什么是水力学?

[拼音]：shuilixue

[外文]：hydraulics

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。水静力学研究液体静止或相对静止状态下的力学规律及其应用，探讨液体内部压强分布，液体对固体接触面的压力，液体对浮体和潜体的浮力及浮体的稳定性，以解决蓄水容器，输水管渠，挡水构筑物，沉浮于水中的构筑物，如水池、水箱、水管、闸门、堤坝、船舶等的静力荷载计算问题。水动力学研究液体运动状态下的力学规律及其应用，主要探讨管流、明渠流、堰流、孔口流、射流、多孔介质渗流的流动规律，以及流速、流量、水深、压力、水工建筑物结构的计算，以解决给水排水、道路桥涵、农田排灌、水力发电、防洪除涝、河道整治及港口工程中的水力学问题。随着经济建设的发展，水力学学科衍生了一些新的分支，以处理特定条件下的水力学问题，如以解决河流泥沙运动所导致的河床演变问题的动床水力学，以解决风浪对防护构筑物的动力作用和对近岸底砂的冲淤作用等问题的波浪理论等。

水力学作为学科而诞生始于水静力学。公元前400余年，中国墨翟在《墨经》中，已有了浮力与排液体积之间关系的设想。公元前250年，阿基米德在《论浮体》中，阐明了浮体和潜体的有效重力计算方法。1586年德国数学家S.斯蒂文提出水静力学方程。17世纪中叶，法国B.帕斯卡提出液压等值传递的帕斯卡原理。至此水静力学已初具雏形。

水动力学的发展是与水利工程兴建相联系的。公元前3世纪末，中国秦代修建规模巨大的都江堰、灵渠和郑国渠。汉初利用山溪水流作动力。此后在历代防洪及航运工程上积累了丰富的经验。但是液体流动的知识，在中国相当长的时间内，在欧洲直至15世纪以前，都被认为是一种技艺，而未发展为一门科学。文艺复兴期间，意大利人达·芬奇在实验水力学方面获得巨大的进展，他用悬浮砂粒在玻璃槽中观察水流现象，描述了波浪运动、管中水流和波的传播、反射和干涉。17世纪末英国人I.牛顿提出粘性阻力和惯性阻力的定义。

18世纪初叶，经典水动力学有迅速的发展。L.欧拉和丹尼尔第一·伯努利是这一领域中杰出的先驱者。18世纪末和整个19世纪，形成了两个相互独立的研究方向：一是运用数学分析的理论流体动力学；一是依靠实验的应用水力学。开尔文、瑞利、G.G.斯托克斯、H.兰姆等人的工作使理论水平达到相当的高度，而A.de谢才、H.-P.-G.达西、H.-┵.巴赞、 J.B.弗朗西斯、R.曼宁等人则在应用水力学方面进行了大量的实验研究，提出了各种实用的经验公式。

19世纪末，流体力学的发展扭转了研究工作中的经验主义倾向，这些发展是：雷诺理论及实验研究；O.雷诺的因次分析；弗劳德的船舶模型实验；空气动力学的迅速发展。20世纪初的重要突破是L.普朗特的边界层理论，它把无粘性理论和粘性理论在边界层概念的基础上联系起来。

20世纪蓬勃发展的经济建设提出了越来越复杂的水力学问题：高浓度泥沙河流的治理；高水头水力发电的开发；输油干管的敷设；采油平台的建造；河流湖泊海港污染的防治等。使水力学的研究方向不断发展，从定床水力学转向动床水力学，从单向流动到多相流动，从牛顿流体规律到非牛顿流体规律，从流速分布到温度和污染物浓度分布，从一般水流到产生渗气、气蚀，引起振动的高速水流。与上述问题密切相关的紊流机理的研究还在继续深入，以电子计算机应用为主要手段的计算水力学得到相应的发展。水力学作为一门以实用为目的的学科将逐渐与流体力学合流。

水动力学的数理分析首先是根据问题的客观条件和生产任务或理论要求，对所研究的液体建立力学模型，提出假设，使分析简化。最常用的力学模型有：

（1）连续介质模型，将由分子组成、分子之间有空隙的非连续液体看作分子紧密相依没有空隙的连续介质；

（2）不可压缩流体模型，将受压收缩、受热膨胀、有d性的液体，看作无d性密度不变的不可压缩流体；

（3）无粘性流体模型，将流动时因粘性作用产生内摩擦力的液体，看作粘性不起作用无内摩擦力的流体；

（4）理想液体模型，不可压缩无粘性的液体。力学模型确定后，以相适应的运动学和动力学基本方程式为工具，结合起始条件和边界条件，进行各种流动的质量平衡、动量平衡和能量平衡分析，求出所需要的各种变量。

对原型流动（指水流实际状态）进行系统的观察和测定，从原始数据中寻求流动规律，是水力学研究的最可靠的方法。如果实际上不可能，或需要费用太大，则可在实验室根据力学相似原理，找出影响流动的主要作用力，选用相应的模型律，以缩小的比例尺在模型上近似地重现和原型成一定比例的流动。根据模型流动的测定，估算原型流动的状态和各种参数。

是数理分析和实验分析的重要补充，它是以E.白金汉提出的 π定理为依据，使有因次方程无因次化。该定理表述如下：设描述物理过程的方程式为

f1(x1，x2，…，xn)＝0 (1)

若其中n个变量包含有m个独立因次，则这个过程必然也可用 n-m个无因次综合物理量所表达的关系式描述。若用符号π表示此综合物理量，则(1)式可改写为：

f(π1，π2，…，πn-m)＝0 (2)

从因次方程转变为无因次方程，是在原方程变量中，选取m个互相独立的变量，和其他(n-m)变量中的每一变量进行因次分析，使之组合形成无因次量。这样就得出等效的无因次方程。在水力学中，独立变量通常采用有代表性的长度l，有代表性的速度v，和反映质量的密度 ρ，粘性系数η组合为ρvl/η就是雷诺数。重力加速度ɡ组合为


就是弗劳德数。

由于水力学的基本量是长度、时间和质量，独立因次的数目为3，则用无因次方程代替有因次方程可以使变量减少 3个。这在实验分析中，可大量地减少实验次数，加速实验进程；在理论分析中，可以更合理地提出变量关系式。

数值模拟是计算机问世以来所采用的研究方法，也是数理分析的一种补充。当研究对象过于复杂、控制方程非线性、边界条件不规则，利用现有的数学力学方法难以得出解析解时，可以建立数值模型，编制程序，通过计算机运算得出数字结果或图线。和实验研究相比，数值模拟在边界条件和流体物理性质上有更大的灵活性和控制范围。对于必须进行实验研究的问题，先进行数值模拟，可以对实验规划和布置、测试仪器的选择提供有价值的参考。

参考书目

清华大学水力学教研组编：《水力学》，人民教育出版社，北京，1980。

参考文章

潜流人工湿地水力学研究进展废水治理

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