水力学

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  水力学(hydraulics),研究以水为代表的液体运动规律及其在生产实践中的应用的力学分支。其中心问题是研究水流与边界的相互作用,分析在各种条件下形成的水流状态和边界上的作用力。水力学除广泛应用于水利水电建设外,还应用于城乡建设、环境保护、机械制造、石油开采、金属冶炼及化学工业等领域。

  水力学在历史上的最早记载有公元前250年左右的阿基米德浮体原理。中国古代水利工程如都江堰灵渠的修建和用“铜壶滴漏”计时,表明对明渠水流和孔口泄流的原理已有所认识。16世纪后,出现了B.帕斯卡液压传递定理、I.牛顿流体内摩擦定律等。1738年,D.伯努利提出水动力学伯努利方程,水力学初步形成为一门学科。其后沿着古典流体力学实验水力学两个方向发展。古典流体力学用严密的数学分析进行研究,L.欧拉建立了理想流体运动微分方程,C.L.M.H.纳维G.G.斯托克斯建立了粘性流体运动微分方程,奠定了流体力学的理论基础,但在当时尚难以解决各种实际问题。实验水力学针对具体水流现象,采用试验和观测手段得到许多实用的经验公式,如A.谢才明渠均匀流公式一直沿用至今,但理论指导不足,成果有局限性,也难以解决复杂问题。19世纪末至20世纪以来,O.雷诺提出层流湍流两种流态,开始了湍流的研究,特别是L.普朗特创立了边界层理论,使流体力学的发展进入一个新阶段。同时,现代实验技术和建立在相似理论与量纲分析基础上的实验理论迅速发展,水力学也吸取了流体力学的基本理论分析水流现象,使实验工作建立在更为牢固的基础上。原来相互脱节的古典流体力学和实验水力学日益结合,在新的基础上形成现代流体力学和现代水力学。

研究内容

  传统水力学由水静力学和水动力学两部分组成。水静力学研究静止液体的静压强分布规律和物体表面上的液体静总压力的计算方法。水动力学主要研究液体流动规律,包括基本理论和实际应用两方面内容。基本理论主要为反映质量、动量和能量三大守恒定律的连续性方程、动量方程和能量方程,后者仅对机械能而言,即为伯努利方程,以及水流阻力和机械能损失的理论。这些理论基础和流体力学相同,但以采用断面平均量表示的一维总流分析方法为主。实际应用为应用基本理论解决各种实际流动问题,按不同类型水流运动的特点主要分为下列几类:①有压管流。研究输送液体的各种管道的流量和沿管压强变化的计算,也包含流动瞬变时发生水击的分析。②明槽流。包括河渠中正常均匀流动;非均匀渐变流动,主要为水面线的分析;急变流动,如水跃现象等;非定常流动,如洪水计算等。③孔流。各种小孔口和喷嘴在压力水头下的出流以及水工中闸门大孔泄流的计算。④堰流。各种量水堰和溢流坝等水工建筑物的顶上过流的计算。⑤波浪。研究各种水波的运动特性和波浪对建筑物的波压力。⑥水力机械中的流动。主要为水轮机和水泵等叶轮机械中的流动特性。⑦挟沙水流。研究挟带泥沙的河渠中浑水的流动规律,也包括物料输送管道的流动。⑧渗流。研究多孔介质中主要是地下土壤中的渗流运动规律,也包括地下水对建筑物基础的浮托力计算。水力学也常按服务专业或问题性质命名形成若干个分支,如水工水力学、河流水力学等等。

  现代生产建设的飞速发展,如高坝和巨型电站的修建,海洋的开发、环境污染的防治等,对水力学提出的问题日新月异。另一方面,科学技术的进步,有关学科如流体力学中湍流、多相流等的新发展,渗透入水力学更多新的理论和方法;现代光、热、电子等各种先进量测技术的引用,使复杂流动和水流内部结构的量测成为可能;而电子计算机的广泛应用更解决了许多过去难以计算的问题。因此,水力学的内涵得到不断发展、更新和提高。除传统的水力学分支外,又崛起一批新的学科分支,有计算水力学、随机水力学、环境水力学、高速水力学和工业水力学等。

研究方法

  有理论分析、数值计算和实验研究几种途径。水力学的系统理论是用数理分析方法建立起来的。但由基本微分方程求严格解析解往往很困难,实际问题的解算多限于一维总流情况,公式中的系数常要由实验确定。对于非定常问题、二维和三维问题,则常应用数值计算方法求近似解。水力学实验有原型观测和实验室试验,前者对天然水流直接观测,资料真实但费用大,且常受条件限制难以作系统研究;后者可改变水流条件作专题系统研究以及不同方案的实物模型试验,但模型试验受相似条件控制,常只能抓住主要因素得到近似的相似。实验在水力学发展中起过重要作用,理论和数值计算的结果也常需要实验资料的验证,至今仍是一个重要的研究手段。