水力學（下）

水力學

水力學是研究以水為代表的液體的宏觀機械運動規(guī)律，及其在工程技術中的應用。水力學包括水靜力學和水動力學。

水力學是建立在實踐基礎之上的一門學科，從工程意義上講，它是一門經(jīng)驗學。

水靜力學

主要研究液體靜止或相對靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律及其應用，探討液體內部壓強分布，液體對固體接觸面的壓力，液體對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，擋水構筑物，沉浮于水中的構筑物，如水池、水箱、水管、閘門、堤壩、船舶等的靜力荷載計算問題。

水動力學

主要研究液體運動狀態(tài)下的力學規(guī)律及其應用，探討管流、明渠流、堰流、孔口流、射流多孔介質滲流的流動規(guī)律，以及流速、流量、水深、壓力、水工建筑物結構的計算，以解決給水排水、道路橋涵、農田排灌、水力發(fā)電、防洪除澇、河道整治及港口工程中的水力學問題。

水力學方法

1.對原型流動進行系統(tǒng)的觀察和測定，從原始數(shù)據(jù)中尋求流動規(guī)律，是水力學研究的最可靠的方法。它是水力學的精髓，也是水利研究的基本原則。

2.可在實驗室根據(jù)力學相似原理，找出影響流動的主要作用力，選用相應的模型律，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，根據(jù)模型流動的測定，估算原型流動的狀態(tài)和各種參數(shù)，是數(shù)理分析和實驗分析的重要補充，它是以白金漢提出的定理為依據(jù)，使有因次方程無因次化。這種方法，可以稱為試驗法或實踐法。

水力學基本量

水力學的基本量是長度、時間和質量。

理論法：

獨立因次的數(shù)目為三，用無因次方程代替有因次方程可以使變量減少三個，這在實驗分析中，可大量地減少實驗次數(shù)加速實驗進程。在理論分析中，可以更合理地提出變量關系式。

數(shù)值模擬法：

當研究對象過于復雜、控制方程非線性、邊界條件不規(guī)則，利用現(xiàn)有的數(shù)學力學方法難以得出解析解時，可以建立數(shù)值模型，編制程序，通過計算機運算得出數(shù)字結果或圖線。

水力學歷史

公元前400余年，中國墨翟在《墨經(jīng)》中，已有了浮力與排液體積之間關系的設想。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算方法。1586年德國數(shù)學家斯蒂文提出水靜力學方程。十七世紀中葉，法國帕斯卡提出液壓等值傳遞的帕斯卡原理。至此水靜力學已初具雛形。

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

液體流動的知識，在中國相當長的時間內，在歐洲直至15世紀以前，都被認為是一種技藝，而未發(fā)展為一門科學。

文藝復興期間，意大利人達·芬奇在實驗水力學方面獲得巨大的進展，他用懸浮砂粒在玻璃槽中觀察水流現(xiàn)象，描述了波浪運動、管中水流和波的傳播、反射和干涉。

十八世紀末和整個十九世紀，形成了兩個相互獨立的研究方向:

一是運用數(shù)學分析的理論研究流體動力學。

二是依靠實驗的應用研究水力學。

開爾文、瑞利、斯托克斯、蘭姆等人的工作使理論水平達到相當?shù)母叨龋x才、達西、巴贊、弗朗西斯、曼寧等人則在應用水力學方面進行了大量的實驗研究，提出了各種實用的經(jīng)驗公式。

十九世紀末，流體力學的發(fā)展扭轉了研究工作中的經(jīng)驗主義傾向，這些發(fā)展是:

1.雷諾理論及實驗研究；

2.雷諾的因次分析；

3.弗勞德的船舶模型實驗；

4.空氣動力學的迅速發(fā)展。

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

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

二十世紀水力學的研究方向不斷發(fā)展：

1.從定床水力學轉向動床水力學 ；

2.從單向流動到多相流動；

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，引起振動的高速水流。

以電子計算機應用為主要手段的計算水力學也得到了相應的發(fā)展。水力學作為一門以實用為目的的學科將逐漸與流體力學合流。

牛頓流體：是指在任意小的外力作用下即能流動的流體，并且流動的速度梯度(D)與所加的切應力(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--所加的切應力； D--流動速度梯度； η--不依賴于切變速度的常數(shù)，叫做黏性系數(shù)，簡稱為黏度。

凡不同于牛頓流體的都稱為非牛頓流體。

來源：草根水利