《水力學(第2版)》按照教育部高教司制定的水力學課程教學基本要求編寫。共分13章:緒論,水靜力學,液體一元恒定總流基本原理,層流和紊流、液流阻力和水頭損失,液體三元流動基本原理,有壓管流,明渠均勻流,明渠非均勻流,堰流和閘孔出流,泄水建筑物下游水流的銜接與消能,滲流,污染物的輸運和擴散,水力相似與模型試驗基本原理。
《水力學(第2版)》是依據多年的教學實踐,并廣泛吸取國內外教材之優點而編寫的。在內容安排上,著重分析水流現象,揭示水流內在規律; 以水力學的基本概念、基本原理為主,避免繁瑣的數學推導,著重物理概念的闡述,對過于繁瑣的計算重點介紹計算方法,引導學生用計算機來完成計算; 力求與水利、土建工程實際相結合,并注重與其他學科更好的結合,對推動水力學的學科發展起到較好的促進作用。
《水力學(第2版)》主要作為高等院校水利、土建類專業的大學本科教學用書,也可作為從事水力學工作的工程技術人員參考用書。
2005年9月出版的《水力學》教材是由現任水力學教研室負責人組織教師編寫的,傳承了以往編寫的《水力學》教材的許多成果,在此對所有為教材建設作出貢獻的老師表示深切的謝意。
本書是2005年版的修訂版(第二版),主要作了如下修訂:
(1) 對全書的內容闡述進行了反復推敲,力求更加簡潔、明了,利于讀者理解和掌握。
(2) 對水力計算中圖解法的內容做了刪除,著重介紹利用迭代方法進行計算的相關內容。
(3) 增加了“污染物的輸運和擴散”一章,以適應多種專業的教學要求。
(4) 對習題做了部分調整,補充了一些習題,也精簡了部分習題。力求使習題內容既較為全面又比較簡練。
參與本次修訂工作的有: 趙振興、何建京、王忖、程莉、張淑君和戴昱。其中第12章由戴昱編寫,其他各章均由原編寫人修訂。全書由趙振興、何建京統編審定。
限于作者水平,書中缺點和錯誤在所難免,敬請批評指正。
第1章 緒論1
1.1 水力學的定義、任務和發展簡史1
1.2 液體的連續介質模型3
1.3 液體的主要物理性質3
1.3.1 質量和重量4
1.3.2 黏滯性5
1.3.3 壓縮性8
1.3.4 表面張力9
1.3.5 汽化壓強10
1.4 作用于液體的力10
1.4.1 表面力10
1.4.2 質量力11
思考題11
習題12
第2章 水靜力學14
2.1 概述14
2.2 靜水壓強及其特性14
2.2.1 靜水壓強的定義14
2.2.2 靜水壓強的特性15
2.3 液體平衡微分方程及其積分17
2.3.1 液體平衡微分方程17
2.3.2 液體平衡微分方程的積分18
2.3.3 等壓面特性18
2.4 重力作用下靜水壓強的分布規律19
2.4.1 水靜力學基本方程19
2.4.2 絕對壓強、相對壓強,真空202.4.3 水頭與單位能量21
2.4.4 等壓面的應用22
2.4.5 靜水壓強分布圖24
2.5 重力和慣性力同時作用下的液體平衡25
2.6 作用于平面上的靜水總壓力28
2.6.1 解析法28
2.6.2 矩形平面靜水壓力——壓力圖法31
2.7 作用于曲面上的靜水總壓力33
2.7.1 靜水總壓力的大小33
2.7.2 靜水總壓力的方向35
2.7.3 靜水總壓力的作用點35
思考題37
習題38
第3章 液體一元恒定總流基本原理42
3.1 概述42
3.2 描述液體運動的兩種方法42
3.2.1 拉格朗日法42
3.2.2 歐拉法44
3.3 液體運動的幾個基本概念45
3.3.1 恒定流與非恒定流45
3.3.2 一元流、二元流與三元流46
3.3.3 流線與跡線46
3.3.4 流管、元流、總流、過水斷面47
3.3.5 流量與斷面平均流速47
3.3.6 均勻流和非均勻流48
3.3.7 漸變流與急變流49
3.3.8 系統和控制體50
3.4 恒定流動的連續方程51
3.5 恒定元流的能量方程52
3.5.1 理想液體恒定元流的能量方程52
3.5.2 伯努利方程的能量意義和幾何意義54
3.5.3 實際液體恒定元流的能量方程55
3.6 實際液體恒定總流能量方程56
3.7 恒定總流動量方程62
3.8 空化與空蝕的概念67
思考題67
習題68
第4章 層流和紊流、液流阻力和水頭損失71
4.1 概述71
4.2 水頭損失的分類71
4.3 液體運動的兩種流態——層流和紊流72
4.3.1 雷諾試驗72
4.3.2 沿程損失hf和平均流速v的關系73
4.3.3 流態的判別——雷諾(Reynolds)數75
4.4 均勻流基本方程77
4.4.1 切應力與沿程損失的關系77
4.4.2 切應力的分布79
4.5 層流運動80
4.5.1 圓管均勻層流80
4.5.2 二元明渠均勻層流83
4.6 沿程水頭損失的一般公式86
4.7 紊流概述86
4.7.1 紊流的脈動現象和時均概念87
4.7.2 紊流切應力89
4.7.3 紊流的黏性底層91
4.7.4 紊流的水力光滑面、水力過渡粗糙面和水力粗糙面92
4.8 紊流的流速分布93
4.8.1 對數流速分布94
4.8.2 指數流速分布96
4.8.3 黏性底層的厚度98
4.9 沿程水頭損失系數?λ?的試驗研究——尼古拉茲試驗101
4.9.1 人工粗糙管沿程水頭損失系數?λ?的試驗研究——尼古拉茲試驗101
4.9.2 實用管道沿程水頭損失系數?λ?的試驗研究104
4.10 謝才公式108
4.11 局部水頭損失111
思考題116
習題116
第5章 液體三元流動基本原理119
5.1 概述119
5.2 流線與跡線微分方程119
5.2.1 流線微分方程119
5.2.2 跡線微分方程120
5.3 液體三元流動的連續性方程120
5.4 液體微團運動的基本形式121
5.4.1 液體微團運動形式分析122
5.4.2 液體微團速度分解定理123
5.5 有旋運動簡介125
5.6 液體恒定平面勢流128
5.6.1 流速勢函數128
5.6.2 流函數129
5.6.3 流網及其性質131
5.6.4 基本平面勢流134
5.7 液體運動微分方程136
5.7.1 液體中一點處的應力狀態137
5.7.2 本構方程-應力與變形率的關系137
5.7.3 應力形式的運動微分方程138
5.7.4 運動微分方程——納維-斯托克斯方程139
5.7.5 紊流時均運動微分方程——雷諾方程140
5.7.6 邊界層簡介142
思考題143
習題143
第6章 有壓管流145
6.1 概述145
6.2 短管的水力計算146
6.2.1 自由出流146
6.2.2 淹沒出流147
6.2.3 總水頭線和測壓管水頭線的繪制148
6.2.4 短管水力計算舉例149
6.3 長管的水力計算153
6.3.1 簡單管道的水力計算153
6.3.2 串聯管道的水力計算155
6.3.3 并聯管道的水力計算156
……
第7章 明渠均勻流170
第8章 明渠非均勻流189
第9章 堰流和閘孔出流243
第10章 泄水建筑物下游水流的銜接與消能277
第11章 滲流299
第12章 污染物的輸運和擴散329
第13章 水力相似與模型試驗基本原理347
習題答案372
參考文獻378
同我國的情況類似,世界各國為了發展農業和航運事業,也修建了大量的渠系。古羅馬人則修建了大規模的管道供水系統,這些都反映出人們對水流運動規律有了初步認識。但是,世界公認的最早的水力學萌芽,是古希臘的阿基米德(Archimedes)論述的液體浮力和浮體的定律,奠定了水靜力學基礎。此后,水力學發展緩慢。
到15世紀至17世紀,由于生產力的不斷發展,出現了大量的水力學問題,但受到當時的科學水平的限制,無法用理論的方法加以解釋,只能夠憑借直覺或者借助實驗來解決。這一時期的代表人物有達·芬奇(L.da Vinci)、托里拆利(E.Torricelli)、伽利略(G.GaIilel)、帕斯卡(B.Pascal)、牛頓(I.Newton)等用實驗方法研究了水靜力學、大氣壓力、孔口出流、壓力傳遞和流體的內摩擦力等問題。但總體上,還沒能夠真正形成系統的理論。
17世紀以后,水力學得到了較快的發展,對其運動規律的研究大致可分為兩類:其一是通過數學分析的方法嚴格地進行理論推導,來建立流體力學的基本方程,如伯努利(D.Bernoulli)建立了理想液體運動的能量方程;歐拉(L.Euler)建立了理想液體的運動微分方程;納維(L.M.H.Navier)和斯托克斯(G.G.Stokes)建立了實際液體的運動方程;雷諾(O.Reynolds)建立了雷諾方程。這樣就構成了古典流體力學的理論基礎,并且發展成為力學的一個分支。雖然上述方程的建立采用了比較嚴格的理論推導,但所作的某些假設與實際情況也不盡相符,或由于數學求解上所遇到的困難,所以無法用于求解許多實際工程問題。其二,由于生產力發展的需要,從大量的實驗和實際的觀測資料中總結出一些經驗關系式用以解決實際工程問題,最具代表性的有謝才(A.de Chezy)建立了均勻流動的謝才公式,以及后來為確定謝才系數的曼寧(R.Manning)公式;達西(H.P.G.Darcy)提出的線性滲流定律;畢托(H.Penri)發明量測水流流速的畢托管;文丘里(A.G.B.Venturi)發明量測管道流量的文丘里管等。這些成果由于理論指導不足,往往都有其局限性,難以解決復雜的問題。
19世紀末,由于科技發展的突飛猛進,新技術的不斷涌現,生產實踐要求理論與實際緊密結合才能解決問題。特別在1904年普朗特(L.Prandtl)創立了邊界層理論,使流體力學的發展進入了一個嶄新階段。逐漸形成了現代流體力學。根據其研究的側重點不同,可將內容側重理論分析的稱為流體力學,而在內容上注重工程實際應用的稱為工程流體力學,亦稱為水力學。
20世紀以來,隨著科技的不斷進步,根據不同的研究領域的實際需要,水力學得到了空前的發展,并且與其他學科相互滲透,形成了一些新的分支學科,如環境水力學、生態水力學、化學流體力學等。尤其是近半個世紀以來,電子計算機的廣泛應用,使得過去無法求解的問題通過數值計算得到解決。這也為流體力學這一古老的學科插上騰飛的翅膀。