《水力学》教学大纲
Hydraulics
课程编码：21A42005 学分：3.5 课程类别：专业基础课（必修课）
计划学时：56 其中讲课：56 实验或实践：0 上机：0
适用专业：水文与水资源工程、地下水科学与工程
推荐教材：赵振兴、何建京，《水力学》,清华大学出版社，2010年
参考书目：黄儒钦主编，《水力学教程》，西南交通大学出版社，2009年
吴持恭主编，《水力学》(第4版)，高等教育出版社，2011年
课程的教学目的与任务
本课程的教学目的是使学生掌握水力学的理论和规律，理解液体的两大规律—液体的平衡和机械运动的规律及其实际应用。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，构建流体力学基础知识体系，提高解决问题的能力，学会常见水利工程中的水力计算，为学习后续课程和从事专业技术工作打下基础。
课程的基本要求
1、使学生理解静水压强的特性，压强的表示方法及计量单位，掌握液体平衡微分方程与水静力学的基本方程，掌握液柱式测压仪的基本原理，能计算作用在平面、曲面上的静水总压力。
2、使学生掌握恒定总流连续性方程、理想液体元流的能量方程与实际液体总流的能量方程、恒定总流动量方程。
3、使学生理解实际液体的两种流动型态—层流与紊流，掌握均匀流的基本方程、圆管沿程水头损失及局部损失的分析与计算。
4、使学生掌握简单管道的水力计算，理解串联、并联管道的水力计算方法。
5、使学生掌握明渠均匀流各类问题的水力计算方法；掌握梯形断面正常水深、矩形断面临界水深的计算。理解棱柱体渠道非均匀渐变流水面曲线的计算，水跃与跌水。
6、使学生掌握简单堰流、闸孔出流的水力学计算方法。
各章节授课内容、教学方法及学时分配建议
第一章 绪论 建议学时：4
[教学目的与要求]了解液体运动的基本规律及研究液体运动规律的一般方法，掌握液体的主要物理性质。
[教学重点与难点]液体的主要物理性质。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节水力学的定义、任务和发展简史
第二节液体的连续介质模型
第三节液体的主要物理性质
一、质量和重量
二、黏滞性
三、压缩性
四、表面张力
第四节 作用于液体的力
一、表面力
二、质量力
第二章 水静力学 建议学时：6
[教学目的与要求]掌握静水压强的特性，压强的表示方法及计量单位，掌握液体平衡微分方程与水静力学的基本方程，掌握液柱式测压仪的基本原理及作用在平面、曲面上的静水总压力。了解潜浮体的平衡与稳定。
[教学重点与难点]重点：静水压强的特性；水静力学的基本方程；绝对压强、相对压强、真空度；静水压强分布图。
难点：作用在平面、曲面上的静水压力。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节 静水压强及其特性
一、静水压强的定义
二、静水压强的特性
第二节 液体平衡微分方程及其积分
一、液体平衡微分方程
二、液体平衡微分方程的积分
三、等压面
第三节 重力作用下静水压强的分布规律
一、水静力学基本方程
二、绝对压强、相对压强，真空
三、水头与单位能量
四、等压面的应用
五、静水压强分布图
第四节作用于平面上的静水总压力
一、 解析法
二、 矩形平面静水压力-压力图法
第五节 作用于曲面上的静水总压力
一、静水总压力的大小
二、静水总压力的方向
三、静水总压力的作用点
第三章 一元恒定总流原理（水动力学基础） 建议学时：6
[教学目的与要求]理解液体运动的两种方法—拉格朗日法和欧拉法，掌握恒定总流连续性方程、连续性微分方程、理想液体元流的能量方程与实际液体总流的能量方程、恒定总流动量方程。
[教学重点与难点] 重点：恒定总流伯诺里方程，恒定总流动量方程。
难点：恒定总流伯诺里方程，恒定总流动量方程。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节描述液体运动的两种方法
一、拉格朗日法
二、欧拉法
第二节液体运动的几个基本概念
一、恒定流与非恒定流
二、一元流、二元流与三元流
三、流线与迹线
四、流管、元流、总流、过水断面
五、流量与断面平均流速
六、均匀流和非均匀流
七、渐变流与急变流
第三节恒定流动的连续方程
第四节恒定流能量方程
一、理想液体恒定元流的能量方程
二、伯努利方程的能量意义和几何意义
三、实际液体恒定元流的能量方程
四、实际液体恒定总流能量方程
第五节恒定总流动量方程
第四章 层流和紊流，液流阻力和水头损失 建议学时：6
[教学目的与要求]理解实际液体的两种流动型态—层流与紊流；掌握沿程阻力系数的变化规律，均匀流的基本方程，圆管沿程阻力及沿程水头损失的计算方法；掌握局部阻力及局部损失的分析与计算。
[教学重点与难点]重点：实际液体的两种流动型态—层流与紊流；均匀流的基本方程、圆管层流与紊流沿程阻力及沿程水头损失的计算方法。
难点：沿程阻力系数的变化规律。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节水头损失的分类
第二节液体运动的两种流态—层流和紊流
一、雷诺实验
二、沿程水头损失
三、流态判断
第三节切应力与沿程水头损失的关系——均匀流基本方程
一、切应力与沿程水头损失的关系
二、切应力分布
第四节层流运动
第五节沿程水头损失的一般公式
第六节紊流概述
一、紊流现象
二、粘性底层
第七节沿程水头损失系数λ的试验研究——尼古拉兹试验
一、人工管道沿程水头损失系数λ的试验研究——尼古拉兹试验
二、实用管道的水力学计算
第八节谢才公式
第九节局部水头损失
第五章 有压管流 建议学时：6
[教学目的与要求]掌握长管、短管的概念；学会进行短管、简单长管计算；了解串联、并联、枝状管网的水力计算；了解管道水击及计算。
[教学重点与难点]重点：短管的水力计算。难点：管道水击及计算。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节 概述
第二节短管的水力计算
一、薄壁孔口出流计算
二、管嘴出流计算
三、有压短管自由出流与淹没出流的水力计算
第三节长管的水力计算
第四节有压管道的水击
一、水击波的传播过程
二、直接水击与间接水击
三、水击压强的计算
第六章 明渠均匀流 建议学时：8
[教学目的与要求]掌握明渠均匀流、非均匀流、渐变流、急变流的概念；掌握明渠均匀流水力计算；理解水力最优断面及允许流速；了解复式断面、无压圆管的水力计算。
[教学重点与难点]重点：明渠均匀流的水力计算；难点：水力最优断面及允许流速。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节 明渠的纵横断面
一、明渠的横断面
二、明渠的底坡
第二节 明渠均匀流的特性和形成条件
一、明渠均匀流的特性
二、产生明渠均匀流的条件
第三节 明渠均匀流的水力计算
第四节 明渠均匀流水力计算的其他问题
一、明渠的水力最佳断面
二、明渠的允许流速
三、明渠的组合糙率
四、明渠的复式断面
第七章 明渠非均匀流 建议学时：10
[教学目的与要求]理解明渠非均匀流中断面单位能量、临界水深等的基本概念；掌握恒定明渠流动的流动型态的判别方法；理解非均匀渐变流微分方程、水跃与跌水的概念及水跃的基本方程，并能进行水面曲线的分析与绘制。
[教学重点与难点]重点：明渠非均匀流，断面单位能量、临界水深，恒定明渠流动的流动型态及判别标准，棱柱体渠道非均匀渐变流水面曲线的计算。难点：水跃与跌水，棱柱体渠道非均匀渐变流水面曲线的计算。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节 概述
第二节 明渠水流的几种流态
一、明渠水流中干扰波的传播特点
二、明渠水流三种流态
第三节 断面比能、临界水深
一、断面比能
二、临界水深
第四节临界底坡、缓坡与陡坡
一、临界底坡
二、底坡的分类—缓坡、陡坡、临界坡
第五节 水跃与水跌
一、水跃与水跌现象
二、棱柱体平底明渠中的水跃方程推导
三、水跃函数曲线的特性
四、水跃计算
第六节 棱柱体明渠水面曲线微分方程
第七节 棱柱体明渠水面曲线形状分析
一、水面曲线分类
二、十二种水面曲线的定性分析
三、水面曲线的变化规律
四、不同坡度上水面曲线的衔接
第八节明渠水面曲线计算（逐段试算法）
一、棱柱体明渠水面曲线计算
二、非棱柱体明渠水面曲线计算
第九节明渠弯道水流
一、弯道水流平面特征
二、弯道水流力学特征
三、弯道水流运动特征
四、弯道水流注意问题
第十节明渠非恒定流
一、明渠非恒定流概念
二、明渠非恒定流连续性方程
三、明渠非恒定流运动方程
四、明渠非恒定流的计算
第八章 堰流和闸孔出流 建议学时：8
[教学目的与要求]理解恒定孔口出流、管嘴出流的基本计算方法，了解闸孔出流、堰流的计算方法。
[教学重点与难点]重点：宽顶堰闸孔出流。难点：堰流的水力计算。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节 概述
一、堰流和闸孔出流
二、堰流和闸孔出流的判别
第二节 堰的分类
一、薄壁堰
二、宽顶堰
三、实用堰
第三节 堰流的基本公式
第四节 薄壁堰的水力计算
一、矩形薄壁堰流
二、三角形薄壁堰
第五节宽顶堰的水力学计算
一、宽顶堰的流量系数
二、宽顶堰的侧收缩系数
三、宽顶堰的淹没系数
第六节实用堰的水力学计算
一、曲线型实用堰的剖面形状
二、实用堰的水力学计算
第七节 闸孔出流的水力学计算
一、底坎为宽顶堰的闸孔出流
二、底坎为实用堰的闸孔出流
第八节泄水建筑物下游水流的衔接和消能
第九章 渗流 建议学时：2
[教学目的与要求] 掌握土壤的水力特性、渗流模型、达西定律，了解地下明槽中的恒定渗流。
[教学重点与难点]土壤的水力特性、渗流模型、达西定律。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容]
第一节概述
第二节土壤的水力特性，渗流模型
一、土壤的水力特性
二、渗流模型
第三节达西定律
一、达西定律
二、达西公式适用条件
第四节地下明槽中的恒定渗流
撰稿人：韩延成 审核人：桑国庆
