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绪章绪论
水力学是研究以水为代表的液体的宏观机械运动规律，及其在工程技术中的应用。水力学包括水静力学和水动力学。
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●0.1水力学的定义及应用
通过本次课的学习，不仅可以了解《水力学》课程的性质及其结构体系、研究对象与研究任务，基本内容与服务对象等，而且还可以了解《水力学》课程在不同领域中的应用，尤其是在水利工程中的应用情况。
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●0.2液体的主要物理性质
自然界中的物质有固体、气体和液体三种存在形式。液流的物理本质主要由液体的物理力学性质所揭示，液体的基本特征是易流动性和不易压缩性，其主要物理性质包括惯性、万有引力特性、粘滞性、压缩性和表面张力特性等，这也是研究液流运动和学好《水力学》课程的基本前提。
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●0.3连续介质、理想液体及作用力
液体由分子组成，分子与分子之间是不连续的，有空隙存在。《水力学》中为了简化问题和分析的方便，引入了连续介质假设和理想液体的概念。通过引入两类力（表面力和质量力）来进行受力分析。
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第一章水静力学
水静力学是研究液体处于静止（包括相对静止）状态下的平衡规律及其在工程中的应用。研究液体静止状态下的力学规律及其在工程中的应用，是水力学中首先发展的一个分支。
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●1.1静水压强及其特性
自然界和实际工程中的水流，不外乎静止和流动两种状态。水静力学主要研究液体平衡的规律及其实际应用。在静力分析时，引出了静水压力和静水压强的概念，并对静水压强的两个特性进行了分析，一是垂直并指向作用面；二是作用于同一点各方向静水压强大小相等。
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●1.2液体的平衡微分方程式
液体平衡微分方程是表征液体处于平衡状态时作用于液体上各种力之间的关系式。通过对平衡液体中取出的六面体的受力分析，推导出液体平衡微分方程的偏微分形式和全微分形式，并引入边界条件进行积分，得到水静力学基本方程和静水压强基本公式。
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●1.3等压面
平衡液体中压强相等的点连接而形成的面称为等压面，在只受重力作用的连通的同一种液体内，等压面为水平面；反之水平面宜为等压面。在实际计算中，不同情况可以采用不同的基准来度量压强，即所谓的绝对压强和相对压强，它们之间相差一个当地大气压。
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●1.4压强的测量及表示方法
压强是基本的水力要素，水力学实验及工程实际中经常需要量测某一点的压强值，而利用静水力学原理设计的测压管、U形水银测压计、差压计等测量液体压强的仪器，构造简单、方便可靠，至今仍在实验室内广泛使用。压强的大小除以单位面积上的压力数值表示外，还可以用液柱的高度表示，测压管高度就反映了该点压强的大小。
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●1.5静水压强分布图
由静水压强的基本公式可知，压强与水深成线性函数关系，把某一受压面上的压强随水深的这种函数关系表示成图形，称为静水压强分布图。静水压强分布图是计算矩形平面上所受静水总压力的最方便的方法。
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●1.6矩形平面静水总压力
水工建筑物常常与水体直接接触，工程实际中受压面为矩形平面的情况最为常见，如平板闸门、重力坝迎水面等。在计算矩形平面上所受的静水总压力时，静水压强分布图法是最方便的方法，也是采用较多的方法。
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●1.7任意平面静水总压力
当受压面为无对称轴的不规则平面时，采用静水压强分布图法无法准确地计算分布图的面积，静水总压力的计算较为复杂，我们通常采用解析法来进行任意平面的静水总压力的计算。
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●1.8曲面静水总压力
在水利工程中常常会遇到受压面为曲面的情况，曲面静水总压力求解采用“先分解后合成”的方法，水平分力按平面静水总压力的方式求解，垂直分力通过绘制压力体的方式来求解。
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第二章水动力学基础
研究水和其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科。又称液体动力学。液体动力学和气体动力学组成流体动力学。
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●2.1水动力学研究任务、液体运动流束理论
自然界和工程实际中绝大多数水流都处于运动状态，因此研究液体的运动规律及其工程应用具有更加重要的现实意义。液体自身的物理性质和液体运动的外部条件决定着液体的运动状态以及运动要素随时空的变化，并使得运动液体呈现出各种不同的形态。
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●2.2液体运动的基本概念
实际水流的运动情况比较复杂，在运动过程中往往会呈现出多种多样的形态。为研究水流运动规律方便，通常要从不同角度出发，对水流运动进行分类形成描述水流运动的一系列基本概念。
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●2.3恒定总流的连续性方程
液体运动必须遵循质量守恒规律，液流的连续性方程就是质量守恒定律的一种特殊形式。从微小流束出发，通过微小流束的结论，推求得到恒定总流的连续性方程。
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●2.4微小流束的能量方程
水流运动过程就是在一定条件下的能量转化过程，因此水流各运动要素之间的关系可以通过分析水流的能量守恒规律求得。通过受力分析可以推求得到理想液体恒定流微小流束的能量方程（即伯努利方程）。
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●2.5恒定总流的能量方程
能量方程是水流运动必须遵循的另一个基本方程，是能量转化与守恒定律在水力学中的具体应用，也是水流运动现象分析与计算中应用最为普遍的一个方程。
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●2.6恒定总流能量方程应用
主要介绍恒定总流能量方程的“三选”问题以及能量方程的使用步骤，并以毕托管测流速、文丘里流量计等来说明能量方程的实际应用。
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●2.7恒定总流动量方程
水流的连续性方程和能量方程在解决实际水力学问题中具有重要的意义。但是对某些水力学问题，用能量方程求解就有一定的困难，这就要用到水力学的第三个基本方程，即动量方程。
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●2.8恒定总流动量方程应用
主要介绍恒定总流动量方程的“三步”问题以及动量方程的使用步骤，并以水流对闸门的水平总作用力、射流对垂直固定平面壁的冲击力等来说明动量方程的实际应用。
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第三章液流型态及水头损失
理解水流阻力和水头损失产生的原因及分类，掌握水力半径的概念。 了解均匀流水头损失的特点，掌握均匀流沿程水头损失计算的达西公式和沿程水头损失系数λ的表达形式。
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●3.1水头损失的物理概念及分类
实际液体存在粘滞性，断面流速分布不均匀，运动过程中相邻液层之间必须会出现抵抗相对运动的内摩擦力，称为水力阻力。液流在运动过程中必然要克服水力阻力，引起运动液体的水头损失。根据边界形状和尺寸是否沿程变化和主流是否脱离固体边壁或形成漩涡，将水头损失分为程水头损失和局部水头损失。
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●3.2液流边界几何条件对水头损失的影响
液流边界横向轮廓对水头损失的影响常用过水断面的面积、湿周、水力半径等水力要素表示。纵向轮廓不同，液流将有均匀流和非均匀流两种不同的形式。
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●3.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系
均匀流沿流程各过水断面上的水力要素及断面平均流速保持不变，运动过程中只有沿程水头损失，没有局部水头损失。通过受力分析可以求得均匀流沿程水头损失与切应力之间的关系（即均匀流基本方程）。
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●3.4液体运动的两种型态
雷诺通过试验揭示了实际液体运动存在着层流和紊流两种型态，可以采用雷诺数来判别这两种型态
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●3.5紊流形成过程的分析
层流与紊流的主要区别在于紊流时各流层之间液体质点有不断地互相混掺作用，而层流则无。涡体的形成是混掺作用产生的根源。只有当惯性作用与粘滞作用相比强大到一定程度时，才可能形成紊流。
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●3.6圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算
圆管中的层流运动，可以看作是许多无限薄的同心圆筒层一个套一个地向前运动，每一圆筒层的切应力可按牛顿内摩擦定律计算。通过圆管层流沿程水头损失的计算公式可知：圆管层流中沿程水头损失与断面平均流速的一次方成比例。
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●3.7沿程阻力系数的变化规律
层流时沿程阻力系数与雷诺数成反比，但紊流时至今仍无求沿程阻力系数的理论公式。尼库拉兹为了探讨这一问题，用不同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管道内壁上，用不同的流速进行试验，对沿程阻力系数进行了探讨。
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●3.8计算沿程水头损失的经验公式--谢齐公式
法国工程师谢齐通过对明渠均匀流进行试验研究，总结出了均匀流情况下沿程水头损失与断面平均流速之间的关系式，称为谢齐公式。谢齐系数可以由曼宁公式、巴甫洛夫斯基等经验公式确定。
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●3.9局部水头损失
在边界急剧变化处，主流必然与边界相脱离，在主流与边界之间形成旋涡。这种因边界形状和尺寸沿程急剧变化引起的水头损失为局部水头损失。目前只有少数几种情况可用理论近似分析，绝大多数情况的局部水头损失只能依靠试验方法解决。
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第四章有压管道中的恒定流
有压管中液体的运动要素不随时间而变。
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●4.1管道水流的类型
工程实践中，为了输送液体常常需要设置各种有压管道，这类管道的整个断面均被液体所充满，断面的周界就是湿周。可以从时间、空间、能量等多种角度对有压管道水流进行分类。
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●4.2简单管道的水力计算
简单管道是指管径不变且无分支的管道，其水力计算可以分为自由出流和淹没出流两种情况。
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●4.3长管水力计算及水头线的绘制
长管是指可以忽略流速水头和局部水头损失的管道，其水力计算相比短管来说将大大简化。此外，可以通过分析沿管道总流测压管水头的变化情况，进行测压管水头线的定性分析，从而确定管道各断面的压强水头。
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●4.4简单管道水力计算的基本类型
简单管道是指管径不变且无分支的管道。对于恒定流，有压管道的水力计算主要有输水能力计算、水头损失计算、断面尺寸确定等几种类型。
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●4.5虹吸管水力计算
虹吸管是指一部分管轴线高于上游水面，而出口又低于上游水面的有压输水管道，出口可以是自由出流，也可以是淹没出流。虹吸管水力计算的主要任务是确定虹吸管的流量及其顶部安装高程。
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●4.6水泵装置的水力计算
水泵是将动力机械的机械功转变为水流机械能的水力机械。水泵在现代社会生产和生活的许多部门都有广泛应用。水泵的水力计算主要包括确定吸水管及压水管的直径、计算水泵的安装高度、水泵扬程及水泵电动机功率等等。
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●4.7复杂管道的水力计算
水电站厂内技术供水系统、城镇给水系统、农田管道灌溉系统等都是常见的复杂管道，复杂管道包括串联管道、并联管道、分叉管道、沿程均匀泄流的管道等等，一般情况下均按长管计算。
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第五章明渠恒定均匀流
流速的大小和方向均不随时间及距离而变的明渠水流。又称恒定等速流。
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●5.1明渠恒定均匀流
人工渠道、天然河道、未充满水流的管道统称为明渠。明渠水流的运动是在重力作用下形成的，在流动过程中，自由水面不受固体边界的约束，显露在大气中，水面上各点的压强都等于大气压强，相对压强为零。
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●5.2明渠均匀流的特性及产生条件
明渠均匀流是流线互为平行直线的明渠水流，其本质特征是运动要素沿程保持不变。流动时重力沿流动方向的分力和阻力相平衡，所以在非棱柱体明渠及平坡和反坡明渠中，水流不可能形成均匀流。
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●5.3水力最佳断面及允许流速
在底坡、粗糙系数已定的前提下，渠道的过水能力则决定于渠道的横断面形状及尺寸。从经济的观点来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知的设计流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大，符合这种条件的断面称为水力最佳断面。渠道的允许流速是根据渠道所担负的生产任务，渠槽表面材料的性质，水流含沙量的多少以及运行管理上的要求而确定的技术上可靠、经济上合理的流速。
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●5.4明渠均匀流水力计算
在水利工程中，梯形断面的渠道应用最广，以梯形渠道为例讨论几种常见的水力计算问题
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●5.5复式断面明渠均匀流水力计算
不同的材料具有不同的粗糙系数，当明渠的底坡和渠壁采用不同材料时，粗糙系数会沿湿周发生变化。计算过程中，粗糙系数应采用某一等效的粗糙系数来代替，称为综合粗糙系数。当通过渠道的流量变化范围比较大时，渠道的断面形状常采用复式断面，计算时主要采用分别计算的方法。
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第六章明渠恒定非均匀流
人工渠道货天然河道中的水流绝大多是非均匀流，明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。
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●6.1明渠非均匀流特性及产生条件
明渠中各类建筑物的存在、渠道底坡的改变、断面尺寸的扩大或缩小等都会引起非均匀流动。明渠非均匀流动是过水断面水深和断面平均流速均沿程改变的流动，其底坡线、水面线、总水头线三者互不平行，因此明渠非均匀流的水力计算比明渠均匀流复杂。
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●6.2明渠水流流态的判别
明渠水流的流速大小不同，遇到障碍物时所表现出的现象就不同，这样一来就有缓流、临界流和急流三种流态，在具体分析时可以用相对波速、弗劳德数等参数来判别水流的流态。
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●6.3断面必能与临界水深的问题
断面比能指把参考面选在渠底位置，对通过渠底的水平面所计算得到的单位能量；临界水深指相应于断面单位能量最小值的水深。可以通过断面比能和临界水深来判别水流的流态。
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●6.4明渠的底坡
临界底坡是指均匀流的正常水深与临界水深相等时渠道的底坡。明渠的底坡与其相应的临界底坡相比较，可能有缓坡、陡坡和临界坡三种情况。也可以通过底坡来判别水流的流态。
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●6.5水跌与水跃
急变流的特点是流线曲率大或曲率半径小，流速分布变化剧烈，水流运动过程中惯性力起主要作用，水头损失以局部水头损失为主，过水断面各点的测压管水头也不是常数，并且伴随着流线的急剧弯曲，水跌与水跃就是明渠水流中最为常见的急变流现象。
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●6.6棱柱体水平明渠中的水跃
水跃现象属于明渠急变流，发生水跃时常伴随着较大的能量损失，因此我们采用动量方程来推求棱柱体水平明渠的水跃方程，着重讨论共轭水深的计算、水跃的长度、水跃的分类等问题。
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●6.7明渠恒定非均匀渐变流的微分方程
明渠恒定非均匀流的流速、水深等运动要素沿程变化，这样一来，探讨流速、水深（或水位）的沿程变化规律，就成为明渠非均匀流水力计算的重点。为解决这个问题，必须首先建立描述水深或水位沿程变化规律的微分方程。
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●6.8棱柱体明渠恒定非均匀渐变流水面曲线特点分析
当棱柱体明渠通过一定流量时由于渠道底坡、上下游进出口边界条件及渠系建筑物所形成的控制水深不同，明渠水流可以形成各种形式的水面曲线，共有12条之多，为了便于区别，必须给每一种水面曲线命名。并通过水深沿程变化的微分方程，分析水面曲线的特点。
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●6.9棱柱体明渠恒定非均匀渐变流水面曲线定性分析
对棱柱体明渠恒定非均匀渐变流而言，无论是水面曲线的定性分析，还是水面曲线的定量研究，其理论依据都是水深沿程变化的微分方程。根据非均匀水深与正常水深和临界水深的大小关系，判别水面曲线是壅水还是降水，而后讨论两端的极限情况。
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●6.10明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算
在实际工程中，仅对水面曲线进行定性分析是远远不够的，往往还需要明确知道非均匀流断面上水深、流速等水力要素的沿程变化情况。只有通过明渠水面曲线的计算，才能准确了解水深或水位的沿程变化情况。而分段求和法既适用于棱柱体明渠，又适用于非棱柱体明渠，是水面曲线计算的基本方法。
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第七章堰流与闸孔出流
顶部溢流的泄水建筑物称为堰，经过堰的水流，没有受到闸门控制时时堰流。经过堰的水流受到闸门控制时就是闸孔出流，简称为孔流。
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●7.1堰流及闸孔出流的概念
堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象，在实际工程中，堰流、闸孔出流等泄水建筑物的水流状态、过流能力往往是工程建设关注的重点，其水力设计与计算成果是工程建设方案的重要组成部分。对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在一定边界条件下，堰流与闸孔出流是可以相互转化的。
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●7.2堰流的类型及计算公式
在水利工程中，常常根据不同的建筑条件及使用要求，将堰作成不同的类型。在进行水力计算时，根据堰坎厚度与堰上水头的比值，将堰流分为薄壁堰流、实用堰流和宽顶堰流三种类型。虽然类型不同，但其水流的运动却有着共同的规律，因此可以用一个公式来描述堰流的水力计算问题。
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●7.3堰流的水力计算
根据堰坎厚度与堰上水头的比值，将堰流分为薄壁堰流、实用堰流和宽顶堰流三种类型。根据实际情况，分别讨论这三种堰流的水力计算。
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●7.4闸孔出流的水力计算
水利工程中的水闸，闸底坎一般为宽顶堰（包括无坎宽顶堰）或曲线型实用堰，闸门的型式主要有平板闸门和弧形闸门两种。在进行闸孔出流的水力计算时，按照闸底坎形式的不同，分别讨论宽顶堰上闸孔出流和曲线堰上闸孔出流。
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第八章衔接与消能的水力计算
天然河道中的水流，一般多属于缓流，水流流量沿河宽方向的分布较均匀，但河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，水流条件必然会发生教发的变化，从而引起一系列水力学问题。
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●8.1水流的衔接与消能类型
在水利工程中，为了达到灌溉、发电、防洪等兴利的目的，往往需要在河渠上修建水闸、挡水坝等水工建筑物，用来调节河渠的水位与流量，而它们的兴建必然会改变天然河流原有的水流状态。必须结合工程具体条件，对水流的衔接方式、余能消除过程、衔接段的水流状态以及对建筑物和河床的作用进行分析研究，才能完成泄水建筑物布置及其相应的水力学设计。
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●8.2底流型衔接消能的水力计算
底流消能是借助一定的工程措施控制水跃的位置，通过水跃发生的表面漩滚和强烈紊动来消除余能。进行底流型衔接消能的水力计算时需要首先确定泄水建筑物下游水流衔接形式，其次再决定采取的工程措施。
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●8.3挑流型衔接消能的水力计算
挑流消能是在泄水建筑物的末端修建挑流鼻坎，利用下泄水流所挟带的巨大动能，将水流挑射至远离建筑物的下游，从而达到消除余能的目的。挑流消能水力计算的主要任务包括按已知的水力条件选定适宜的挑坎型式、确定挑坎的高程、反弧半径和挑射角，计算挑流射程和下游冲刷坑深度等等。