水力学

 

本书是根据给排水科学与工程专业培养方案和高等院校给排水科学与工程专业本科四年制课程的教学基本要求，同时考虑满足其他专业教学要求而编写的流体力学课程通用教材。

全书包括流体静力学，流体运动学，流体动力学基础，量纲分析与相似原理，流动阻力和能量损失等11章内容。本书理论阐述简明严谨，便于教学。教师可根据不同专业的具体要求进行选讲。

本书可作为工科院校给排水工程、土木工程、道路桥梁工程、环境工程等专业流体力学（水力学）教材，也可作为注册结构工程师、公用设备工程师流体力学考试参考书。

第1章  绪论
  1.1  流体力学及其任务
    1.1.1  流体力学研究的对象
    1.1.2  流体力学的发展
    1.1.3  流体力学的任务
  1.2  常用的流体力学模型
    1.2.1  流体的连续介质力学模型
    1.2.2  不可压缩流体的力学模型
    1.2.3  理想流体力学模型
  1.3  分析流体力学的理论基础
  1.4  作用在流体上的力
    1.4.1  力的分析方法和力的分类
    1.4.2  质量力
    1.4.3  表面力
  1.5  流体的主要物理性质
    1.5.1  惯性
    1.5.2  重力特性
    1.5.3  压缩性和膨胀性
    1.5.4  黏性
  思考题和习题
第2章  流体静力学
  2.1  静水压强及其特性
    2.1.1  静水压强的定义
    2.1.2  静水压强的特性
  2.2  流体平衡微分方程及其积分
    2.2.1  流体平衡微分方程
    2.2.2  流体平衡微分方程的积分
    2.2.3  等压面及其特性
  2.3  重力场中流体静压强的分布规律
    2.3.1  流体静压强的基本方程式
    2.3.2  压强的计算基准
    2.3.3  压强的度量单位
    2.3.4  压差计
  2.4  作用于平面的静水压力
    2.4.1  解析法
    2.4.2  图解法
  2.5  作用于曲面的静水压力
  2.6  作用在潜体和浮体上的静水压力
  2.7  流体的相对平衡
    2.7.1  等加速直线运动中流体的平衡
    2.7.2  等角速度旋转运动中流体的平衡
  思考题和习题
第3章  流体运动学
  3.1  描述流体运动的两种方法
    3.1.1  拉格朗日法
    3.1.2  欧拉法
  3.2  流体运动的基本概念
    3.2.1  恒定流和非恒定流
    3.2.2  流线和迹线
    3.2.3  元流和总流
    3.2.4  流量和断面平均流速
    3.2.5  流动的分类
  3.3  连续性方程
    3.3.1  连续性微分方程
    3.3.2  恒定总流连续性方程
  3.4  流体微团的运动分析
  3.5  有旋流动和无旋流动
  思考题和习题
第4章  流体动力学基础
  4.1  流体运动微分方程
    4.1.1  理想流体运动微分方程
    4.1.2  黏性流体运动微分方程
  4.2  恒定元流能量方程
    4.2.1  理想流体运动微分方程的伯努利积分
    4.2.2  恒定元流能量方程的物理意义和几何意义
    4.2.3  黏性流体元流能量方程
  4.3  恒定总流能量方程
    4.3.1  恒定总流能量方程的推导
    4.3.2  能量方程的应用条件和注意事项
    4.3.3  总水头线和测压管水头线
    4.3.4  能量方程的应用
  4.4  恒定总流动量方程
    4.4.1  恒定总流动量方程的推导
    4.4.2  动量方程的应用
  思考题和习题
第5章  量纲分析与相似原理
  5.1  量纲概念与量纲和谐定理
    5.1.1  量纲和单位
    5.1.2  有量纲数和无量纲数
  5.2  相似概念及其基本内容
    5.2.1  流动现象相似的原理
    5.2.2  流体相似的特征
  5.3  量纲分析和相似准则推导方法
    5.3.1  量纲和谐原理
    5.3.2  量纲分析法
    5.3.3  流体相似准则
  5.4  模型律的应用举例
    5.4.1  模型律的选择
    5.4.2  模型的设计
  思考题和习题
第6章  流动阻力和能量损失
  6.1  流动阻力和能量损失分类
    6.1.1  沿程阻力和沿程水头损失
    6.1.2  局部阻力及局部水头损失
    6.1.3  总水头损失
  6.2  雷诺实验及流态判别
    6.2.1  雷诺实验
    6.2.2  流态的判别
  6.3  沿程水头损失与切应力的关系
    6.3.1  沿程水头损失
    6.3.2  均匀流方程式
    6.3.3  圆管过流断面上切应力分布规律
  6.4  圆管中的层流运动
    6.4.1  速度分布及平均流速
    6.4.2  沿程阻力损失的计算
  6.5  紊流运动
    6.5.1  紊流的特征与时均化
    6.5.2  紊流切应力
    6.5.3  普朗特混合长度理论
    6.5.4  黏性底层
  6.6  紊流的沿程水头损失
    6.6.1  尼古拉兹实验曲线
    6.6.2  人工粗糙管λ的半经验公式
    6.6.3  工业管道λ的计算
    6.6.4  沿程阻力系数的经验公式
  6.7  局部阻力损失计算
    6.7.1  突然扩大管
    6.7.2  突然缩小管
    6.7.3  几种典型管配的局部水头损失系数
  思考题和习题
第7章  孔口、管嘴和管路流动
  7.1  孔口恒定出流
    7.1.1  薄壁小孔口自由出流
    7.1.2  淹没出流
  7.2  管嘴出流
    7.2.1  圆柱形外管嘴恒定出流
    7.2.2  收缩断面的真空
    7.2.3  圆柱形外管嘴的正常工作条件
    7.2.4  其他形式的管嘴
  7.3  孔口的变水头出流
  7.4  短管的水力计算
    7.4.1  短管水力计算的基本公式
    7.4.2  短管水力计算问题
  7.5  长管的水力计算
    7.5.1  简单管路
    7.5.2  复杂管路
  7.6  有压管道中的水击
    7.6.1  水击发生的原因
    7.6.2  水击压强的计算
    7.6.3  防止水击危害的措施
  7.7  离心水泵的原理与应用
    7.7.1  离心水泵的工作原理
    7.7.2  离心水泵的性能参数
    7.7.3  离心泵的性能曲线与工作点的确定
  思考题和习题
第8章  明渠均匀流
  8.1  明渠的特征
    8.1.1  明渠底坡
    8.1.2  明渠断面
    8.1.3  明渠断面的几何要素
  8.2  明渠均匀流的特征及形成条件
    8.2.1  明渠均匀流的特征
    8.2.2  明渠均匀流的发生条件
  8.3  明渠均匀流的计算公式
  8.4  明渠水力*优断面和允许流速
    8.4.1  水力*优断面
    8.4.2  允许流速
  8.5  明渠均匀流水力计算的基本问题
    8.5.1  校核渠道的输水能力
    8.5.2  确定渠道底坡
    8.5.3  确定渠道断面尺寸
  8.6  无压圆管均匀流
    8.6.1  无压圆管均匀流的特征
    8.6.2  无压圆管水力*优条件
    8.6.3  无压圆管的水力计算问题
    8.6.4  *大充满度和设计流速
  8.7  复式断面明渠的水力计算
  思考题和习题
第9章  明渠非均匀流
  9.1  明渠非均匀流的基本问题
    9.1.1  明渠非均匀流形成条件
    9.1.2  明渠非均匀流的特征
    9.1.3  明渠非均匀流的主要研究问题
  9.2  明渠水流的流态及判别标准
    9.2.1  明渠水流流态
    9.2.2  微幅干扰波波速
    9.2.3  弗劳德数Fr
  9.3  断面单位能量与临界水深
    9.3.1  断面单位能量
    9.3.2  临界水深
    9.3.3  临界底坡
  9.4  水跃与水跌
    9.4.1  水跃
    9.4.2  水跌
  9.5  明渠恒定非均匀渐变流的微分方程
  9.6  棱柱形渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线分析
    9.6.1  渐变流水面曲线变化分析
    9.6.2  渠道底坡变化时水面曲线的分析
  9.7  明渠非均匀渐变流水面曲线的计算
    9.7.1  分段求和法基本公式
    9.7.2  渠道的分段原则
    9.7.3  分段求和法的计算方法
  思考题和习题
第10章  堰流和闸孔出流
  10.1  堰流及其水力特征
    10.1.1  堰和堰流
    10.1.2  堰流的分类
    10.1.3  堰流基本公式
  10.2  宽顶堰
    10.2.1  自由式无侧收缩宽顶堰
    10.2.2  淹没式无侧收缩宽顶堰
    10.2.3  侧收缩宽顶堰
  10.3  薄壁堰
    10.3.1  矩形薄壁堰
    10.3.2  三角形薄壁堰
    10.3.3  梯形薄壁堰
  10.4  实用断面堰
    10.4.1  实用断面堰及其分类
    10.4.2  实用断面堰的计算
  10.5  闸孔出流
    10.5.1  闸孔出流与堰流的水流状态比较
    10.5.2  闸孔出流特征
    10.5.3  闸孔自由出流
    10.5.4  闸孔淹没出流
  10.6  桥孔过流水力计算
    10.6.1  小桥孔过流的水力特性
    10.6.2  小桥孔过流的水力计算
  思考题和习题
第11章  渗流
  11.1  概述
    11.1.1  渗流理论的应用
    11.1.2  水在土壤中的存在状态
    11.1.3  渗流模型
  11.2  渗流基本定律
    11.2.1  达西定律
    11.2.2  达西定律的适用条件
    11.2.3  渗流系数
  11.3  地下水的均匀流和非均匀流
    11.3.1  恒定均匀渗流
    11.3.2  恒定非均匀渐变渗流
  11.4  集水廊道和井的渗流计算
    11.4.1  集水廊道
    11.4.2  潜水井
    11.4.3  自流井
    11.4.4  大口井与基坑排水
    11.4.5  井群
  思考题和习题
部分习题答案
参考文献

流体力学是许多工科专业非常重要的专业基础课，本书就是在满足给排水科学与工程专业的课程教学的基础上，同时兼顾土木工程、道路桥梁工程、环境工程、水利工程等专业的基本要求而编写的流体力学课程通用教材，也可作为注册结构工程师、公用设备工程师流体力学考试参考书。
全书共分11章，包括： 绪论 ，流体静力学，流体运动学，流体动力学基础，量纲分析与相似原理，流动阻力和能量损失，孔口、管嘴和管路流动，明渠均匀流，明渠非均匀流，堰流和闸孔出流，渗流。本书注重强化理论基础，重点培养学生的理论应用能力。本书以不可压缩的流体为研究对象，加深和扩宽理论基础，应用流体基本方程分析流动问题，理论联系实际，加强知识的实践应用性。
本书是编者结合多年的教学经验，精选和吸收国内外有关教材的优点，并适当加入学科新发展的基础上编著而成的，理论内容阐述简明严谨。不同专业的教师可根据相关专业的具体要求将内容进行筛选，保证教学的完整性和灵活性。书中各章均配有一定数量的典型例题、思考题和习题，并在书后附有部分习题答案。其中有很多习题，对于继续深造的工程技术人员具有一定的参考价值。
本书由沈阳大学张莉莉、燕山大学王峰、沈阳航空航天大学陈健和河南城建学院虞婷婷共同编著完成，其中第1、6、8、9章由张莉莉编写； 第2、3、4、7章由王峰编写； 第5章由陈健编写； 第10、11章由沈阳大学张莉莉和虞婷婷编写； 全书由张莉莉统编定稿。
本书的编写得到了清华大学出版社和沈阳大学的大力支持，同时在全书的绘图和校阅中得到了赵佳利和乔蕊的热心帮助，在此表示衷心的感谢。
由于作者编写水平有限，书中难免有不足和疏漏，敬请读者不吝指教。
编者2015年6月