水力学(第3版十二五普通高等教育本科国家级规划教材)

“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，配套有《水力学内容提要与习题详解》。在内容安排上，着重分析水流现象，揭示水流内在规律。以水力学的基本概念、基本原理为主，避免繁琐的数学推导，着重物理概念的阐述。力求与水利、土建工程实际相结合，并注重与其他学科更好的结合，对推动水力学的学科发展起到较好的促进作用。

本书按教育部高教司所制定的《水力学课程教学基本要求》编写。共分13章：绪论，水静力学，液体一元恒定总流基本原理，层流和紊流、液流阻力和水头损失，液体三元流动基本原理，有压管流，明渠均匀流，明渠非均匀流，堰流和闸孔出流，泄水建筑物下游水流的衔接与消能，渗流，污染物的输运和扩散，水力相似与模型试验基本原理。

赵振兴，河海大学力学与材料学院教授，2003年首届国家级“教学名师奖”获得者。1978年毕业于河海大学，1980年获硕士学位。留校任教以来，长期从事水力学教学、科研工作。主编有《水力学》、《水力学实验》、《水力学录像片》、《水力学多媒体授课系统》及《国家级水力学试题库》。获国家级教学成果二等奖一项、江苏省教学成果特等奖一项。

第1章绪论1 1.1水力学的定义、任务和发展简史1 1.2液体的连续介质模型2 1.3液体的主要物理性质3 1.3.1质量和重量3 1.3.2黏滞性4 1.3.3压缩性7 1.3.4表面张力8 1.3.5汽化压强8 1.4作用于液体的力9 1.4.1表面力9 1.4.2质量力9 思考题10 习题10 第2章水静力学12 2.1概述12 2.2静水压强及其特性12 2.2.1静水压强的定义12 2.2.2静水压强的特性13 2.3液体平衡微分方程及其积分14 2.3.1液体平衡微分方程14 2.3.2液体平衡微分方程的积分15 2.3.3等压面特性16 2.4重力作用下静水压强的分布规律16 2.4.1水静力学基本方程16 2.4.2绝对压强、相对压强，真空17 2.4.3水头与单位能量18 2.4.4等压面的应用19 2.4.5静水压强分布图21 2.5重力和惯性力同时作用下的液体平衡22 2.6作用于平面上的静水总压力24 2.6.1解析法24 2.6.2矩形平面静水压力——压力图法27 2.7作用于曲面上的静水总压力29 2.7.1静水总压力的大小29 2.7.2静水总压力的方向31 2.7.3静水总压力的作用点31 思考题32 习题34 第3章液体一元恒定总流基本原理37 3.1概述37 3.2描述液体运动的两种方法37 3.2.1拉格朗日法37 3.2.2欧拉法38 3.3液体运动的几个基本概念39 3.3.1恒定流与非恒定流39 3.3.2一元流、二元流与三元流40 3.3.3流线与迹线40 3.3.4流管、元流、总流、过水断面41 3.3.5流量与断面平均流速42 3.3.6均匀流和非均匀流42 3.3.7渐变流与急变流43 3.3.8系统和控制体44 3.4恒定流动的连续方程45 3.5恒定元流的能量方程46 3.5.1理想液体恒定元流的能量方程46 3.5.2伯努利方程的能量意义和几何意义47 3.5.3实际液体恒定元流的能量方程48 3.6实际液体恒定总流能量方程49 3.7恒定总流动量方程54 3.8空化与空蚀的概念59 思考题59 习题60 第4章层流和紊流、液流阻力和水头损失63 4.1概述63 4.2水头损失的分类63 4.3液体运动的两种流态——层流和紊流64 4.3.1雷诺试验64 4.3.2沿程损失hf和平均流速v的关系65 4.3.3流态的判别——雷诺(Reynolds)数66 4.4均匀流基本方程68 4.4.1切应力与沿程损失的关系68 4.4.2切应力的分布70 4.5层流运动71 4.5.1圆管均匀层流71 4.5.2二元明渠均匀层流74 4.6沿程水头损失的一般公式76 4.7紊流概述77 4.7.1紊流的脉动现象和时均概念77 4.7.2紊流切应力79 4.7.3紊流的黏性底层81 4.7.4紊流的水力光滑面、水力过渡粗糙面和水力粗糙面82 4.8紊流的流速分布83 4.8.1对数流速分布83 4.8.2指数流速分布85 4.8.3黏性底层的厚度87 4.9沿程水头损失系数λ的试验研究——尼古拉兹试验89 4.9.1人工粗糙管道沿程水头损失系数λ的试验研究——尼古拉兹试验90 4.9.2实用管道沿程水头损失系数λ的试验研究92 4.10谢才公式96 4.11局部水头损失99 思考题103 习题103 第5章液体三元流动基本原理106 5.1概述106 5.2流线与迹线微分方程106 5.2.1流线微分方程106 5.2.2迹线微分方程107 5.3液体三元流动的连续性方程107 5.4液体微团运动的基本形式108 5.4.1液体微团运动形式分析108 5.4.2液体微团速度分解定理112 5.5有旋运动简介113 5.6液体恒定平面势流116 5.6.1流函数116 5.6.2流速势函数118 5.6.3流网及其性质119 5.6.4基本平面势流122 5.7液体运动微分方程124 5.7.1液体中一点处的应力状态124 5.7.2本构方程——应力与变形率的关系124 5.7.3应力形式的运动微分方程125 5.7.4运动微分方程——纳维斯托克斯方程126 5.7.5紊流时均运动微分方程——雷诺方程127 5.7.6边界层简介128 思考题130 习题130 第6章有压管流132 6.1概述132 6.2短管的水力计算132 6.2.1自由出流132 6.2.2淹没出流134 6.2.3总水头线和测压管水头线的绘制135 6.2.4短管水力计算举例136 6.3长管的水力计算139 6.3.1简单管道的水力计算139 6.3.2串联管道的水力计算141 6.3.3并联管道的水力计算141 6.3.4沿程均匀泄流管道的水力计算142 6.3.5管网水力计算基础144 6.4有压管路中的水击146 6.4.1水击波的传播过程146 6.4.2直接水击与间接水击148 6.4.3水击压强的计算149 思考题150 习题151 第7章明渠均匀流154 7.1概述154 7.1.1明渠的底坡154 7.1.2明渠的横断面154 7.2明渠均匀流的特性和形成条件157 7.2.1明渠均匀流的特性157 7.2.2明渠均匀流产生的条件157 7.3明渠均匀流的水力计算158 7.3.1明渠均匀流的计算公式158 7.3.2明渠均匀流水力计算三类基本问题161 7.3.3明渠均匀流水力计算的其他问题163 思考题170 习题170 第8章明渠非均匀流172 8.1概述172 8.2明渠水流的流态173 8.2.1缓流、临界流和急流173 8.2.2明渠中干扰微波的波速174 8.3断面单位能量、临界水深、临界底坡176 8.3.1断面单位能量176 8.3.2Es与h的关系(流量一定的条件下)177 8.3.3临界水深及其计算178 8.3.4临界底坡180 8.4两种流态的转换——水跃与水跌181 8.4.1水跃181 8.4.2水跌188 8.5棱柱体明渠水面曲线微分方程189 8.6棱柱体明渠水面曲线形状分析191 8.6.1水面曲线的类型191 8.6.2水面曲线的定性分析192 8.6.3水面曲线的共同规律及控制断面与控制水深的选取195 8.7明渠水面曲线计算196 8.8天然河道水面曲线计算201 8.8.1水面曲线计算公式202 8.8.2水面曲线计算方法202 8.9明渠弯段水流209 8.9.1横向水面超高209 8.9.2断面环流成因分析210 8.9.3弯段水流的能量损失211 8.10明渠非恒定流211 8.10.1明渠非恒定流的概念211 8.10.2明渠非恒定渐变流动的基本方程213 8.10.3明渠非恒定渐变流计算方法简介217 思考题217 习题218 第9章堰流和闸孔出流221 9.1概述221 9.2堰的分类222 9.2.1薄壁堰222 9.2.2实用堰222 9.2.3宽顶堰223 9.3堰流的基本公式223 9.4薄壁堰225 9.4.1矩形薄壁堰225 9.4.2三角形薄壁堰228 9.5实用堰228 9.5.1曲线型剖面实用堰228 9.5.2折线型实用堰231 9.6宽顶堰235 9.6.1宽顶堰的流量公式235 9.6.2宽顶堰的堰顶水深236 9.6.3流量系数237 9.6.4侧收缩系数239 9.6.5淹没系数239 9.7闸孔出流242 9.7.1堰流与孔流的界限242 9.7.2宽顶堰上的闸孔出流243 9.7.3实用堰上的闸孔出流245 9.8水工建筑物测流简介247 思考题249 习题249 第10章泄水建筑物下游水流的衔接与消能252 10.1概述252 10.2底流式衔接与消能252 10.2.1收缩断面水深的计算253 10.2.2消能工的水力计算255 10.3挑流式衔接与消能262 10.3.1挑距的计算263 10.3.2挑角θ264 10.3.3反弧半径R265 10.3.4挑坎高程的确定265 10.3.5挑流冲刷坑的估算265 10.4面流衔接与消能265 10.4.1面流型的衔接形式266 10.4.2消力戽消能267 思考题269 习题270 第11章渗流272 11.1概述272 11.2渗流的几个基本概念272 11.2.1水在土壤中的形态272 11.2.2土壤的渗透特性273 11.2.3渗流模型273 11.3渗流的基本定律274 11.3.1达西试验和达西定律274 11.3.2达西定律的适用范围275 11.3.3渗透系数及其确定方法276 11.4恒定无压渗流277 11.4.1无压恒定均匀渗流277 11.4.2无压恒定渐变渗流278 11.4.3无压渐变渗流的微分方程278 11.4.4渐变渗流浸润线的分析和计算279 11.5井的渗流284 11.5.1普通完整井284 11.5.2承压完整井285 11.5.3井群286 11.6土坝渗流288 11.6.1前段的计算289 11.6.2后段的计算289 11.6.3计算浸润线290 11.7渗流的基本微分方程290 11.7.1渗流的连续性方程290 11.7.2渗流的运动方程290 11.7.3渗流的流速势函数291 11.7.4渗流问题解法概述291 11.8恒定平面渗流的流网解法292 11.8.1恒定平面渗流流网的绘制292 11.8.2应用流网进行渗流计算294 思考题296 习题296 第12章污染物的输运和扩散299 12.1概述299 12.2污染物输运和扩散的数学方程300 12.2.1一维输运扩散方程300 12.2.2平面二维输运扩散方程301 12.3一维扩散过程的解303 12.3.1无限长渠道中瞬时点源的扩散304 12.3.2半无限长渠道中瞬时点源的扩散305 12.3.3无限长渠道中区域浓度的扩散305 12.3.4半无限长渠道中连续点源的扩散307 12.4二维扩散过程的解307 12.5均匀流条件下一维随流扩散方程的解308 12.5.1均匀流条件下瞬时点源的随流扩散308 12.5.2无限长渠道中区域浓度的随流扩散310 12.5.3半无限长渠道中连续点源的随流扩散311 12.6均匀流条件下二维随流扩散方程的解311 12.7存在化学反应的一维随流扩散方程的解311 12.8扩散系数的分析与估算312 思考题314 习题314 第13章水力相似与模型试验基本原理315 13.1概述315 13.2量纲分析基本原理315 13.2.1量纲与单位、基本量纲和诱导量纲316 13.2.2无量纲数(量纲为一的量)316 13.2.3量纲和谐原理317 13.2.4量纲分析法318 13.3水力相似基本原理322 13.3.1比尺、基本比尺、导出比尺322 13.3.2力学相似、几何相似、运动相似和动力相似322 13.3.3牛顿相似定律323 13.3.4相似准则324 13.4相似准则的应用及水力模型设计329 13.4.1相似准则的应用及模型比尺换算329 13.4.2水力模型设计的限制条件332 13.5水力模型的分类333 13.5.1按模型模拟的范围分类334 13.5.2按床面的性质分类334 13.5.3按模型的几何相似性分类335 思考题335 习题336 习题答案337 参考文献342