水力學

前言

幾十年來，從華東水利學院到河海大學，水力學教研室始終致力于教學研究和教材建設，先后公開出版發(fā)行水力學教材和教參十余個版次，如：于1979年編寫出版的《水力學》教材，是由教研室集體討論，分工編寫，許蔭椿、胡德保、薛朝陽擔任主編，該教材于1983年和1993年出版了第2版和第3版；1996年由李家星、陳立德任主編組織教研室的教師并且邀請了部分兄弟院校的教師參與編寫的教材，2001年出版了第2版。近20多年來，經(jīng)過大量的教學實踐，在教研室教師們的共同努力下，教材建設不斷得到完善和提高，形成了自己的特色。2005年9月出版的《水力學》教材是由現(xiàn)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(yè)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(tǒng)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。

內容概要

　　《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?！　　端W(第2版)》是依據(jù)多年的教學實踐，并廣泛吸取國內外教材之優(yōu)點而編寫的。在內容安排上，著重分析水流現(xiàn)象，揭示水流內在規(guī)律； 以水力學的基本概念、基本原理為主，避免繁瑣的數(shù)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(fā)展起到較好的促進作用?！　　端W(第2版)》主要作為高等院校水利、土建類專業(yè)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。

書籍目錄

第1章 緒論11.1 水力學的定義、任務和發(fā)展簡史11.2 液體的連續(xù)介質模型31.3 液體的主要物理性質31.3.1 質量和重量41.3.2 黏滯性51.3.3 壓縮性81.3.4 表面張力91.3.5 汽化壓強101.4 作用于液體的力101.4.1 表面力101.4.2 質量力11思考題11習題12第2章 水靜力學142.1 概述142.2 靜水壓強及其特性142.2.1 靜水壓強的定義142.2.2 靜水壓強的特性152.3 液體平衡微分方程及其積分172.3.1 液體平衡微分方程172.3.2 液體平衡微分方程的積分182.3.3 等壓面特性182.4 重力作用下靜水壓強的分布規(guī)律192.4.1 水靜力學基本方程192.4.2 絕對壓強、相對壓強，真空202.4.3 水頭與單位能量212.4.4 等壓面的應用222.4.5 靜水壓強分布圖242.5 重力和慣性力同時作用下的液體平衡252.6 作用于平面上的靜水總壓力282.6.1 解析法282.6.2 矩形平面靜水壓力——壓力圖法312.7 作用于曲面上的靜水總壓力332.7.1 靜水總壓力的大小332.7.2 靜水總壓力的方向352.7.3 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423.1 概述423.2 描述液體運動的兩種方法423.2.1 拉格朗日法423.2.2 歐拉法443.3 液體運動的幾個基本概念453.3.1 恒定流與非恒定流453.3.2 一元流、二元流與三元流463.3.3 流線與跡線463.3.4 流管、元流、總流、過水斷面473.3.5 流量與斷面平均流速473.3.6 均勻流和非均勻流483.3.7 漸變流與急變流493.3.8 系統(tǒng)和控制體503.4 恒定流動的連續(xù)方程513.5 恒定元流的能量方程523.5.1 理想液體恒定元流的能量方程523.5.2 伯努利方程的能量意義和幾何意義543.5.3 實際液體恒定元流的能量方程553.6 實際液體恒定總流能量方程563.7 恒定總流動量方程623.8 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714.1 概述714.2 水頭損失的分類714.3 液體運動的兩種流態(tài)——層流和紊流724.3.1 雷諾試驗724.3.2 沿程損失hf和平均流速v的關系734.3.3 流態(tài)的判別——雷諾(Reynolds)數(shù)754.4 均勻流基本方程774.4.1 切應力與沿程損失的關系774.4.2 切應力的分布794.5 層流運動804.5.1 圓管均勻層流804.5.2 二元明渠均勻層流834.6 沿程水頭損失的一般公式864.7 紊流概述864.7.1 紊流的脈動現(xiàn)象和時均概念874.7.2 紊流切應力894.7.3 紊流的黏性底層914.7.4 紊流的水力光滑面、水力過渡粗糙面和水力粗糙面924.8 紊流的流速分布934.8.1 對數(shù)流速分布944.8.2 指數(shù)流速分布964.8.3 黏性底層的厚度984.9 沿程水頭損失系數(shù)λ的試驗研究——尼古拉茲試驗1014.9.1 人工粗糙管沿程水頭損失系數(shù)λ的試驗研究——尼古拉茲試驗1014.9.2 實用管道沿程水頭損失系數(shù)λ的試驗研究1044.10 謝才公式1084.11 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1195.1 概述1195.2 流線與跡線微分方程1195.2.1 流線微分方程1195.2.2 跡線微分方程1205.3 液體三元流動的連續(xù)性方程1205.4 液體微團運動的基本形式1215.4.1 液體微團運動形式分析1225.4.2 液體微團速度分解定理1235.5 有旋運動簡介1255.6 液體恒定平面勢流1285.6.1 流速勢函數(shù)1285.6.2 流函數(shù)1295.6.3 流網(wǎng)及其性質1315.6.4 基本平面勢流1345.7 液體運動微分方程1365.7.1 液體中一點處的應力狀態(tài)1375.7.2 本構方程-應力與變形率的關系1375.7.3 應力形式的運動微分方程1385.7.4 運動微分方程——納維-斯托克斯方程1395.7.5 紊流時均運動微分方程——雷諾方程1405.7.6 邊界層簡介142思考題143習題143第6章 有壓管流1456.1 概述1456.2 短管的水力計算1466.2.1 自由出流1466.2.2 淹沒出流1476.2.3 總水頭線和測壓管水頭線的繪制1486.2.4 短管水力計算舉例1496.3 長管的水力計算1536.3.1 簡單管道的水力計算1536.3.2 串聯(lián)管道的水力計算1556.3.3 并聯(lián)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

章節(jié)摘錄

插圖：同我國的情況類似，世界各國為了發(fā)展農業(yè)和航運事業(yè)，也修建了大量的渠系。古羅馬人則修建了大規(guī)模的管道供水系統(tǒng)，這些都反映出人們對水流運動規(guī)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(fā)展緩慢。到15世紀至17世紀，由于生產力的不斷發(fā)展，出現(xiàn)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(tǒng)的理論。17世紀以后，水力學得到了較快的發(fā)展，對其運動規(guī)律的研究大致可分為兩類：其一是通過數(shù)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(fā)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(shù)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(fā)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(jīng)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(shù)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(fā)明量測水流流速的畢托管；文丘里（A.G.B.Venturi）發(fā)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(fā)展的突飛猛進，新技術的不斷涌現(xiàn)，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(chuàng)立了邊界層理論，使流體力學的發(fā)展進入了一個嶄新階段。逐漸形成了現(xiàn)代流體力學。根據(jù)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(jù)不同的研究領域的實際需要，水力學得到了空前的發(fā)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(huán)境水力學、生態(tài)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(shù)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。

編輯推薦

《水力學(第2版)》：高等院校力學教材，普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

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