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 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 4 m。求闸门上的静水总压力 F。

d = 4 mH = 1.5 mb = 3 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油的水箱壁上，其上边缘在液面以下 3 m。求压力中心在液面以下的深度 y_cp。

d = 3 mH = 2 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

3.连续性和伯努利中等

水以 36 L/s 流过一根水平管道，管径从 150 mm 缩小到 100 mm。窄段的压强为 280 kPa。忽略损失，求宽段的压强 p₁。

Q = 36 L/sd₁ = 150 mmd₂ = 100 mmp₂ = 280 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = 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 100 mm，表压为 40 kPa。喷嘴出口直径为 40 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 = 100 mmp₁ = 40 kPa (表压)d₂ = 40 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 2.2 m/s 的速度流过一根长 400 m、内径 50 mm 的水平管道。取达西摩擦系数 f = 0.028，g = 9.81 m/s²。求管道的压降 Δp，以 kPa 计。

V = 2.2 m/sL = 400 mD = 50 mmf = 0.028ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

6.管道摩擦与水头损失困难

两个敞口水池由一根长 100 m、内径 200 mm、达西摩擦系数 f = 0.015 的管道连接。上游水池水面比下游水池水面高 13 m。局部损失包括一个直角进口（K = 0.5）、4 个弯头（每个 K = 0.3）、一个阀门（K = 5）以及流入下游水池的出口（K = 1.0）。取 g = 9.81 m/s²。求流量 Q，以 L/s 计。

Δz = 13 mL = 100 mD = 200 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 5K_exit = 1.0

Q = L/s

7.水泵与泵功率中等

一台水泵以 56 m 的扬程输送 150 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）。水泵效率为 70%，驱动它的电动机效率为 92%。取 g = 9.81 m/s²。求电动机取用的电功率 P_el，以 kW 计。

Q = 150 L/sH = 56 mη_pump = 70%η_motor = 92%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

8.水泵与泵功率困难

一台水泵把 20 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 200 m，内径 100 mm，达西摩擦系数 f = 0.015；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 350 kPa。求水泵须提供的扬程 H。

Q = 20 L/sΔz = 22 mL = 200 mD = 100 mmf = 0.015ΣK = 6p_tank = 350 kPa

H = m

9.明渠流（曼宁公式）中等

一条梯形植草土渠渠道底宽 5.5 m，边坡 2:1（水平:竖直）。水以 1.6 m 的水深作均匀流。曼宁 n = 0.03，底坡 S = 0.005。求流量 Q，以 m³/s 计。

b = 5.5 my = 1.6 mz = 2n = 0.03S = 0.005

Q = m³/s

10.明渠流（曼宁公式）困难

一条底宽 3 m、边坡 2:1（水平:竖直）的梯形抹面混凝土渠道须以 0.8 m 的水深均匀输送 11 m³/s 的流量。曼宁 n = 0.012。求所需底坡 S（以 m/m 计）。

Q = 11 m³/sb = 3 my = 0.8 mz = 2n = 0.012

S = m/m

3溶液

1.静水压力

答案: F = 209.7 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 = 4 + 1.5/2 = 4.75 m

A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·4.75·4.5 = 209.7 kN

答案

F = 209.7 kN

2.静水压力

答案: y_cp = 4.083 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 = 3 + 2/2 = 4 m

A = H·b = 2·3 = 6 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 880·9.81·4·6 = 207.2 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 = 3·2³/12 = 2 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 4 + 2/(4·6) = 4.083 m

答案

y_cp = 4.083 m

3.连续性和伯努利

答案: p₁ = 288.4 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 = 0.036/0.01767 = 2.037 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0.036/0.007854 = 4.584 m/s

伯努利方程

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 280 + ½·1000·(4.584² − 2.037²)/1000 = 280 + 8.43 = 288.4 kPa

答案

p₁ = 288.4 kPa

4.连续性和伯努利

答案: H = 4.185 m

出口流速

β = 40/100 = 0.4

v₂ = √(2p₁/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·40000/(1000·0.9744)) = 9.061 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) = 9.061²/(2·9.81) = 4.185 m

答案

H = 4.185 m

5.管道摩擦与水头损失

答案: Δp = 542.1 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) = 0.028·(400/0.05)·2.2²/(2·9.81) = 55.26 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 = 1000·9.81·55.26 = 542080 Pa = 542.1 kPa

答案

Δp = 542.1 kPa

6.管道摩擦与水头损失

答案: Q = 128.7 L/s

损失系数

f·L/D = 0.015·100/0.2 = 7.5

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 5 + 1.0 = 7.7

能量方程

两个水面都与大气相通且基本静止，所以全部 Δz 都损失在管道中。

13 = (7.5 + 7.7)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·13/15.2) = 4.096 m/s

流量

Q = V·π·D²/4 = 4.096·0.03142 = 0.1287 m³/s = 128.7 L/s

答案

Q = 128.7 L/s

7.水泵与泵功率

答案: P_el = 128 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 = 1000·9.81·0.15·56 = 82.4 kW

轴功率

P_shaft = 82.4/0.7 = 117.7 kW

电功率

P_el = 117.7/0.92 = 128 kW

答案

P_el = 128 kW

8.水泵与泵功率

答案: H = 69.58 m

速度

V = Q/A = 0.02/0.007854 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

水头损失

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 6)·0.3305 = 11.9 m

压力水头

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9.81) = 35.68 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 = 22 + 35.68 + 11.9 = 69.58 m

答案

H = 69.58 m

9.明渠流（曼宁公式）

答案: Q = 34.96 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 = (5.5 + 2·1.6)·1.6 = 13.92 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 5.5 + 2·1.6·√(1 + 2²) = 12.66 m

R = A/P = 1.1 m

速度

V = (1/0.03)·1.1^2/3·0.005^1/2 = 2.512 m/s

流量

Q = A·V = 13.92·2.512 = 34.96 m³/s

答案

Q = 34.96 m³/s

10.明渠流（曼宁公式）

答案: S = 0.002791 m/m

几何参数

A = (b + z·y)·y = (3 + 2·0.8)·0.8 = 3.68 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 3 + 2·0.8·√(1 + 2²) = 6.578 m

R = A/P = 0.5595 m

由曼宁公式解 S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0.012·11/(3.68·0.679) = 0.05283

S = 0.05283² = 0.002791

答案

S = 0.002791

即每千米下降 2.791 m。

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