水力学：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 10 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

静水压力

深度处的压强: p = ρgh
竖直壁面上的力: F = ρg·h_c·A
压力中心: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
矩形: I_c = bH³/12

连续性和伯努利

连续性: A₁v₁ = A₂v₂
伯努利方程: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
流量: Q = A·v
圆面积: A = πd²/4

管道摩擦与水头损失

雷诺数: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
流态: Re ≈ 2000 以下为层流，Re ≈ 4000 以上为湍流
平均流速: V = Q/A, A = π·D²/4
达西–魏斯巴赫公式: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
局部损失: h_m = ΣK·V²/(2g)
典型 K 值: 进口 0.5，出口 1.0，90° 弯头 ≈ 0.3
压降: Δp = ρ·g·h_f
两个敞口水池: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
自由出流: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

水泵与泵功率

水功率: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
轴功率: P_shaft = P_h/η_pump
电功率: P_el = P_shaft/η_motor
泵扬程: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
系统损失: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

明渠流（曼宁公式）

曼宁公式: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
流量: Q = A·V
水力半径: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
矩形: A = b·y, P = b + 2y
梯形（边坡 z:1）: A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
圆管，满流或半满流: R = D/4
所需坡度: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

2练习题

1.静水压力中等

一扇宽 1 m 的竖直矩形闸门位于盛有水的水箱壁上，其上边缘在液面以下 0.5 m。求闸门上的静水总压力 F。

d = 0.5 mH = 2 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

2.静水压力困难

一扇宽 1 m 的竖直矩形闸门位于盛有水的水箱壁上，其上边缘在液面以下 2 m。求压力中心在液面以下的深度 y_cp。

d = 2 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

3.连续性和伯努利中等

水流经一根水平管道，管径从 75 mm 缩小到 40 mm。宽段压强为 180 kPa，流速为 2.5 m/s。忽略损失，求窄段的压强 p₂。

d₁ = 75 mmd₂ = 40 mmp₁ = 180 kPav₁ = 2.5 m/sρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

4.连续性和伯努利困难

一个喷泉喷嘴竖直向上。在喷嘴正下方，供水管直径为 75 mm，表压为 80 kPa。喷嘴出口直径为 25 mm，喷嘴前后的高度差可忽略。忽略损失和空气阻力，求射流高出喷嘴的高度 H。取 g = 9.81 m/s²。

d₁ = 75 mmp₁ = 80 kPa (表压)d₂ = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

H = m

5.管道摩擦与水头损失中等

水（ρ = 1000 kg/m³）以 2.8 m/s 的速度流过一根长 800 m、内径 250 mm 的水平管道。取达西摩擦系数 f = 0.02，g = 9.81 m/s²。求管道的压降 Δp，以 kPa 计。

V = 2.8 m/sL = 800 mD = 250 mmf = 0.02ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

6.管道摩擦与水头损失困难

一根长 100 m、内径 150 mm（达西摩擦系数 f = 0.02）的管道从敞口水池引出，以自由射流排入大气。局部损失包括一个直角进口（K = 0.5）、3 个弯头（每个 K = 0.3）和一个阀门（K = 2）。取 g = 9.81 m/s²。要使流量为 25 L/s，水池水面须比管道出口高多少 H？

Q = 25 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 2

H = m

7.水泵与泵功率中等

在一次试验中，水泵以 42 m 的扬程输送 40 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³），轴输入功率为 23.5 kW。取 g = 9.81 m/s²。求水泵效率 η，以百分比计。

Q = 40 L/sH = 42 mP_shaft = 23.5 kWg = 9.81 m/s²

η = %

8.水泵与泵功率困难

一台水泵把 75 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）从敞口下游水池输送到水面高 22 m 的上游水箱。管道长 100 m，内径 200 mm，达西摩擦系数 f = 0.018；局部损失系数之和为 ΣK = 8（含进口和出口）。取 g = 9.81 m/s²。求水泵须提供的扬程 H。

Q = 75 L/sΔz = 22 mL = 100 mD = 200 mmf = 0.018ΣK = 8

H = m

9.明渠流（曼宁公式）中等

一条梯形未抹面混凝土渠道底宽 5 m，边坡 1:1（水平:竖直）。水以 1.9 m 的水深作均匀流。曼宁 n = 0.014，底坡 S = 0.001。求流量 Q，以 m³/s 计。

b = 5 my = 1.9 mz = 1n = 0.014S = 0.001

Q = m³/s

10.明渠流（曼宁公式）困难

一条宽 4.5 m 的矩形砖砌渠道须以 1.8 m 的水深均匀输送 17 m³/s 的流量。曼宁 n = 0.015。求所需底坡 S（以 m/m 计）。

Q = 17 m³/sb = 4.5 my = 1.8 mn = 0.015

S = m/m

3溶液

1.静水压力

答案: F = 29.43 kN

平面上的静水压力：F = ρ·g·y_c·A。合力作用在压力中心 y_cp = y_c + I_c/(y_cA)，它总在形心以下。

形心深度和面积

y_c = d + H/2 = 0.5 + 2/2 = 1.5 m

A = H·b = 2·1 = 2 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·1.5·2 = 29.43 kN

答案

F = 29.43 kN

2.静水压力

答案: y_cp = 3.714 m

平面上的静水压力：F = ρ·g·y_c·A。合力作用在压力中心 y_cp = y_c + I_c/(y_cA)，它总在形心以下。

形心深度和面积

y_c = d + H/2 = 2 + 3/2 = 3.5 m

A = H·b = 3·1 = 3 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·3.5·3 = 103 kN

压力中心

压强随深度增大，因此合力作用在形心以下。

I_c = b·H³/12 = 1·3³/12 = 2.25 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 3.5 + 2.25/(3.5·3) = 3.714 m

答案

y_cp = 3.714 m

3.连续性和伯努利

答案: p₂ = 144.5 kPa

连续性方程和伯努利方程：对不可压缩流体，各截面流量相同，Q = A₁v₁ = A₂v₂。沿无损失的流线，p + ½ρv² + ρgz 为常数，所以流体越快或越高的地方压强越低。

连续性和伯努利

用 Pa 计算，再除以 1000 得到 kPa。

v₂ = v₁·(d₁/d₂)² = 2.5·(75/40)² = 8.789 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(2.5² − 8.789²)/1000 = −35.5 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) = 180 + (−35.5) = 144.5 kPa

答案

p₂ = 144.5 kPa

4.连续性和伯努利

答案: H = 8.257 m

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

出口流速

β = 25/75 = 0.3333

v₂ = √(2p₁/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·80000/(1000·0.9877)) = 12.73 m/s

射流高度

沿射流的伯努利方程：在最高点速度为零，压强又回到大气压。

H = v₂²/(2g) = 12.73²/(2·9.81) = 8.257 m

答案

H = 8.257 m

5.管道摩擦与水头损失

答案: Δp = 250.9 kPa

管流：雷诺数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ 用于区分层流（Re 约低于 2000）和湍流（约高于 4000）。沿管道的摩擦造成达西–魏斯巴赫水头损失 h_f = f·(L/D)·V²/(2g)。管件、阀门、进口和出口带来局部损失 h_m = ΣK·V²/(2g)。在两个敞口水池液面之间，能量方程给出 Δz = h_f + h_m，其中包含出口损失 K = 1。

水头损失

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(800/0.25)·2.8²/(2·9.81) = 25.57 m

压降

管道水平且流速不变，所以能量方程简化为 Δp = ρ·g·h_f。

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9.81·25.57 = 250880 Pa = 250.9 kPa

答案

Δp = 250.9 kPa

6.管道摩擦与水头损失

答案: H = 1.809 m

速度

V = Q/A = 0.025/0.01767 = 1.415 m/s

V²/(2g) = 0.102 m

损失系数

f·L/D = 0.02·100/0.15 = 13.33

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 2 = 3.4

能量方程

出口射流仍带有速度水头；它不是损失，但必须由水头提供。

H = (1 + 13.33 + 3.4)·0.102 = 1.809 m

答案

H = 1.809 m

7.水泵与泵功率

答案: η = 70.13 %

水泵功率：传给水的功率是水功率 P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp。由于水泵有损失，轴必须输入更多功率：P_shaft = P_h/η_pump，电动机取用 P_el = P_shaft/η_motor。泵扬程 H 由能量方程求得：静扬程 + 压力水头 + 全部沿程和局部损失。

水功率

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.04·42 = 16.48 kW

效率

η = P_h/P_shaft = 16.48/23.5 = 70.13%

答案

η = 70.13%

8.水泵与泵功率

答案: H = 26.94 m

速度

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s

V²/(2g) = 0.2905 m

水头损失

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 8)·0.2905 = 4.938 m

泵扬程

两个水面都是敞口的且基本静止，所以压强项和速度项消去。

H = Δz + h_L = 22 + 4.938 = 26.94 m

答案

H = 26.94 m

9.明渠流（曼宁公式）

答案: Q = 34.61 m³/s

曼宁公式（SI）：明渠均匀流中 V = (1/n)·R^2/3·S^1/2，Q = A·V，其中 n 为糙率，S 为底坡 (m/m)，R = A/P 为水力半径：过水断面面积除以湿周。P 只计与水接触的边界，不计自由水面。矩形：A = b·y，P = b + 2y。边坡为 z:1（水平:竖直）的梯形：A = (b + z·y)·y，P = b + 2y·√(1 + z²)。满流或半满流的圆管 R = D/4。

几何参数

A = (b + z·y)·y = (5 + 1·1.9)·1.9 = 13.11 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·1.9·√(1 + 1²) = 10.37 m

R = A/P = 1.264 m

速度

V = (1/0.014)·1.264^2/3·0.001^1/2 = 2.64 m/s

流量

Q = A·V = 13.11·2.64 = 34.61 m³/s

答案

Q = 34.61 m³/s

10.明渠流（曼宁公式）

答案: S = 0.0009911 m/m

几何参数

A = b·y = 4.5·1.8 = 8.1 m²

P = b + 2y = 4.5 + 2·1.8 = 8.1 m

R = A/P = 1 m

由曼宁公式解 S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0.015·17/(8.1·1) = 0.03148

S = 0.03148² = 0.0009911

答案

S = 0.0009911

即每千米下降 0.9911 m。

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