水力学一教案.docx

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水力学一教案

西北农林科技大学

水利与建筑工程学院

教案

学院名称水建学院

课程名称水力学（乙）

课程性质学科基础课

授课教师张新燕

职称副教授

使用教材吕宏兴等主编《水力学》

授课时数72学时

课程说明：

课程性质：

专业基础课、必修课。

教学目的与要求：

要求学生了解或掌握液体运动与平衡规律及其在工程上的简单应用。

教学内容包括两大部分：

前半部分介绍液体的平衡与运动规律、后半部分介绍其工程应用。

通过本课程的学习，使学生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，为学习后续专业课程和从事专业技术工作打下基础。

课程总学时72学时，包括实验8学时和观看录像学时2学时。

。

教学方式：

课堂讲授、实验教学、课堂讨论等，以课堂讲授为主。

考核方式：

最终总成绩评定中，闭卷考试成绩占70%，实验、平时作业占30%。

实验课：

每项实验由2-3名学生组成实验小组进行，实验结束需递交实验报告，由实验指导教师评定实验成绩。

具体安排

第1次课（第1周）2学时

章节

第一章

课目课题

水力学的研究对象与任务；液体的基本特性和主要物理力学性质；作用于液体上的力；水力学的研究方法。

教学目的和

要求

明确水力学研究的对象、特点以及其重要性；理解液体的惯性、重力特性与粘滞性；了解压缩性与表面张力特性；了解两类作用力的特点；掌握容重与密度间、粘滞性系数与粘滞力间的关系式。

重点与难点

重点：

液体的基本特性和主要物理力学性质；作用于液体上的力。

难点：

液体的粘滞性。

复习旧课

教

学

内

容

提

要

1、水力学的定义、任务及其在专业中的作用及水力学的发展概况；

2、液体的主要物理性质：

1）惯性、质量与密度；

2）万有引力特性与重力；

3）粘滞性与粘滞系数。

3、连续介质和理想液体的概念；

4、作用于液体上的力：

表面力；

质量力；

单位质量力。

5、水力学的研究方法理论分析；科学试验。

思

考

题

1液体的基本特征是什么？

它与气体、固体有什么区别？

2为什么要引进连续介质的假设？

为什么可以把液体当作连续介质？

3液体的主要物理特性是什么？

研究液体运动一般主要考虑哪些物理性质？

4液体内摩擦力的大小与哪些因素有关？

叙述牛顿内摩擦定律的内容、表达式和使用条件。

5理想液体与实际液体有什么区别？

为什么要引入理想液体的概念？

6作用在液体上的力有哪几种？

如何定义？

7单位质量力怎样定义的？

它的量纲和单位是什么？

作业题

1-2、1-4、1-5

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第2次课（第1周）2学时

章、节

第二章：

第一节第二节

课目

课题

静水压强及特性；液体的平衡微分方程及积分；等压面。

教学目的和

要求

了解平衡微分方程的微分与积分形式；掌握静水压强的两个特性和基本方程。

重点与难点

重点：

静水压强的两个特性和基本方程。

难点：

静水压强的基本方程。

复习旧课

液体的主要物理性质。

教

学

内

容

提

要

1.平均压强与点压强；

2.静水压强的两个特性；

3.液体的平衡微分方程式与积分：

1）液体平衡的微分方程；

2）液体平衡的微分方程的积分；

3）静水压强的基本方程。

思考题

1什么是静水压强？

静水压强有什么特性？

2什么是等压面？

等压面有什么性质？

作业题

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第3次课（第1周）2学时

章、节

第二章：

第三节第四节

课目、

课题

重力作用下和几种质量力共同作用下静水压强的基本公式。

绝对压强、相对压强、真空及真空度；压强的量测；压强的液柱表示法、水头与单位势能。

教学目的和要求

了解真空及压强的表示方法；掌握压强分类的概念及压强的量测方法。

重点与难点

重点：

相对压强、真空及真空度；压强的量测；水头与单位势能。

难点：

真空及真空度；水头与单位势能。

复习旧课

静水压强的两个特性；静水压强的基本方程。

教

学

内

容

提

要

1.重力作用下静水压强的基本公式。

2.几种质量力共同作用下静水压强的基本公式

3．绝对压强与相对压强：

1）绝对压强；2）相对压强。

4．真空及真空度：

1）真空；2）真空度。

5．静水压强的量测：

1）压强的量测；2）压差的量测。

5．压强的液柱表示法；

6．水头与单位势能。

思考题

1.静止液体中沿水平方向和垂直方向的静水压强是否变化？

怎么变化？

2.在什么条件下“静止液体内任何一个水平面都是等压面”的说法是正确的？

3.请解释下列名词的物理意义：

绝对压强，相对压强，真空和真空度，水头，位置水头，压强水头和测压管水头，并说明水头与能量的关系。

4.表示静水压强的单位有哪三种？

写出它们之间的转换关系。

作业题

2-1、2-3、2-5、2-7

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第4次课（第2周）2学时

章、节

第二章：

第五节

课目、

课题

静水压强分布图，作用于平面上的静水总压力。

教学目的和要求

掌握作用于平面上静水总压力的计算方法。

重点与难点

重点：

静水压强分布图的绘制；作用于平面上的静水总压力。

难点：

任意平面上静水总压力的计算。

复习旧课

相对压强及静水压强的两个特性。

教

学

内

容

提

要

1．静水压强分布图及其绘制；

2．作用于平面上的静水总压力：

1）作用于矩形平面上的静水总压力；

2）作用于任意平面上的静水总压力。

思考题

1.什么是静水压强分布图？

它绘制的原理和方法是什么？

为什么在工程中通常只需要计算相对压强和绘制相对压强分布图？

2.请叙述并写出计算平面上静水总压力大小和作用点位置的方法和公式，并说明其应用条件。

作业题

2-14、2-16

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第5次课（第2周）2学时

章、节

第二章：

第六节

课目、

课题

压力体图的绘制举例；作用于曲面上的静水总压力的求解。

教学目的和要求

掌握压力体图绘制的基本方法；掌握作用于曲面上静水总压力的计算方法。

。

重点与难点

重点与难点：

压力体图的概念与绘制。

复习旧课

作用于平面上的静水总压力的计算方法。

教

学

内

容

提

要

1．压力体图绘制的基本方法；

2．压力体图绘制举例；

3．作用于曲面上静水总压力的计算

思考题

1.压力中心D和受压平面形心C的位置之间有什么关系？

什么情况下D点与C点重合？

2.请叙述压力体的构成和判断铅垂方向作用力Pz方向的方法。

3.如何确定作用在曲面上静水总压力水平分力与铅垂分力的大小、方向和作用线的位置。

作业题

2-19、2-20

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第6次课（第2周）2学时

章、节

第二章：

第六节

课目、

课题

静水总压力的求解举例。

教学目的和要求

巩固静水总压力的计算方法，进一步掌握基本概念。

重点与难点

复习旧课

作用于平面上和曲面上的静水总压力的计算方法。

教

学

内

容

提

要

1．作用于平面上静水总压力的计算举例；

2．压力图和压力体图的绘制举例；

3．作用于曲面上静水总压力的计算举例；

思考题

作业题

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第7次课（第2周）2学时

章、节

第三章:

第一节第二节

课目、

课题

描述液体运动的两种方法；恒定流与非恒定流；迹线与流线；流管、元流、总流、过水断面、流量与断面平均流速。

教学目的和要求

了解描述液体运动的两种方法和迹线的概念；掌握恒定流、总流、流量与断面平均流速等概念。

重点与难点

重点：

恒定流与非恒定流、总流、流量与断面平均流速等。

难点：

描述液体运动的两种方法。

复习旧课

普通物理中刚体运动的的描述方法。

教

学

内

容

提

要

1．描述液体运动的两种方法：

1）拉格朗日法；

2）欧拉法。

2．恒定流与非恒定流；

3．过水断面、流管、元流、总流；

4．流量、断面平均流速；

5．流线与迹线；

6．流线的定义与特性。

思考题

1.描述液体运动有哪两种方法？

两种方法有什么区别？

2.什么是流线和迹线？

流线具有什么性质？

3.什么是过水断面和断面平均流速？

为何要引入断面平均流速？

4.叙述流动的分类和其特征？

作业题

3-1

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第8次课（第3周）2学时

章、节

第三章:

第三节第四节

课目、

课题

一、二、三维流；恒定一元流的连续性方程；理想液体及实际液体元流的能量方程。

教学目的和要求

了解理想液体及实际液体元流的能量方程；掌握恒定一元流的连续性方程。

重点与难点

重点：

实际液体元流的能量方程；恒定一元流的连续性方程。

难点：

实际液体元流的能量方程。

复习旧课

流线的定义与特性、元流。

教

学

内

容

提

要

1．一、二、三维流的概念；

2．恒定一元流元流的连续性方程；

3．恒定一元总流的连续性方程；

4．实际液体元流的能量方程；

5．实际液体元流能量方程的讨论

1）理想液体元流能量方程；

2）静止液体的能量方程；

3）能量守衡与转化的意义。

思考题

作业题

3-2

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第9次课（第3周）2学时

章、节

第三章:

第五节第六节

课目、

课题

均匀流与非均匀流、渐变流与急变流；恒定总流的能量方程及其应用。

教学目的和要求

了解均匀流与非均匀流、渐变流与急变流的概念；掌握恒定总流的能量方程及其应用。

重点与难点

重点：

恒定总流能量方程及应用。

难点：

能量方程的应用。

复习旧课

实际液体元流的能量方程及意义。

教

学

内

容

提

要

1．均匀流与非均匀流；

2．渐变流与急变流；

3．均匀流、渐变流及急变流的特性；

4．恒定总流的能量方程；

5．恒定总流能量方程的应用条件；

6．恒定总流能量方程的应用步骤；

7．恒定总流能量方程的应用举例。

思考题

1.动水压强与静水压强有什么不同？

在推导恒定总流能量方程时，为什么过流断面必须位于渐变流段？

2.在使用能量方程时应注意哪些问题？

3.应用能量方程判断下列说法是否正确：

（1）水一定从高处向低处流动；

（2）水一定从压强大的地方向压强小的地方流动；（3）水总是从流速大的地方向流速小的地方流动？

4.什么是水头线和水力坡度？

总水头线、测压管水头线和位置水头线三者有什么关系？

沿程变化特征是什么？

作业题

3-5、3-13

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第10次课（第4周）2学时

章、节

第三章:

第七节

课目、

课题

恒定总流的动量方程及其应用。

教学要求

掌握恒定总流动量方程及其应用。

重点与难点

重点：

恒定总流动量方程及其应用。

难点：

恒定总流动量方程及其应用。

复习旧课

恒定总流能量方程的应用。

教

学

内

容

提

要

1．恒定总流的动量方程；

2．恒定总流动量方程的应用条件；

3．恒定总流动量方程的应用步骤；

4．恒定总流动量方程的应用举例；

思考题

1.建立动量方程有哪些条件？

应用时要注意哪些问题？

2.建立动量方程时如何建立坐标可以简化计算过程？

3.为什么边界对水流的作用力方向可以任意假设？

作业题

3-15、3-16、3-17

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第11次课（第4周）2学时

章、节

第三章:

第八节

课目、

课题

量纲分析的基本概念。

教学要求

了解量纲分析的基本概念。

重点与难点

重点和难点：

量纲分析。

复习旧课

教

学

内

容

提

要

1．量纲分析简介。

思考题

作业题

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第12次课（第5周）2学时

章、节

第四章:

第一节第二节

课目、

课题

水头损失及其分类；液流的两种流动形态：

层流与紊流。

教学目的和要求

了解水头损失及其分类；掌握层流与紊流及其分类。

重点与难点

重点和难点：

层流、紊流及其判别。

复习旧课

恒定总流能量方程的应用。

教

学

内

容

提

要

1．水头损失产生的根源、条件与方式；

2．水头损失及其分类；

3．雷诺实验简介；

4．层流、紊流及其判别。

思考题

1.水头损失由哪几部分组成？

产生水头损失的原因是什么？

2.什么是层流和紊流？

怎样判别水流的流态？

试说明无量纲数雷诺数Re的物理意义。

3.层流和紊流过流断面上的流速分布规律如何？

造成它们流速分布规律不同的原因是什么？

作业题

4-1

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第13次课（第5周）2学时

章、节

第四章:

第三节第四节

课目、

课题

均匀流沿程水头损失与切应力的关系；圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算。

教学目的和要求

掌握均匀流水头损失与切应力的关系及层流运动沿程水头损失的计算。

重点与难点

重点：

层流运动沿程水头损失的计算。

难点：

均匀流水头损失与切应力的关系。

复习旧课

恒定总流能量方程的应用。

教

学

内

容

提

要

1．均匀流水头损失与切应力的关系；

2．圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算。

思考题

作业题

4-2

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第14次课（第5周）2学时

章、节

第四章:

第五节

课目、

课题

紊流的形成过程；紊流的特征。

教学目的和要求

了解紊流的形成过程，掌握紊流的特征。

重点与难点

重点和难点：

紊流的四大特征。

复习旧课

层流、紊流及其判别。

教

学

内

容

提

要

1．紊流的形成过程；

2．紊流的基本特征。

思考题

1.紊流的特征是什么？

紊流中运动要素的脉动是如何处理的？

2.紊流粘性底层的厚度δ0与哪些因素有关？

在分析沿程水头损失系数λ的变化规律时，δ0起什么作用？

作业题

4-3

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第15次课（第6周）2学时

章、节

第四章:

第六节第七节第八节

课目、

课题

沿程水头损失系数的变化规律；沿程水头损失与局部水头损失的计算。

教学目的和要求

了解沿程水头损失系数的变化规律；掌握沿程水头损失与局部水头损失的计算方法。

重点与难点

重点：

沿程水头损失系数的变化规律；沿程水头损失与局部水头损失的计算。

难点：

沿程水头损失系数的变化规律。

复习旧课

层流、紊流及其判别。

教

学

内

容

提

要

1．沿程水头损失系数的变化规律；

2．沿程水头损失的计算公式；

3．沿程水头损失的计算举例；

4．局部水头损失的计算公式；

5．局部水头损失的计算举例。

思考题

1.利用直径为d和长l的圆管输水，假设流量恒定（即为恒定流），试分析当Q增大时，hf和λ值将如何变化。

2.请叙述同样的边界，在不同水流条件下为什么有时是水力光滑的，有时却是水力粗糙的。

3.简单叙述尼古拉兹实验所得到的沿程水头损失系数λ的变化规律。

作业题

4-5、4-6、4-7

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第16次课（第6周）2学时

章、节

第五章：

第一节第二节

课目、

课题

简单管道水力计算的基本公式与类型；简单管道水力计算举例。

教学目的和要求

了解简单管道水力计算的类型；掌握简单管道水力计算的方法。

重点与难点

重点：

简单管道的水力计算。

难点：

管道的分类概念。

复习旧课

沿程水头损失与局部水头损失的计算。

教

学

内

容

提

要

1．管道的分类：

1）简单管道与复杂管道；

2）长管与短管。

2．简单管道的水力计算公式：

1）自由出流；

2）淹没出流。

3．简单管道水力计算举例。

思考题

1.什么是管道水力计算中的短管和长管？

判别短管和长管的标准是什么？

有压管流计算中为什么要引进短管和长管的概念？

2.应用能量方程试推导简单管道自由出流的水力计算公式。

3.试比较简单管道自由出流与淹没出流的流量系数的异同。

4.管道的流量系数的物理意义是什么？

在管道布置、管径、管长和管材一定的管路中，能否通过增大流量系数来增加通过管道的流量

5.简单管道的水力计算有哪些类型？

计算步骤如何？

？

6.为什么要考虑水泵和虹吸管的安装高度？

7.什么是水泵的扬程？

如何计算水泵的扬程？

作业题

5-1、5-3、5-4、5-6

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第17次课（第7周）2学时

章、节

第五章：

第三节第四节

课目、

课题

复杂管道的水力计算。

教学目的和要求

了解复杂管道水力计算的类型与基本方法。

重点与难点

重点：

复杂管道的水力计算。

难点：

并联管道的水力计算与并联管道的有关概念。

复习旧课

简单管道的水力计算。

教

学

内

容

提

要

1．复杂管道的分类；

2．复杂管道水力计算的基本原理；

3．串联管道的水力计算；

4．并联管道的水力计算；

思考题

作业题

5-8

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第18次课（第7周）2学时

章、节

第五章：

第五节第六节

课目、

课题

沿程均匀泄流管道的水力计算；管网的水力计算

教学目的和要求

了解沿程均匀泄流管道和管网的水力计算方法。

重点与难点

重点和难点：

沿程均匀泄流管道的水力计算。

复习旧课

串、并联管道的水力计算。

教

学

内

容

提

要

1．均匀泄流管道的水力计算；

2．管网的水力计算。

思考题

作业题

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第19次课（第8周）2学时

章、节

第六章：

第一节第二节

课目、

课题

明渠的类型及其对水流特性的影响；明渠均匀流特性及其产生条件。

教学目的和要求

掌握明渠的类型和明渠均匀流特性及其产生条件。

重点与难点

重点和难点：

明渠的类型。

复习旧课

教

学

内

容

提

要

1．明渠的类型；

2．明渠对水流特性的影响；

3．明渠均匀流特性；

4．明渠均匀流产生条件。

思考题

1.简述明渠均匀流的特性和形成条件，从能量观点分析明渠均匀流为什么只能发生在正坡长渠道中？

作业题

参考书目

《水力学》，吴持恭主编，北京：

高等教育出版社，1993

《水力学》，李家星、赵振兴主编，南京：

河海大学出版社，2001.

《水力学》，李炜、徐孝平主编，武汉，武汉水利电力出版社，2000.

第20次课（第8周）2学时

章、节

第六章：

第三节第四节第五节第六节

课目、

课题

明渠均匀流的水力计算；水力最佳断面与实用经济断面。

教学目的和要求

掌握明渠均匀流的水力计算；掌握水力最佳断面的概念，了解与实用经济断面的关系。

重点与难点

重点：

明渠均匀流的水力计算；

难点：

水力最佳断面的概念。

复习旧课

明渠均匀流特性及其产生条件。

教

学

内

容

提

要

1．明渠均匀流的水力计算基本公式；

2．明渠均匀流的水力计算类型；

3．水力最佳断面的概念；

4.梯形断面明渠水力最佳断面比的推求；

思考题

1.什么是正常水深？

它的大小与哪些因素