水力學(xué) （平裝）

水力學(xué)

水力學(xué)是研究以水為代表的液體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及其在工程技術(shù)中的應(yīng)用。水力學(xué)包括水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)。

水力學(xué)是建立在實(shí)踐基礎(chǔ)之上的一門學(xué)科，從工程意義上講，它是一門經(jīng)驗(yàn)學(xué)。

水靜力學(xué)

主要研究液體靜止或相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用，探討液體內(nèi)部壓強(qiáng)分布，液體對(duì)固體接觸面的壓力，液體對(duì)浮體和潛體的浮力及浮體的穩(wěn)定性，以解決蓄水容器，輸水管渠，擋水構(gòu)筑物，沉浮于水中的構(gòu)筑物，如水池、水箱、水管、閘門、堤壩、船舶等的靜力荷載計(jì)算問(wèn)題。

水動(dòng)力學(xué)

主要研究液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用，探討管流、明渠流、堰流、孔口流、射流多孔介質(zhì)滲流的流動(dòng)規(guī)律，以及流速、流量、水深、壓力、水工建筑物結(jié)構(gòu)的計(jì)算，以解決給水排水、道路橋涵、農(nóng)田排灌、水力發(fā)電、防洪除澇、河道整治及港口工程中的水力學(xué)問(wèn)題。

水力學(xué)方法

1.對(duì)原型流動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的觀察和測(cè)定，從原始數(shù)據(jù)中尋求流動(dòng)規(guī)律，是水力學(xué)研究的最可靠的方法。它是水力學(xué)的精髓，也是水利研究的基本原則。

2.可在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)力學(xué)相似原理，找出影響流動(dòng)的主要作用力，選用相應(yīng)的模型律，以縮小的比例尺在模型上近似地重現(xiàn)和原型成一定比例的流動(dòng)，根據(jù)模型流動(dòng)的測(cè)定，估算原型流動(dòng)的狀態(tài)和各種參數(shù)，是數(shù)理分析和實(shí)驗(yàn)分析的重要補(bǔ)充，它是以白金漢提出的定理為依據(jù)，使有因次方程無(wú)因次化。這種方法，可以稱為試驗(yàn)法或?qū)嵺`法。

水力學(xué)基本量

水力學(xué)的基本量是長(zhǎng)度、時(shí)間和質(zhì)量。

理論法：

獨(dú)立因次的數(shù)目為三，用無(wú)因次方程代替有因次方程可以使變量減少三個(gè)，這在實(shí)驗(yàn)分析中，可大量地減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。在理論分析中，可以更合理地提出變量關(guān)系式。

數(shù)值模擬法：

當(dāng)研究對(duì)象過(guò)于復(fù)雜、控制方程非線性、邊界條件不規(guī)則，利用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)力學(xué)方法難以得出解析解時(shí)，可以建立數(shù)值模型，編制程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算得出數(shù)字結(jié)果或圖線。

水力學(xué)歷史

公元前400余年，中國(guó)墨翟在《墨經(jīng)》中，已有了浮力與排液體積之間關(guān)系的設(shè)想。公元前250年，阿基米德在《論浮體》中，闡明了浮體和潛體的有效重力計(jì)算方法。1586年德國(guó)數(shù)學(xué)家斯蒂文提出水靜力學(xué)方程。十七世紀(jì)中葉，法國(guó)帕斯卡提出液壓等值傳遞的帕斯卡原理。至此水靜力學(xué)已初具雛形。

帕斯卡定律：不可壓縮靜止流體中任一點(diǎn)受外力產(chǎn)生壓力增值后，此壓力增值瞬時(shí)間傳至靜止流體各點(diǎn)。

液體流動(dòng)的知識(shí)，在中國(guó)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，在歐洲直至15世紀(jì)以前，都被認(rèn)為是一種技藝，而未發(fā)展為一門科學(xué)。

文藝復(fù)興期間，意大利人達(dá)·芬奇在實(shí)驗(yàn)水力學(xué)方面獲得巨大的進(jìn)展，他用懸浮砂粒在玻璃槽中觀察水流現(xiàn)象，描述了波浪運(yùn)動(dòng)、管中水流和波的傳播、反射和干涉。

十八世紀(jì)末和整個(gè)十九世紀(jì)，形成了兩個(gè)相互獨(dú)立的研究方向:

一是運(yùn)用數(shù)學(xué)分析的理論研究流體動(dòng)力學(xué)。

二是依靠實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用研究水力學(xué)。

開(kāi)爾文、瑞利、斯托克斯、蘭姆等人的工作使理論水平達(dá)到相當(dāng)?shù)母叨?，而謝才、達(dá)西、巴贊、弗朗西斯、曼寧等人則在應(yīng)用水力學(xué)方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，提出了各種實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式。

十九世紀(jì)末，流體力學(xué)的發(fā)展扭轉(zhuǎn)了研究工作中的經(jīng)驗(yàn)主義傾向，這些發(fā)展是:

1.雷諾理論及實(shí)驗(yàn)研究；

2.雷諾的因次分析；

3.弗勞德的船舶模型實(shí)驗(yàn)；

4.空氣動(dòng)力學(xué)的迅速發(fā)展。

二十世紀(jì)初的重要突破是普朗特的邊界層理論，它把無(wú)粘性理論和粘性理論在邊界層概念的基礎(chǔ)上聯(lián)系了起來(lái)。

邊界層理論：當(dāng)流體在大雷諾數(shù)條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可把流體的粘性和導(dǎo)熱看成集中作用在流體表面的薄層即邊界層內(nèi)。根據(jù)邊界層的這一特點(diǎn)，簡(jiǎn)化納維－斯托克斯方程，并加以求解，即可得到阻力和傳熱規(guī)律。

二十世紀(jì)水力學(xué)的研究方向不斷發(fā)展：

1.從定床水力學(xué)轉(zhuǎn)向動(dòng)床水力學(xué) ；

2.從單向流動(dòng)到多相流動(dòng)；

3.從牛頓流體規(guī)律到非牛頓流體規(guī)律；

4.從流速分布到溫度和污染物濃度分布；

5.從一般水流到產(chǎn)生滲氣、氣蝕，引起振動(dòng)的高速水流。

以電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用為主要手段的計(jì)算水力學(xué)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。水力學(xué)作為一門以實(shí)用為目的的學(xué)科將逐漸與流體力學(xué)合流。

牛頓流體：是指在任意小的外力作用下即能流動(dòng)的流體，并且流動(dòng)的速度梯度(D)與所加的切應(yīng)力(τ)的大小成正比，這種流體就叫做牛頓流體。

牛頓流體的流變方程是：τ＝ηD 式中：τ--所加的切應(yīng)力； D--流動(dòng)速度梯度； η--不依賴于切變速度的常數(shù)，叫做黏性系數(shù)，簡(jiǎn)稱為黏度。

凡不同于牛頓流體的都稱為非牛頓流體。

來(lái)源：草根水利