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江苏自学考试水力学教材大纲

2006-11-13 14:42   【 】【我要纠错

  一、课程性质及其设置目的与要求

  水力学课程是江苏省高等教育自学考试建筑工程专业(独立本科段)的必修课程,是为培养和检验应考者有关液体基本物理特性、水静力学、水动力学基本概念、基本理论及其在工程中实际应用技能而设置的一门专业基础课。

  水力学是建筑工程专业的一门技术基础课,它的任务是研究液体(主要是水)的平衡和机械运动规律及其实际应用。水力学所研究的基本规律,一是关于液体平衡的规律,即液体处于静止或相对平衡状态时,作用于液体上各种力之间的关系;二是关于液体运动的规律,即液体在运动状态时,作用于液体上的力与运动要素之间的关系及液体的运动特性与能量转换关系等。因研究液体平衡和机械运动规律时,要应用有关力学系平衡定理、动量定理、动能定理等,所以物理学、理论力学及高等数学的知识是学习水力学课程的必要基础。

  设置本课程的目的要求是:使应考者掌握水的平衡和水流运动的一般规律及有关基础理论,流动阻力和水头损失以及有压管道流动,明渠水流和渗流的基本概念、基本理论和计算方法,同时掌握一定的试验技术和操作技能,为学习后续专业课程和从事专业技术工作及科学研究打下基础。

  二、考核目标

  绪 论

  考核要求:

  (一)水力学的任务及研究对象

  1、理解:水力学课程的性质、任务和研究对象。

  (二)液体的主要物理性质

  1、理解:液体的基本物理性质,如惯性、质量与密度,万有引力特性与重力,压缩性与压缩率,表面张力。

  2、掌握:液体粘滞性的定义,牛顿内摩擦定律,动力粘度与运动粘度。

  3、应用:利用牛顿内摩擦定律计算液体的切应力等。

  (三)连续介质与理想液体的概念

  1、理解:连续介质与理想液体的概念

  (四)作用于液体上的力

  1、理解:按力的物理性质分类及按力的作用特点分类

  2、掌握:表面力和质量力的基本特性及度量。

  第一章 水静力学

  考核要求:

  (一)静水压强及其特性

  1、理解:静水压力与静水压强概念及单位。

  2、掌握:静水压强的两个主要特性。

  (二)液体平衡微分方程式及其积分

  1、理解:液体平衡微分方程的作用及其推导。

  2、掌握:液体平衡微分方程及其物理意义。

  (三)等压面

  1、理解:等压面定义。

  2、掌握:等压面的两个重要性质。

  (四)重力作用下静水压强的基本公式

  1、理解:静止液体概念。

  2、掌握:静水压强基本公式及其物理意义,连通容器内等压面的分析。

  3、应用:利用静水压强基本公式进行压强计算。

  (五)几种质量力同时作用下的液体平衡

  1、理解:相对平衡概念,几种质量力同时作用下的液体平衡分析方法。

  (六)绝对压强,相对压强,真空度

  1、理解:绝对压强,相对压强,真空及真空度概念。

  2、掌握:各种压强的表示及相互换算关系。

  3、应用:分析计算各种压强问题。

  (七)压强的测量

  1、理解:压强测量的水力学原理。

  2、掌握:测压管、U形测压计和差压计原理及其使用方法和计算公式。

  3、应用:利用各种测压方法进行压强、压差的量测计算。

  (八)压强的液柱表示法,水头与单位势能

  1、理解:压强的各种单位表示,水头和单位势能概念。

  2、掌握:压强的各种单位之间的换算。

  (九)作用于平面上的静水总压力

  1、理解:静水压强与静水总压力概念。

  2、掌握:静水压强分布图的绘制,作用于矩形平面和任意平面上的静水总压力和压力中心位置的计算。

  3、应用:计算作用于平面上的静水总压力及压力中心位置。

  (十)作用于曲面上的静水总压力

  1、理解:作用于曲面上的静水压强分布图,静水总压力的分解。

  2、掌握:水平分力计算,压力体的绘制,垂直分力计算和方向确定。

  3、应用:确定作用在曲面上的静水总压力的大小和方向。

  第二章 液体运动的流束理论

  考核要求:

  (一)描述液体运动的两种方法

  1、理解:描述液体运动的两种方法的特点及其优缺点。

  (二)恒定流与非恒定流

  1、理解:恒定流与非恒定流概念及数学表示。

  (三)迹线与流线

  1、理解:迹线与流线的定义。

  2、掌握:流线的特性。

  (四)流管、微小流束、总流,过水断面、流量与断面平均流速

  1、理解:流管、微小流束、总流,过水断面、流量与断面平均流速概念。

  2、掌握:流量与断面平均流速的计算。

  (五)一元流、二元流、三元流

  1、理解:一元流、二元流、三元流概念

  (六)恒定一元流的连续性方程

  1、理解:液体运动质量守恒规律。

  2、掌握:连续性方程式及其物理意义。

  3、应用:利用连续性方程式计算断面平均流速。

  (七)理想液体及实际液体恒定流微小流束的能量方程式

  1、理解:理想液体与实际液体概念,液体运动能量守恒规律。

  2、掌握:理想和实际液体元流能量方程式及其物理意义。

  (八)均匀流与非均匀流,非均匀渐变流与急变流

  1、理解:均匀流与非均匀流,非均匀渐变流与急变流概念。

  2、掌握:均匀流具有的特性,均匀流和非均匀渐变流过水断面上动水压强的分布规律。

  3、应用:对均匀流和非均匀渐变流过水断面上的动水总压力进行计算。

  (九)实际液体恒定总流的能量方程式及其应用

  1、理解:实际液体恒定总流能量方程式的推导,能量方程式的几何表示。

  2、掌握:实际液体恒定总流的能量方程式及其物理意义,能量方程应用条件及注意点,毕托管、文丘利流量计原理及计算公式。

  3、应用:应用能量方程式解决各种实际水力计算问题。

  (十)实际液体恒定总流的动量方程式及其应用

  1、理解:质点系运动动量定律,动量方程推导过程。

  2、掌握:动量方程式及其物理意义,应用动量方程式的条件及注意点。

  3、应用:应用动量方程式求解水流对各种固体边界的作用力。

  第三章 液流型态及水头损失

  考核要求:

  (一)水头损失的物理概念及其分类

  1、理解:水头损失产生机理,沿程水头损失和局部水头损失概念。

  (二)均匀流沿程水头损失与切应力的关系

  1、理解:均匀流沿程水头损失与切应力的关系式的推导及物理意义。

  2、掌握:计算均匀流沿程水头损失的基本公式——达西公式。

  3、应用:应用达西公式计算水头损失。

  (三)液体运动的两种型态

  1、理解:层流和紊流概念,紊流形成过程。

  2、掌握:层流和紊流的判别,液流型态和水头损失的关系。

  3、应用:通过计算雷诺数判别液流型态。

  (四)圆管中的层流运动及其水头损失的计算

  1、理解:圆管中的层流特性,流速分布规律。

  2、掌握:圆管层流水头损失计算公式、沿程阻力系数和雷诺数的关系。

  3、应用:圆管层流沿程水头损失计算。

  (五)紊流及其特征

  1、理解:紊流的基本特征,紊流运动要素的瞬时值、脉动值和时均值概念,附加切应力和粘性底层概念。

  (六)沿程阻力系数的变化规律

  1、理解:沿程阻力系数的变化规律及其物理意义,光滑区、过渡粗糙区及粗糙区概念。

  2、掌握:不同区域沿程阻力系数和雷诺数、相对粗糙度的关系及其原因。

  3、应用:利用相应的经验公式或查莫迪图求解阻力系数。

  (七)计算沿程水头损失的经验公式——谢才公式

  1、理解:谢才公式的提出及其应用范围。

  2、掌握:谢才公式及其物理意义,谢才系数计算公式及谢才系数和沿程阻力系数的关系。

  (八)局部水头损失

  1、理解:局部水头损失概念及产生机理。

  2、掌握:局部水头损失的表示,进、出口局部水头损失系数值。

  第四章 有压管中的恒定流

  考核要求:

  (一)简单管道的水力计算1、理解:简单管道概念,自由出流和淹没出流概念,简单管道水力计算的基本类型。

  2、掌握:简单管道水力计算基本公式及其物理意义。

  3、应用:各种类型简单管道水力计算,虹吸管及水泵装置的水力计算。

  (二)串联管道的水力计算

  1、理解:串联管道定义及其特点,长管概念。

  (三)并联管道的水力计算

  1、理解:并联管道定义及其特点。

  (四)分叉管道的水力计算

  1、理解:分叉管道概念及其特性。

  第五章 明渠水流

  考核要求:

  (一)明渠的类型及其对水流运动的影响

  1、理解:明渠的横断面及其断面水力要素,明渠的底坡,明渠的分类。

  2、掌握:明渠断面水力要素的物理意义及其计算公式。

  (二)明渠均匀流的特性及其产生条件

  1、理解:明渠均匀流的产生。

  2、掌握:明渠均匀流的特性及其产生条件。

  (三)明渠均匀流的水力计算

  1、理解:明渠均匀流的水力计算类型。

  2、掌握:明渠均匀流水力计算公式及其物理意义,矩形、梯形明渠均匀流各种水力计算类型的计算方法。

  (四)水力最佳断面及允许流速

  1、理解:水力最佳断面及允许流速概念。

  (五)明渠水流的三种流态

  1、理解:明渠水流的三种流态,断面比能与临界水深概念,临界底坡、缓坡与陡坡概念。

  2、掌握:明渠流态的判别方法,断面比能曲线及其物理意义,矩形断面临界水深的计算。

  (六)水跃

  1、理解:水跃定义,跃前断面、跃后断面、跃高及跃长概念,棱柱体水平明渠水跃方程,共轭水深概念。

  第六章 有压管中的非恒定流

  考核要求:

  (一)阀门突然关闭时有压管道中的水击

  1、理解:阀门逐渐关闭时有压管道中的水击现象,水击物理过程的四个阶段,水击的相和周期,水击过程中断面压强变化规律。

  2、掌握:水击过程的运动特征,相和周期的计算,波速及水击压强的计算。

  3、应用:分析和计算阀门突然关闭时有压管道中的水击。

  (二)阀门逐渐关闭时有压管道中的水击

  1、理解:阀门逐渐关闭时有压管道中的水击的特点,阀门关闭时间不同对水击的影响,直接水击与间接水击概念。

  2、掌握:阀门关闭时间和相长相对大小对阀门断面水击压强的影响及阀门断面水击压强的计算。

  3、应用:减小有压管中的水击压强宜采用的各种工程措施。

  第七章 液体运动的流场理论

  考核要求:

  (一)流速、加速度

  1、理解:液体质点的流速、加速度空间分布的数学表达。

  (二)流线、迹线及其微分方程

  1、理解:流线、迹线概念及其微方程。

  (三)液体质点运动的基本形式

  1、理解:液体运动特点,液体质点各种基本运动形式。

  2、掌握:液体质点角变形速度和旋转角速度表达式。

  (四)无涡流与有涡流

  1、理解:无涡流与有涡流(有势流与无势流)概念。

  2、掌握:由已知流场分析液体运动特征。

  (五)液体运动的连续性方程式

  1、理解:液体运动的质量守恒定律。

  2、掌握:连续性方程式及其物理意义。

  (六)实际液体运动微分方程式

  1、理解:实际液体运动微分方程式的物理意义。

  第八章 恒定平面势流

  考核要求:

  (一)恒定平面势流的流速势及流函数

  1、理解:流函数及其特性,流速势及等势线,流函数与流速势的关系。

  2、掌握:平面势流连续性方程,平面势流及流函数的性质,流函数与势函数的共轭函数关系。

  (二)基本平面势流及其叠加

  1、 理解:势流叠加概念。

  第九章 渗流

  考核要求:

  (一)渗流的基本概念

  1、理解:水在土壤中的存在形式,土壤的渗流特性和渗流模型,渗流类型。

  2、掌握:渗流流速计算式及渗流流速和真实流速的关系,以渗流模型取代真实渗流必须满足的原则。

  (二)渗流的基本定律——达西定律

  1、理解:达西实验及达西定律的推导,达西定律的运用条件,渗透系数概念。

  2、掌握:达西定律及其物理意义。

  (三)地下河槽中恒定均匀渗流和非均匀渗流

  1、理解:地下河槽中的均匀流概念,非均匀渐变渗流基本公式,浸润面和浸润曲线概念。

  2、掌握:均匀渗流计算公式,杜比公式及其物理意义。

  (四)普通井及井群的计算

  1、理解:普通井概念,普通完全井与不完全井概念,井群概念。

  实验内容及要求

  一、 实验室认识实习

  要求:参观和了解水力学实验室的布置,循环系统及主要设备。

  二、 静水压强的测定

  要求:掌握液体静水压强的测量,验证静水中测压管水头为常数。

  三、 能量方程(伯努利方程)式验证实验

  要求:通过实验对能量方程式有更进一步地理解。

  四、 文德利量水计实验

  要求:通过实验掌握文德利流量计的使用方法及注意事项,掌握流量计算公式及流量系数的测定方法。

  五、 雷诺实验

  要求:观察水流由层流到紊流、由紊流到层流的变化过程,计算临界雷诺数。

  六、 沿程水头损失和局部水头损失实验

  要求:掌握沿程水头损失和局部水头损失的测量方法及沿程水头损失系数和局部水头损失系数的测定方法。

  三、有关说明和实施要求

  为了使本大纲的规定在个人自学、社会助学和考试命题中得到贯彻和落实,兹对有关问题说明如下:并进而提出实施要求。

  (一)关于考核目标的说明

  为使考试内容具体化和考试要求标准化,本大纲对各章规定了考核目标,使自学应考者能够进一步明确考试内容和要求,更有目的地系统学习教材,使社会助学者能够更全面地针对性地分层次进行辅导;使考试命题能够更加明确命题范围,更准确地安排试题的知识能力层次和难易度。

  本大纲在考核目标中,按照理解、掌握、应用三个层次规定应达到的能力层次要求。三个层次是递进等级关系。各能力层次的含义是:

  理解:能知道有关定义、概念、知识的意义,并能正确理解和表述。

  掌握:在理解的基础上,能全面把握基本概念和基本方法,能掌握有关定理、定律、方程及公式的应用,并内化为自己解决实际问题的能力。

  应用:在理解的基础上,能对具体工程问题进行正确地阐述和分析,并运用所掌握的知识处理和解决实际问题。

  (二)关于自学教材

  本课程使用教材为:《水力学》,吴持恭主编,2003年,高等教育出版社。

  (三)自学方法指导

  在全面系统学习的基础上掌握基本概念、基本知识、基本理论和基本方法。本课程内容涉及水力学的诸多方面,知识范围广泛,全书是一个整体,各章又有一定的独立性,在理解基本概念、基本知识、基本理论和基本方法的基础上,有目的重点学习重点章节,重点掌握各章节要求掌握的内容,并注意各章之间的联系,切忌在没有了解全貌的情况下孤立地支抓重点。

  根据本课程的特点,要把学习基本理论和灵活应用结合起来。因为水力学课程的基本概念、基本理论、基本方程及计算公式较多,要完全掌握光靠死记硬背不行,而应在充分理解的基础上,掌握主要的理论,基本方程及计算公式,通过分析、求解具体问题将所学知识应用于实际,从而加深对基本概念、基本理论的理解,更深刻代领会教材内容,提高分析问题和解决问题的能力。

  (四)对社会助学的要求

  1、社会助学者应根据大纲规定的考试内容和考核目标,认真钻研指定教材,明确本课程与其它课程不同的特点和学习要求,对自学应考者进行切实有效的辅导,引导他们防止自学中的各种偏向,把握社会助学的正确导向。

  2、要正确处理基本知识和应用能力的关系,努力引导自学应考者将理解、掌握同应用联系起来,把基本知识转化为解决实际问题的能力,在全面辅导的基础上,着重培养和提高自学应考者分析问题和解决问题的能力。

  3、要正确处理重点和一般的关系,课程内容有重点与一般之分,但考试内容是全面的,而且重点与一般是相互联系的,不是截然分开的。社会助学者应指导自学应考者全面系统地学习教材,掌握全部考试内容和考核知识点,在此基础上再突出重点。总之,要把重点学习同兼顾一般结合起来,切勿孤立地抓重点,把自学应考者引向猜题押题。

  (五)关于命题考试的若干要求

  1、本课程的命题考试,应根据本大纲所规定的考试内容和考试目标来确定考试范围和考核要求,不要任意扩大和缩小考试范围,提高或降低考核要求。考试命题覆盖到各章,并适当突出重点章节,体现课程的重点内容。

  2、试题要合理安排难度结构。试题难易度可分为易、较易、较难、难四个等级。每份试卷中,不同难易试题的分数比例一般为易占20%,较易占30%,较难占30%,难占20%.必须注意,试题的难易度与能力层次不是一个概念,在各能力层次中都会存在不同难度的问题,切勿混淆。

  3、本课程考试试卷采用的题型一般有:问答题、填空题、选择题、计算题等。

  附录  题型示例

  一、 单项选择题

  1.雷诺试验揭示的液流具有的两种流态是( A )

  A.层流与紊流   B.均匀流与非均匀流   C.渐变流与急变流    D.急流与缓流

  2.液体中某点的绝对压强为40kN/m2(当地大气压为98 kN/m2),则该点的真空度为( B )

  A.-58 kN/m2    B.58 kN/m2    C.40kN/m2     D.-40 kN/m2

  二、填空题

  1.水力坡度是指单位流程上的                   .

  2.紊流粗糙区的沿程水头损失系数λ与                 有关。

  三、简答题

  1. 什么是液体的粘滞性和粘滞力?

  答:运动状态下的液体将在质点间产生内摩擦力以抵抗其相对运动,这种性质称为液体的粘滞性,该内摩擦力称为粘滞力。

  2. 为什么说只有在正坡渠道中才能产生明渠均匀流?

  答:因明渠均匀流时水流中摩阻力与水流重力在流动方向的分力平衡,即GSinθ=Ff,其中θ为渠底线与水平线的夹角,G为重力,Ff为摩阻力。因摩阻力始终和运动方向相反,式中Ff始终为正,而Sinθ可正可负,但要使等式成立,只有Sinθ>0(G和Ff均大于零),也就是只有正坡渠道(i=Sinθ>0)才能满足明渠均匀流时的平衡条件,所以说只有在正坡渠道中才能产生均匀流。

  四、计算题

  1.一水箱,下接一长L=100m,管径d=0.5m的管道,如图所示。管道入口边缘是尖锐的,ζ1=0.5;沿程有90°的急弯一只,ζ2=1.0;出口处有平板闸门,ζ3=5.52;管道的沿程水头损失系数λ=0.02(以上各系数均对应于管中流速水头V2/2g)。水流为恒定流,流量Q=0.2m3/s时,忽略水箱中断面的流速水头,问水头H应为多少?

  解:

  以管道出口形心点所在的面为高程基准面,对1-1、2-2断面列能量方程式:

  又因

  答:水头应为0.64m.

  2.如图所示,在直径d1 = 10cm的园管末端装一出口直径d2 = 5cm的管嘴,园管中水流流速v1=3m/s,若不计水头损失和管嘴重量,求螺栓群所受的力。

  解:取脱离体,设管道对水体的反作用力为FR,方向如图。

  依连续性方程式得:    ,

  依能量方程式:    得:

  沿X方向列动量方程式:    得:

  所以螺栓群所受的力为0.318KN,方向向右。

江苏省教育考试院

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