； ⑨河道水面曲線的計算：試算法和圖解法。 （3）水躍 ①棱柱體水平明渠水躍方程； ②水平明渠水躍共軛水深的計算； ③水躍方程的實驗驗證； ④棱柱體水平明渠水躍能量損失和躍長的計算。 *9、明渠非恒定流 （1）明渠非恒定流的特性和波的分類； （2）明渠非恒定漸變流基本方程式：連續性方程和運動方程； （3）初始條件和邊界條件； （4）明渠非恒定流的計算方法：特征線法和瞬態法； （5）明渠非恒定急變流：波額流段的連續性方程和動量方程，波額流量。 10、堰流和閘孔出流 （1）堰流類型：薄壁堰、實用堰、寬頂堰； （2）堰流的基本公式； （3）薄壁堰、實用堰和寬頂堰的水力計算，流量系數、側收縮系數、流速系數和淹沒系數，實用堰剖面設計原則簡介； （4）閘孔出流的水力計算：底坎為寬頂堰型和曲線型實用堰的閘孔出流。 11、泄水建筑物下游水流銜接和消能 （1）底流式消能的水力計算，溢流壩下游收縮斷面水深的計算，降低護坦及建消能壩形成消能池的水力計算； Δ（2）挑流式消能的水力計算： Δ（3）面流消能及消能戽消能水流特性簡介。 12、液體運動的流場理論 （1）流場、速度、加速度； （2）流線、跡線及其微分方程； （3）液體微團運動的基本形式：平移、線變形、角變形和旋轉； （4）無渦流、有渦流、速度環量和渦通量； （5）液體運動的連續性方程式； （6）理想液體運動微分方程式及其積分，動水壓強特性，歐拉方程式，葛羅米柯方程式及其積分； （7）實際液體運動微分方程式：納維埃一斯托克斯方程； （8）邊界層概念。 13、恒定平面勢流 （1）恒定平面勢流的流速勢及流函數； （2）流網法解平面勢流：流網原理，流網的繪制和應用。 14、滲流 （1）滲流基本概念和滲流模型； （2）達西定律及其應用條件，滲透系數； （3）恒定均勻滲流和非均勻漸變滲流，杜比公式； （4）棱柱體地下河槽恒定漸變流浸潤線的分析和計算； （5）普通井及井群滲流計算； （6）滲流場的基本微分方程式及其解法簡介； （7）用流網法解平面滲流； （8）水電比擬法繪流網。 注：有符號Δ者，水工、農水、施工講，水文、水資源、給排水不講；有符號*者，水文、水資源講，水工、農水、施工、給排水不講。 （二）各部分內容的重點、深度和廣度 1、緒論 （1）液體的物理力學性質是重點，對液體的粘滯性，牛頓內摩擦定律要講深講透，使學生掌握； （2）水力學任務和水利工程中的水力學問題，水力學研究方法只需作簡單扼要介紹； （3）學生能正確理解理想液體和連續介質的概念及其應用。 2、水靜力學 （1）重點是靜水壓強的基本公式、等壓面概念和作用在平面、曲面上的靜 水總壓力，能正確熟練地繪出壓力體圖。本章應配合一定數量的習題，使學生熟練地掌握： （2）壓強的表示方法和壓強單位較多，應講解其關系，避免引起混亂； （3）幾種質量力作用下的液體平衡，應結合例題講解，如圓柱盛水容器等角速度旋轉和小車勻加速運動，以加強壓強微分方程式理解和運用。 3、水動力學基礎 （1）這部分內容頭緒較多，講授時要注意系統性，做到承上啟下，前后連貫； （2）連續性方程、能量方程、動量方程是重點，這部分應講深講透，結合實例分析三大基本方程的應用條件和注意的問題及解題步驟，使學生正確理解其意義，通過習題熟練地掌握這些方程： （3）液體運動的兩種方法，主要使學生理解歐拉法，由歐拉法引出流線的概念，講清楚流線的特點； （4）應使學生正確理解流量、斷面平均流速、漸變流和急變流動水壓強分布的概念和應用。 4、量綱分析和相似原理 （1）π定理的應用和相似準則是重點； （2）著重指出無量綱數在表達普遍的水流規律中的重要意義； （3）使學生正確理解量綱合諧是分析流動的一個重要手段，說明相似的重要性。 5、液流型態和水頭損失 （1）這部分內容頭緒繁多，講授中要點明各部分內容之間的關系，彼此緊密銜接，上下呼應，做到條理分明。講完后應總結，使學生明確問題的提出、發展和結論，構成一個有機的整體； （2）達西公式、層流紊流特征、雷諾數、沿程阻力和局部阻力是重點； （3）使學生清晰理解造成水頭損失的原因及影響因素； （4）著重講述雷諾數的物理意義和流態判別； （5）對紊流各區的沿程阻力系數λ值的經驗公式只提出不必作深入講解。 6、有壓管道恒定流 （1）短管和長管水力計算和水頭線繪制是重點。通過習題使學生掌握計算方法和總水頭線、測壓管水頭線的繪制； （2）管道水力計算類型可總結式講述，使學生有一個完整概念； （3）復雜管道著重講述各種管道的特點和用基本公式解題的方法。 7、有壓管中的非恒定流 （1）水擊過程、管道非恒定流的基本方程是重點，著重使學生掌握其物理概念； （2）通過習題作業使學生能夠會應用水擊連鎖方程解題，不必過多地結合專業講述管道非恒定流的計算； （3）調壓井只簡單介紹，得出調壓井計算的基本微分方程，不必講述求解過程。 8、明渠恒定流 （1）明渠均勻流的特性、佛汝德數物理概念及緩流、急流、臨界流的判別，棱柱體明渠水面曲線分析，水躍的共軛水深計算是重點； （2）明渠均勻流水力計算，學生應掌握試算法和圖解法； （3）水面曲線只著重分析底坡i＞0、i＜ik的棱柱體渠道，其它底坡的水面曲線只列出結論。水面曲線的定性分析要多布置一定的習題使學生熟練掌握； （4）水面曲線計算方法較多，主要講逐段試算法，學生會編程序計算，其它方法可以簡要介紹或不講； （5）河道水面曲線計算對水文專業學生要求掌握； （6）水躍主要講解棱柱體水平底坡明渠中的水躍，對底坡i＞0的棱柱體或非棱柱體渠道只作簡介或省略。 9、明渠非恒定流 （1）連續性方程和運動方程是重點； （2）學生應掌握特征線法和瞬態法計算水面曲線，結合大作業加深和鞏固基本方程的理解； （3）明渠非恒定急變流只扼要講解，潰壩水流可以不講。 10、堰流閘孔出流 （1）堰流、閘孔出流的判別和過流能力的計算是重點； （2）學生應正確理解堰閘的流量系數、側收縮系數和淹沒系數，會根據不同類型堰閘選用各種系數，對各種系數不必過多講解。寬頂堰最大流量系數小于0.385應使學生掌握： （3）實用堰剖面設計只介紹WES剖面，其它類型剖面可以不講。講解的目的在于說明剖面對流量系數的影響。 11、 泄水建筑物下游水流的銜接和消能 （1）底流式消能的水力計算是重點； （2）溢流壩下游收縮斷面水深計算著重講迭代法，簡單講試算法和查圖法； （3）挑流式消能主要分析挑流長度的挑坎尺寸，簡介沖刷坑深度； （4）面流消能簡介水流特點。 12、液體運動的流場理論 （1）重點是液體運動的連續性方程、實際液體運動的微分方程及其物理意義； （2）液體微團運動的基本形式，要使學生有一個正確的理解。講授時以說明物理概念和數學表達式的物理意義為主； （3）講清理想液體和實際液體動水壓強的區別及關系，可以不必詳細推導； （4）歐拉方程和納維埃一斯托克斯方程是流體力學中的基本方程，應使學生能正確地理解和分析應用。講解中應與前面恒定流基本方程聯系起來。 l3、恒定平面勢流 （1）流網原理和流網繪制是重點； （2）說明勢函數和流函數的物理概念及其關系，使學生有一個正確的理解。 14、滲流 （1）滲流的達西定律和電擬法是本章重點； （2）通過習題要求學生初步繪制流網和掌握用流網法求解滲流場的方法； （3）電比擬法中著重講原理，配合實驗使學生初步掌握電擬法的操作； （4）土壩滲流可以簡介，不必詳細講解。 三、習題、實驗及學習分配 （一）習題作業 習題作業的基本要求是：鞏固和加深理解所學的基本概念和基本理論，培養學生分析問題、解決問題和靈活運用知識的能力，提高計算技能，培養嚴肅認真的科學作風和獨自獲取知識的能力。習題作業也是理論聯系實際的一個途徑。習題包括思考題和計算題。 習題作業應與講課密切配合。講課中講解必要的例題，課后布置習題作業，利用課外時間完成。輔導課可用來分析總結習題中的錯誤和問題，在教師的引導下進行課堂討論，解決有關概念或原理中的疑難問題。 水力學課外學時為課內學時的1.5倍，除了復習、閱讀參考書外，可用來完成習題作業。完成習題作業的數量為130~200題，針對具體情況，可以布置必作題和選作題，既要避免學生負擔過重，又要做到因材施教，使能力較強的學生獲得較多的訓練。 水文、水資源學生應作明渠非恒定流大作業。 |
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