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 2 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 1 m。求闸门上的静水总压力 F。

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

F = kN

2.静水压力困难

一扇宽 3 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 1 m。求压力中心在液面以下的深度 y_cp。

d = 1 mH = 2.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

3.连续性和伯努利中等

水以 24 L/s 流过一根水平管道，管径从 200 mm 缩小到 100 mm。窄段的压强为 150 kPa。忽略损失，求宽段的压强 p₁。

Q = 24 L/sd₁ = 200 mmd₂ = 100 mmp₂ = 150 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

4.连续性和伯努利困难

水在一根管道中向上流动，管径从 150 mm 缩小到 100 mm，同时升高 7 m。截面 1 处压强为 130 kPa，流速为 1.75 m/s。忽略损失，求截面 2 处的压强 p₂。

d₁ = 150 mmd₂ = 100 mmp₁ = 130 kPav₁ = 1.75 m/sΔz = 7 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

5.管道摩擦与水头损失中等

水以 40 L/s 的流量流过一根长 1000 m、内径 150 mm 的管道。取达西摩擦系数 f = 0.025，g = 9.81 m/s²。求沿程水头损失 h_f。

Q = 40 L/sL = 1000 mD = 150 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²

h_f = m

6.管道摩擦与水头损失困难

一根长 150 m、内径 150 mm（达西摩擦系数 f = 0.018）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）、2 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 20 L/s，水池水面须比管道出口高多少 H？

Q = 20 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 2

H = m

7.水泵与泵功率中等

一台效率为 85% 的水泵以 12 m 的扬程输送 10 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）。取 g = 9.81 m/s²。求所需的轴功率 P_shaft，以 kW 计。

Q = 10 L/sH = 12 mη = 85%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

8.水泵与泵功率困难

一台水泵把 40 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）从敞口下游水池输送到水面高 17 m 的上游水箱。管道长 150 m，内径 150 mm，达西摩擦系数 f = 0.025；局部损失系数之和为 ΣK = 6（含进口和出口）。取 g = 9.81 m/s²。上游水箱是封闭的，水面上方空气的表压为 200 kPa。求水泵须提供的扬程 H。

Q = 40 L/sΔz = 17 mL = 150 mD = 150 mmf = 0.025ΣK = 6p_tank = 200 kPa

H = m

9.明渠流（曼宁公式）中等

一根内径 450 mm 的混凝土雨水管半满流。曼宁 n = 0.013，坡度 S = 0.003。求流量 Q，以 m³/s 计。

D = 450 mmn = 0.013S = 0.003

Q = m³/s

10.明渠流（曼宁公式）困难

一根内径 450 mm 的混凝土污水管（曼宁 n = 0.013）在刚好满流时须达到 0.6 m/s 的自清流速。求最小坡度 S（以 m/m 计）。

D = 450 mmn = 0.013V = 0.6 m/s

S = m/m

3溶液

1.静水压力

答案: F = 147.2 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 = 1 + 3/2 = 2.5 m

A = H·b = 3·2 = 6 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·2.5·6 = 147.2 kN

答案

F = 147.2 kN

2.静水压力

答案: y_cp = 2.481 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 = 1 + 2.5/2 = 2.25 m

A = H·b = 2.5·3 = 7.5 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·2.25·7.5 = 165.5 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 = 3·2.5³/12 = 3.906 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 2.25 + 3.906/(2.25·7.5) = 2.481 m

答案

y_cp = 2.481 m

3.连续性和伯努利

答案: p₁ = 154.4 kPa

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.

流速

v₁ = Q/A₁ = 0.024/0.03142 = 0.7639 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0.024/0.007854 = 3.056 m/s

伯努利方程

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 150 + ½·1000·(3.056² − 0.7639²)/1000 = 150 + 4.377 = 154.4 kPa

答案

p₁ = 154.4 kPa

4.连续性和伯努利

答案: p₂ = 55.11 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 = 1.75·(150/100)² = 3.938 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(1.75² − 3.938²)/1000 = −6.221 kPa

ρgΔz = 1000·9.81·7/1000 = 68.67 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 130 + (−6.221) − 68.67 = 55.11 kPa

答案

p₂ = 55.11 kPa

5.管道摩擦与水头损失

答案: h_f = 43.52 m

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。

平均流速

A = π·0.15²/4 = 0.01767 m²

V = Q/A = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s

速度水头

V²/(2g) = 2.264²/(2·9.81) = 0.2611 m

达西–魏斯巴赫公式

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(1000/0.15)·2.264²/(2·9.81) = 43.52 m

答案

h_f = 43.52 m

6.管道摩擦与水头损失

答案: H = 1.443 m

速度

V = Q/A = 0.02/0.01767 = 1.132 m/s

V²/(2g) = 0.06529 m

损失系数

f·L/D = 0.018·150/0.15 = 18

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 = 3.1

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 + 18 + 3.1)·0.06529 = 1.443 m

答案

H = 1.443 m

7.水泵与泵功率

答案: P_shaft = 1.385 kW

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 = 1000·9.81·0.01·12 = 1.177 kW

轴功率

P_shaft = P_h/η = 1.177/0.85 = 1.385 kW

答案

P_shaft = 1.385 kW

8.水泵与泵功率

答案: H = 45.48 m

速度

V = Q/A = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s

V²/(2g) = 0.2611 m

水头损失

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (25 + 6)·0.2611 = 8.095 m

压力水头

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9.81) = 20.39 m

泵扬程

两个水面都基本静止，所以没有速度水头项。

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 17 + 20.39 + 8.095 = 45.48 m

答案

H = 45.48 m

9.明渠流（曼宁公式）

答案: Q = 0.07808 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 = 0.07952 m², R = D/4 = 0.1125 m

速度

V = (1/0.013)·0.1125^2/3·0.003^1/2 = 0.9819 m/s

流量

Q = A·V = 0.07952·0.9819 = 0.07808 m³/s

答案

Q = 0.07808 m³/s

10.明渠流（曼宁公式）

答案: S = 0.00112 m/m

水力半径

R = D/4 = 0.45/4 = 0.1125 m

由曼宁公式解 S

S = (n·V/R^2/3)² = (0.013·0.6/0.233)² = 0.00112

答案

S = 0.00112

即每千米下降 1.12 m。

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