四川大学《水 力 学》 课程教学大纲.docx
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四川大学《水力学》课程教学大纲
《水力学》教学大纲
一、课程基本信息
课程名称（中、英文）：
水力学（Hydraulics）
课程号（代码）：
30619450
课程类别：
（专业基础技术课）
学时：
水工、农水100~116学时水文97~112学时
学分：
5学分
二、教学目的及要求
水力学是水利类各专业必修的一门主要专业基础课。
通过本课程的学习，使学生具有一定的理论基础，能正确区分流动类型、流动形态和局部流动现象，掌握水流运动的基本概念、基本理论与分析方法，理解不同水流的特点；学会常见水利工程中的水力计算，并具备初步的试验量测技能，为学习后续课程和专业技术工作打下基础。
同时在教学过程中加强对学生能力的培养。
教学中要注意处理好掌握知识和培养能力两者之间的辨证关系。
指导学生阅读参考书、文献和资料，培养学生自学获取知识的能力。
重视实验环节，要求学生独立操作，并分析实验成果，以培养学生的动手能力和从事科学实验研究的能力。
三、教学内容
水力学是一门技术基础课，应当理论联系实际，以分析水流现象，揭示水流运动规律，加强水力学的基本概念和基本原理的讲解为主，不宜过分强调专业需要，以致削弱水力学基础理论的讲解。
（一）基本内容
0．绪论
（1）液体的物理力学性质
（2）理想液体和连续介质的概念及其应用。
1．水静力学
（1）静水压强的基本公式、等压面概念和作用在平面、曲面上的静水总压力，压力体图的绘制。
（2）压强的表示方法和压强单位较多，应讲解其关系，避免引起混乱；
（3）几种质量力作用下的液体平衡，应结合例题讲解，以加强压强微分方程式理解和运用。
2.水动力学基础
（1）连续性方程、能量方程、动量方程是重点，这部分应讲深讲透，结合实例分析三大基本方程的应用条件和注意的问题及解题步骤，使学生正确理解其意义，通过习题熟练地掌握这些方程；
（2）液体运动的两种方法，流线、迹线的概念及特点；流量、断面平均流速、渐变流和急变流动水压强分布的概念。
3．液流型态和水头损失
（1）达西公式、层流紊流特征、雷诺数的物理意义和流态判别、沿程阻力和局部阻力是重点；
（2）造成水头损失的原因及影响因素；
4．有压管道恒定流
（1）短管和长管水力计算和水头线绘制是重点。
（2）复杂管道的特点和基本公式解题的方法。
5．有压管中的非恒定流
（1）水击过程、管道非恒定流的基本方程是重点；
（2）应用水击连锁方程解题.
6．明渠恒定流
（1）明渠均匀流的特性、佛汝德数物理概念及缓流、急流、临界流的判别，棱
柱体明渠水面曲线分析，水跃共轭水深计算是重点；
（2）明渠均匀流水力计算；
（3）逐段试算法进行水面曲线计算；
（4）河道水面曲线计算对水文专业学生要求掌握；
7．堰流及闸孔出流
（1）堰流、闸孔出流的判别和过流能力的计算是重点；
（2）堰闸的流量系数、侧收缩系数和淹没系数的选取；
（3）WES剖面。
8．泄水建筑物下游水流的衔接和消能
（1）底流式消能的水力计算是重点；
（2）迭代法进行溢流坝下游收缩断面水深计算；
（3）挑流式消能主要分析挑流长度的挑坎尺寸，简提冲刷坑深度；
12．液体运动的流场理论
（1）重点是液体运动的连续性方程、实际液体运动的微分方程及其物理意义；
（2）液体微团运动的基本形式，要使学生有一个正确的理解。
讲授时以说明物理概念和数学表达式的物理意义为主；
（3）讲清理想液体和实际液体动水压强的区别及关系，可以不必详细推导；
（4）欧拉方程和纳维埃---斯托克斯方程是流体力学中的基本方程，应使学生能正确地理解和分析应用。
讲解中应与前面恒定流基本方程联系起来。
13．恒定平面势流
（1）流网原理和绘制是重点；
（2）说明势函数和流函数的物理概念及其关系，使学生有一个正确的理解。
14．渗流
（1）渗流的达西定律和电拟法是本章重点；
（2）通过习题要求学生初步绘制流网和掌握用流网法求解渗流场的方法；
（3）电拟法中着重原理，配合实验使学生初步掌握电拟法的操作；
（4）土坝渗流可以简提，不必详细讲解。
4．量纲分析和相似原理
（1）
定理应用和相似准则是重点；
（2）着重指出无量纲数在表达普遍的水流规律中的重要意义；
（3）使学生正确理解量纲合谐是分析流动的一个重要手段，说明相似的重要性。
这部分内容头绪繁多，讲授中要点明各部分内容之明的关系，彼此紧密衔接，上下呼应，做到条理分明。
讲完后应总结，使学生明确问题的提出、发展和结论，构成一个有机的整体；
5、液流型态和水头损失
（1）水头损失的概念和分类，沿程水头损失和局部水头损失；
（2）边界条件对水头损失的影响；
（3）均匀流沿程水头损失与切应力关系，沿程水头损失的一般表达式：
达西公式；
（4）液体运动的两种型态及其判别：
层流和紊流及其判别，雷诺数的物理意义；
（5）圆管中层流运动及其沿程水头损失；
（6）紊流特征：
脉动现象、瞬时值、时均值、脉动值、紊动强度，紊动产生附加切应力，混合长度理论，粘性底层，紊流速度分布；
（7）沿程阻力系数变化规律：
沿程阻力系数λ与雷诺数和相对粗糙度的关系（尼库拉兹图），莫迪图，水力光滑区、过渡区和粗糙区的差别及计算各区λ值的经验公式；
（8）沿程水头损失的经验公式：
谢才公式、曼宁公式；
（9）局部水头损失：
局部水头损失的一般表达式，圆管突然放大的局部水头损失，局部阻力系数。
6、恒定有压管流
（1）管道类型；
（2）简单管道水力计算的基本公式；
（3）简单管道水力计算的基本类型和实例；
（4）复杂管道的水力计算：
串联管道、并联管道、分岔管道、沿程均匀泄流管道（农水）管网（给排水）；
（5）测压管水头线和总水头线绘制；
（6）变水头管道泄流时间的计算。
7、非恒定有压管流
（1）阀门突然关闭和逐渐关闭时管道中的水击：
水击现象，水击波传播速度，直接水击和间接水击；
（2）管道非恒定流的基本方程：
连续性方程和运动方程；
（3）水击的基本微分方程组：
水击连续性方程、水击运动方程，水击连锁方程及其应用；
（4）调压井水面振荡简介。
8、明渠恒定水流
（1）明渠恒定均匀流
1明渠类型；
2②明渠均匀流的特性及产生的条件；
③明渠均匀流计算公式；
④水力最佳断面和允许流速；
⑤明渠均匀流水力计算类型；
⑥粗糙度不同的明渠和复式断面明渠的水力计算。
（2）明渠恒定非均匀流
①明渠水流的三种流态及判别，佛汝德数的物理意义；
②断面比能及比能曲线的特性；
③临界水深计算及实例；
④缓坡、陡坡和临界坡度；
⑤明渠非均匀渐变流的微分方程式：
基本方程式、水深、断面比能和水位沿程变化的微分方程；
⑥棱柱体渠道恒定渐变流水面曲线的分析；
⑦棱柱体及非棱柱体渠道水面曲线计算：
逐段试算法；
⑧恒定非均匀流流量和糙率计算；
⑨河道水面曲线的计算：
试算法和图解法。
（3）水跃
①棱柱体水平明渠水跃方程；
②水平明渠水跃共轭水深的计算；
③水跃方程的实验验证；
④棱柱体水平明渠水跃能量损失和跃长的计算。
*9、明渠非恒定流
（1）明渠非恒定流的特性和波的分类；
（2）明渠非恒定渐变流基本方程式：
连续性方程和运动方程；
（3）初始条件和边界条件；
（4）明渠非恒定流的计算方法：
特征线法和瞬态法；
（5）明渠非恒定急变流：
波额流段的连续性方程和动量方程，波额流量。
10、堰流和闸孔出流
（1）堰流类型：
薄壁堰、实用堰、宽顶堰；
（2）堰流的基本公式；
（3）薄壁堰、实用堰和宽顶堰的水力计算，流量系数、侧收缩系数、流速系数和淹没系数，实用堰剖面设计原则简介；
（4）闸孔出流的水力计算：
底坎为宽顶堰型和曲线型实用堰的闸孔出流。
11、泄水建筑物下游水流衔接和消能
（1）底流式消能的水力计算，溢流坝下游收缩断面水深的计算，降低护坦及建消能坝形成消能池的水力计算；
Δ
（2）挑流式消能的水力计算：
Δ（3）面流消能及消能戽消能水流特性简介。
12、液体运动的流场理论
（1）流场、速度、加速度；
（2）流线、迹线及其微分方程；
（3）液体微团运动的基本形式：
平移、线变形、角变形和旋转；
（4）无涡流、有涡流、速度环量和涡通量；
（5）液体运动的连续性方程式；
（6）理想液体运动微分方程式及其积分，动水压强特性，欧拉方程式，葛罗米柯方程式及其积分；
（7）实际液体运动微分方程式：
纳维埃一斯托克斯方程；
（8）边界层概念。
13、恒定平面势流
（1）恒定平面势流的流速势及流函数；
（2）流网法解平面势流：
流网原理，流网的绘制和应用。
14、渗流
（1）渗流基本概念和渗流模型；
（2）达西定律及其应用条件，渗透系数；
（3）恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流，杜比公式；
（4）棱柱体地下河槽恒定渐变流浸润线的分析和计算；
（5）普通井及井群渗流计算；
（6）渗流场的基本微分方程式及其解法简介；
（7）用流网法解平面渗流；
（8）水电比拟法绘流网。
注：
有符号Δ者，水工、农水、施工讲，水文、水资源、给排水不讲；有符号*者，水文、水资源讲，水工、农水、施工、给排水不讲。
三.习题、实验及学习分配
（一）习题作业
习题作业的基本要求是：
巩固和加深理解所学的基本概念和基本理论，培养学生分析问题、解决问题和灵活运用知识的能力，提高计算技能，培养严肃认真的科学作风和独自获取知识的能力。
习题作业也是理论联系实际的一个途径。
习题包括思考题和计算题。
习题作业应与讲课密切配合。
讲课中讲解必要的例题，课后布置习题作业，利用课外时间完成。
辅导课可用来分析总结习题中的错误和问题，在教师的引导下进行课堂讨论，解决有关要领或原理中的疑难问题。
水力学课外学时为课内学时的1.5倍，除了复习、阅读参考书外，可用来完成习题作业。
完成习题作业的数量为130~200题，针对具体情况，可以布置必作题和选作题，既要避免学生负担过重，又要做到因材施教，使能力较强的学生获得较多的训练。
水文、水资源学生应作明渠非恒定流大作业。
课外习题作业，按课程内容的分配，见下表：
表1各章习题分布表
课程内容
习题数
课程内容
习题数
1.绪论
4~6
8.明渠恒定水流
20~32
2.水静力学
15~22
9.明渠非恒定流
1~2
3.水动力学基础
18~30
10.堰流和闸孔出流
10~15
4.量纲分析和相似原理
4~6
11.泄水建筑物下游水流衔接和消能
5~8
5.液流型态和水头损失
14~20
12.液体运动的流场理论
14~20
6.恒定有压管流
10~15
13.恒定平面势流
4~6
7.非恒定有压管流
5~8
14.渗流
6~10
习题数总计
130~200
注:
有*号者为大作业
（二）实验
1.实验要求
实验单独设课考试记分，实验内容应和课程内容紧密衔接。
实验的基本要求是：
观察水流现象，验证所学理论，使学生掌握进行科学试验的方法和操作技能，训练学生整理实验资料，编写实验报告的能力，培养学生严格的科学作风。
实验包括演示实验和量测实验两种。
在条件允许的情况下，可增加一些演示实验，以增加学生的感性认识，也可组织学生参观国家实验室的先进设备，扩大视野。
每个操作实验，要求学生2~4人一组，使每个学生都有动手进行操作，观测水流现象的机会。
实验数据要求用微机处理、学生能独立整理分析实验成果，受到实验技能的基本训练。
实验课学时20~25学时。
2.实验内容
（1）操作实验
1静水压强测定；
2能量方程的验证；
3文丘里管流量系数测定；
④动量方程实验验证；
⑤管流沿程阻力实验；
⑥管流局部阻力实验；
⑦明渠断面流速分布测定；
⑧薄壁堰流量系数的测定；
⑨渗流的电拟法实验。
（2）演示实验
①流线演示；
②超声波（或激光）测流速表演；
③雷诺实验；
④水面曲线演示实验；
⑤水跃及建筑物下游水流衔接现象的观测；
⑥边界层现象观测。
（三）学时分配
水工（农水等）讲课（包括习题课）100~116学时
水文讲课97~112学时
习题课可纳入讲课中不单独进行。
表2各专业各章学时分配表
专业
内容
水工、农水
水文
习题课
1．绪论
3
3
2．水静力学
7
7
3．水动力学基础
10~12
10~12
2
4．量纲分析和相拟原理
6
1
5．液流型态和水头损失
10~12
10~12
6．恒定有压管流
4
4
7．非恒定有压管流
8~10
8．明渠恒定流
17~20
17~20
2
9．明渠非恒定流
10~12
2
10．堰流和闸孔出流
7~8
7~8
11．泄水建筑物下游水流衔接和消能
6~8
4~5
0~2
12．液体运动的流场理论
8~10
8~10
13．恒定平面势流
2
2
14．渗流
6~8
6~8
总计
94~110
89~104
6~8
四．课程的基本要求及教材
（一）课程的基本要求
学生完成课程后，达到的基本要求是：
1.具有一定的理论基础
（1）正确区分流动类型、流动形态和局部流动现象、了解它们的联系，明确产生这些现象的场合及相互转化的条件，如恒定流和非恒定流，均匀流和非均匀流，渐变流和急变流，一元流、二元流和三元流，层流和紊流，急流、缓流和临界流,水跃;
（2）正确理解水力学中一些基本概念和物理意义，如液体质点、连续介质、粘滞性、牛顿内摩擦定律、压强、等压面、水头、欧拉法与拉格朗日法、流线和迹线、水力要素、流量和断面平均流速、液体微团运动的基本形式、势流和涡流、流速势、流函数和流网、量纲和单位、佛汝德数、雷诺数、瞬时值、时均值和脉动值、混合长度、边界层、粘性底层、水力光滑和水力粗糙、糙率、正常水深、临界水深、比能、临界底坡、流速系数、收缩系数、流量系数和淹没系数；
（3）了解水流能量转化和能量损失的原因，明确水流沿程阻力系数和局部阻力系数的物理意义，掌握影响阻力系数的因素及确定阻力系数和水头损失的途径和方法；
（4）正确掌握水流运动的总流分析法，对水力学三大基本方程的物理意义有正确的理解并能应用三大基本方程求解实际问题，对微分方程求解流场的方法只作一般的了解，初步掌握用流网法求解平面势流问题。
2.对工程中与专业有关的水力学问题，具有正确进行分析和计算的能力
（1）水力荷载的确定。
会计算平面、曲面上静水压力，会应用动量方程求运动水流对边壁的总作用力；
（2）过流能力的确定。
会计算管道、明渠和堰闸的泄流量和选择断面尺寸；
（3）各种水头损失的分析和计算；
（4）常见工程水力学问题的综合分析计算，如引水系统的水力计算，河渠水面曲线的分析和计算，衔接与消能计算，渗流计算等。
3.掌握一定的实验技能
掌握量测水位、流量、流速、压强的方法和技能，了解现代量测技术，具有观测
水力现象，分析实验内容，处理实验数据和编写报告的能力。
4.加强对学生能力的培养
在教学和实验中，注意对学生能力的培养，主要培养学生具有独自获取知识的能力，灵活应用知识的能力，以及分析问题和解决问题的能力，为今后进行探索、开拓、创新奠定必要的基础。
5.加强微机教学
对水力学中有关章节采用试算或工作量大的重复计算的习题，要求学生应用微机编程计算，如沿程阻力系数的计算，均匀流水深计算，临界水深计算，水面曲线的计算等，以加强对学生计算技能的训练和培养。
（二）教材及参考材料
1.教材
采用四川大学吴持恭主编《水力学》。
2.参考教材
（1）清华大学编《水力学》；
（2）武汉水利电力学院徐正凡主编《水力学》；
（3）英语版，道路拉斯等编《流体力学》。
五．水力学专题
（1）高速水力学：
20~25学时
（2）环境水力学：
30~40学时；
（3）管网水力学：
30学时；
（4）施工水力学：
30学时；
（5）流体力学：
40学时。
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