什么是水力学?

[拼音]：shuilixue

[外文]：hydraulics

研究水和其他液体的机械运动规律及其应用的学科，是力学的一个分支。在水力学中，不考虑液体的分子结构和分子随机运动，把液体看作连续介质，一般假设其压缩性影响可以忽略不计，粘滞性符合牛顿内摩擦定律。水力学在防洪、灌溉、河道整治、水力发电、航运、造船、给水、排水、水资源保护等工程中，以及机械、冶金、化工、石油等工业部门中都有广泛的应用。

在中国，传说约公元前21世纪有大禹治水，公元前3世纪兴建了都江堰等著名水利工程，公元1世纪前后制成了水碓、水磨和水排。这些成就说明水力学原理在中国早有应用。在西方，古埃及和巴比伦的灌溉工程，古罗马的供水系统等也反映出对水流规律的认识。但作为水力学理论的发端，则是公元前250年左右希腊科学家阿基米德所建立的浮力与浮体的定律。17世纪又陆续发现液体运动的一些规律，如牛顿内摩擦定律等，但未形成系统理论。18～19世纪，沿着两条途径建立液体运动的系统理论。一方面，1738年瑞士力学家、数学家伯努利，丹尼尔第一·给出液体流动的能量关系式，即伯努利方程。1755年瑞士数学家、力学家L.欧拉首次导出理想液体运动微分方程组。后经法国力学家、数学家J.-L.拉格朗日、德国物理学家H.von亥姆霍兹、英国力学家H.兰姆等人的努力，到19世纪中叶，大体建成对理想液体运运进行数学分析的系统理论，习惯上称为水动力学或古典流体力学。但当时在研究中忽略了粘滞性，计算结果和实验不尽符合。另一方面，法国工程师H.皮托于1732年发明测量流速的皮托管，法国工程师A.de谢才于1769年建立计算均匀流动的谢才公式，法国工程师H.-P.-G.达西于1856年提出线性渗流定律等。他们多凭借实地观测和室内试验，得出经验公式或在理论公式中引入经验系数，以解决实际问题。这些成果总结为以实际液体为对象的重经验、重实用的水力学。水动力学和水力学都是关于液体运动的力学，但研究途径不同，彼此平行发展。

1821～1845年建立的粘性不可压缩流体运动方程，即纳维－斯托克斯方程， 1883年英国力学家、物理学家O.雷诺的流态试验和他提出的动力相似律，实为粘性流动理论的先驱。德国力学家L.普朗特于1904年创立边界层理论，既开辟了解决粘性流动的道路，又明确了理想流体理论适用的范围，使水力学与水动力学两种研究途径趋于统一。后经美国力学家 T.von卡门、英国力学家G.I.泰勒等人的努力，边界层理论和紊流理论都有很大的发展，现代流体力学逐渐形成，其中关于液体运动的部分构成了现代水力学。

19世纪中叶，水力学的系统理论由西方传入中国。1949年后，结合工程建设解决了许多重大的水力学问题，使水力学的理论与实践得到进一步的充实和发展。

可分为水静力学和水动力学。前者讨论液体的平衡及其与边界的相互作用；后者研究液体的运动、引起运动的力和伴随的能量变化。水流连续性方程、水流能量方程、水流动量方程与纳维－斯托克斯方程，是对液体运动作总流分析与流场分析的控制方程。水流阻力和水头损失是液流与边界相互作用在力和能量方面的反映，也是水动力学的重要课题。有关流动型态（层流和紊流）与边界层方面的知识，构成近代流体力学的重要内容，为水流阻力与水头损失分析计算提供理论基础。因次分析与相似理论作为理论、实验研究的重要手段，也常纳入水力学的研究内容。

不同生产部门中所碰到的液体运动问题，因边界条件不同而各有其特殊性，需分别进行讨论。例如：明渠水力学研究有自由表面的明渠水流；管道水力学研究没有自由表面的管流；地下水动力学研究多孔介质中的渗流；水工建筑物水力学研究通过壅水、泄水、取水等各种建筑物的水流（堰流、孔口出流等），以及高水头所形成的高速水流、水流衔接与消能等问题；水力机械水力学研究水泵、水轮机和其他水力机械中液体运动规律以及液体和机械之间的相互作用。此外，水力学还研究特殊运动形态的专门课题，如波浪、挟沙水流、掺气水流等。

水力学和其他学科结合，又形成一些交叉性的分支学科，如河流动力学、海岸动力学、环境水力学等。

可分为相辅相成的三个方面。

（1）实验观测：主要包括对工程实践中的原型水流直接进行现场观测；在实验室内进行揭示一般水流基本规律的系列试验和模拟原型水流的水力模型试验。这几方面可以互相补充，彼此验证。

（2）理论分析：形成19世纪水力学基础的总流分析法仍占主要地位，但很多情况下，既有必要也有可能对液体运动作二维及三维的流场分析，求得更精细、更准确地解决问题。液体运动十分复杂，必须根据实际情况，抓住主要矛盾，建立反映问题本质的力学模型，进行数理分析，还要和实验观测相结合，才能得到适合需要的结果。

（3）数值计算：电子计算机的出现和发展，使许多原来用数理分析不能求解的复杂水力学问题可求得数值解。

水力学的传统内容特别是与水资源开发、利用、保护密切相关的课题，将会继续发展。三维流动的分析和计算日益增加，数值解法进展加快，计算水力学迅速成长。实验水力学也因电子计算机和测试新技术的应用，正在进一步发展。随机水力学正在形成，水d性理论也有发展。由水量到水质，由单相流到多相流，由牛顿液体到非牛顿液体，水力学的研究范围将会不断扩展。

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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