《水力學(xué)》

水力學(xué)的基本方程為連續(xù)方程、能量方程和動(dòng)量方程， 分別根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律(或動(dòng)量定律)，并考慮液流連續(xù)介質(zhì)的特點(diǎn)推導(dǎo)而得。導(dǎo)出基本方程， 一般來說還要引入液體密度與壓力及溫度之間的關(guān)系式、粘性應(yīng)力和雷諾應(yīng)力的表示式。但在水力學(xué)中除少數(shù)特殊情況(如管道水擊)外， 均可認(rèn)為液體密度是不變的。水力學(xué)中研究的一般都是牛頓流體， 所以粘性應(yīng)力可由牛頓內(nèi)摩擦定律來表示。至于雷諾應(yīng)力， 水力學(xué)中主要還是采用混摻長(zhǎng)度半經(jīng)驗(yàn)理論來表示的。此外水力學(xué)中還常把粘性作用所引起的機(jī)械能耗散籠統(tǒng)用一水頭損失來表示， 然后采用某些假設(shè)或者通過實(shí)驗(yàn)來確定水頭損失值。水力學(xué)由水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué) (包括水運(yùn)動(dòng)學(xué)) 兩大部分組成。

水力學(xué)水靜力學(xué)

研究水在相對(duì)平衡(包括靜止)狀態(tài)時(shí)的規(guī)律， 確定水體對(duì)各種邊界的作用力。

水力學(xué)水動(dòng)力學(xué)

研究水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律， 分析各種條件下的過水能力、水力荷載、水能消耗、水流性態(tài)和混合輸移。

將水力學(xué)的基本原理用于解決各個(gè)生產(chǎn)部門的實(shí)際問題， 根據(jù)各個(gè)領(lǐng)域的液流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)， 水力學(xué)又形成了很多各具特色的學(xué)科分支。傳統(tǒng)的水力學(xué)主要隨著水利(包括防洪、灌溉、水電、水運(yùn)和海港等)工程的發(fā)展而發(fā)展起來的，其中主要有下列幾個(gè)學(xué)科分支：管道水力學(xué)、河渠水力學(xué)、水工建筑物水力學(xué)、水力機(jī)械水力學(xué)、河口海岸動(dòng)力學(xué)、地下水水力學(xué)等。實(shí)際上這也就是傳統(tǒng)上水力學(xué)所研究的主要內(nèi)容。主要研究領(lǐng)域已從傳統(tǒng)的水利工程擴(kuò)展為水資源的開發(fā)和管理及其對(duì)環(huán)境的影響， 并且日益遍及到各個(gè)生產(chǎn)部門， 還崛起了一批新興的水力學(xué)分支 (例如水資源水力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)等)。水力學(xué)的研究已從水量擴(kuò)展到水質(zhì); 單相流動(dòng)擴(kuò)展到多相流動(dòng); 等溫流動(dòng)擴(kuò)展到變溫流動(dòng)。

現(xiàn)代水力學(xué)和過去相比， 其研究方法也有顯著的進(jìn)步與變化。不僅是實(shí)驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)代化， 而且將更多地研究水流運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部機(jī)理， 更多地應(yīng)用數(shù)理分析與概率統(tǒng)計(jì)的方法。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展、計(jì)算水力學(xué)的建立為水力學(xué)的研究開辟了新的途徑， 對(duì)于水力學(xué)的發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

水力學(xué)的發(fā)展可以追溯到很早的時(shí)候。中國(guó)古代的水利工程技術(shù)有著光輝的成就，對(duì)于水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律也積累了相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)。四千多年前， 大禹治水就注意了“順?biāo)浴保?兩千多年前都江堰工程所總結(jié)的“深淘灘、低作堰”經(jīng)驗(yàn); 古代利用孔口出流原理的計(jì)時(shí)工具——銅壺滴漏，都說明當(dāng)時(shí)對(duì)于水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律已有一定的定性認(rèn)識(shí)。明代潘季馴(1521—1595)提出“筑堤束水、以水攻沙”的治水方針，對(duì)于水流連續(xù)原理和水沙相互作用已有相當(dāng)深刻的定性分析。

中國(guó)古代還提出了一些經(jīng)驗(yàn)的定量估算?！豆茏印ざ鹊仄分兴觥胺蛩?， 以高走下則疾，至于漂石，而下向高，即流而不行”，并指出“尺有十分之，三里滿四十九者， 水可走也”，說明在三里的距離內(nèi)渠底降落四十九寸，約相當(dāng)于千分之一的坡降， 渠水可以順勢(shì)流走。

水力學(xué)系統(tǒng)理論的萌芽，雖然可以追溯到古希臘阿基米德(Archimedes公元前287～前212)所提出的阿基米德浮體定律; 但以后的1000多年水力學(xué)在系統(tǒng)理論上的進(jìn)展很慢。水力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展是在16世紀(jì)以后的歐洲。1585年斯蒂芬(S. Steven 1548～1620)把剛體平衡的研究方法應(yīng)用于水靜力學(xué)。1643年托里拆利(E. Torricelli 1608～1647) 初步確立了孔口泄流的定律。1650年帕斯卡爾(B. Pascal 1623～1662)闡述了流體中壓力傳遞的規(guī)律。1686年牛頓(I. Newton1642～1727)提出了流體內(nèi)摩擦的基本定律。

水力學(xué)開始成為一門獨(dú)立的學(xué)科是在18世紀(jì)中葉以后，它以古典流體力學(xué)(或古典水動(dòng)力學(xué))作為理論基礎(chǔ)，并沿著實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的方向發(fā)展。

古典流體力學(xué)是在古典力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)工具建立流體運(yùn)動(dòng)的基本方程， 發(fā)展成為力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支。1738年伯諾里(D. Bernoulli1700～1782)提出了水動(dòng)力學(xué)的伯諾里方程。1755年歐拉(L. Euler 1707～1783)建立了理想流體的歐拉微分方程。粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程是納維埃(L. M.H. Navier 1785～1836)在1826年初次提出， 斯托克斯(G. G. Stokes 1819～1903)在1845年完成。古典流體力學(xué)由于求解上的數(shù)學(xué)困難，還難以解決實(shí)際問題。

早期的水力學(xué)主要著眼于解決實(shí)際的生產(chǎn)問題，針對(duì)具體的水流現(xiàn)象，采用試驗(yàn)和觀測(cè)的手段，直接尋求水力要素間的定量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，其中有些著名的經(jīng)驗(yàn)公式至今仍得到廣泛的應(yīng)用，例如謝才(A. Chezy1718～1798) 1769年總結(jié)的明渠均勻流的謝才經(jīng)驗(yàn)公式和曼寧(R. Manning 1816～1897)1889年總結(jié)的謝才系數(shù)的曼寧經(jīng)驗(yàn)公式。但是當(dāng)時(shí)水力學(xué)由于理論指導(dǎo)的不足， 其成果也往往有局限性， 難以解決復(fù)雜的問題。

19世紀(jì)末葉，特別是20世紀(jì)以來，水力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。這個(gè)時(shí)期生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展， 向古典流體力學(xué)提出了很多實(shí)際課題， 要求密切聯(lián)系實(shí)際。也對(duì)早期的水力學(xué)提出了更高的要求， 必須進(jìn)行理論概括。同時(shí)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 也為理論與實(shí)際的結(jié)合創(chuàng)造了良好條件。一方面紊流和邊界層等理論的發(fā)展，已經(jīng)使研究工作深入到水流內(nèi)部機(jī)理， 為分析復(fù)雜的實(shí)際粘性流體的運(yùn)動(dòng)開辟了道路。雷諾(O Reynolds1842～1912) 在1883年系統(tǒng)闡明了存在層流和紊流兩種流態(tài)， 并于1884年推導(dǎo)了紊流運(yùn)動(dòng)的雷諾方程： 普蘭特(L. Prandtl 1875～1953) 于1904年創(chuàng)立了邊界層理論使流體力學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。另一方面迅速發(fā)展的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)和建立在相似理論及量綱分析基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)理論， 也大大提高了探測(cè)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和對(duì)實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行理論概括的能力。原來相互脫節(jié)的古典流體力學(xué)和早期的水力學(xué)相互補(bǔ)充日益結(jié)合， 形成了現(xiàn)代的液體力學(xué)和水力學(xué)。

《水力學(xué)》共分9章。前四章主要介紹水力學(xué)的基本原理，包括水力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、水靜力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)基本原理、水流型態(tài)與水頭損失；后五章主要介紹水力學(xué)的工程應(yīng)用及原流場(chǎng)分析的基本原理，包括有壓管道流動(dòng)、恒定明渠水流、過流建筑物的水力計(jì)算、流場(chǎng)分析的基本原理、滲流?！端W(xué)》各章后均附有習(xí)題，便于讀者加深對(duì)知識(shí)的理解。

內(nèi)容介紹

水力學(xué)（上），ISBN：9787040118582，作者：吳持恭主編；高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）編

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