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水力學是研究以水為代表的液體的宏觀機械運動規律,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。

1水靜力學

水靜力學研究液體靜止或相對靜止狀態下的力學規律及其應用,探討液體內部壓強分佈,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定性,以解決蓄水容器,輸水管渠,擋水構築物,沉浮於水中的構築物,如水池、水箱、水管、閘門。堤壩、船舶等的靜力荷載計算問題。

2水動力學

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

3作用

隨著經濟建設的發展,水力學學科衍生了一些新的分支,以處理特定條件下的水力學問題,如以解決河流泥沙運動所導致的河床演變問題的動床水力學,以解決風浪對防護構築物的動力作用和對近岸底砂的沖淤作用等問題的波浪理論等。

4起源

水力學作為學科而誕生始於水靜力學。公元前400餘年,中國墨翟在《墨經》中,已有了浮力與排液體積之間關係的設想。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。

5發展

水動力學的發展是與水利工程興建相聯繫的。公元前三世紀末,中國秦代修建規模巨大的都江堰、靈渠和鄭國渠。漢初利用山溪水流作動力。此後在歷代防洪及航運工程上積累了豐富的經驗。但是液體流動的知識,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,而未發展為一門科學。文藝復興期間,義大利人達·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。
十八世紀初葉,經典水動力學有迅速的發展.歐拉和丹尼爾第一·伯努利是這一領域中傑出的先驅者。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:一是運用數學分析的理論流體動力學;一是依靠實驗的應用水力學。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的高度,而謝才、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驗公式。
十九世紀末,流體力學的發展扭轉 了研究工作中的經驗主義傾向,這些發展是:雷諾理論及實驗研究;雷諾的因次分析;弗勞德的船舶模型實驗;空氣動力學的迅速發展。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繫起來。
二十世紀蓬勃發展的經濟建設提出了越來越複雜的水力學問題:高濃度泥沙河流的治理;高水頭水力發電的開發;輸油干管的敷設;採油平台的建造;河流湖泊海港污染的防治等。使水力學的研究方向不斷發展,從定床水力學轉向動床水力學 ;從單向流動到多相流動;從牛頓流體規律到非牛頓流體規律;從流速分佈到溫度和污染物濃度分佈;從一般水流到產生滲氣、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。

6主要理論

水動力學的數理分析首先是根據問題的客觀條件和生產任務或理論要求,對所研究的液體建立力學模型,提出假設,使分析簡化。最常用的力學模型有連續介質模型,將由分子組成、分子之間有空隙的的非連續液體看作分子緊密相依沒有空隙的連續介質;不可壓縮流體模型,將受壓收縮、受熱膨脹、有彈性的液體,看作無彈性密度不變的不可壓縮流體;無粘性流體模型,將流動時因粘性作用產生內摩擦力的液體,看作粘性不起作用,無內摩擦力的流體;理想液體模型,不可壓縮無粘性的液體。力學模型確定后,以相適應的運動學和動力學基本方程式為工具,結合起始條件和邊界條件,進行各種流動的質量平衡、動量平衡和能量平衡分析,求出所需要的各種變數。
基本量
由於水力學的基本量是長度、時間和質量,獨立因次的數目為三,則用無因次方程代替有因次方程可以使變數減少三個。這在實驗分析中,可大量地減少實驗次數加速實驗進程;在理論分析中,可以更合理地提出變數關係式。這種方法叫做理論法。
數值模擬是計算機問世以來所採用的研究方法,也是數理分析的一種補充。當研究對象過於複雜、控制方程非線性、邊界條件不規則,利用現有的數學力學方法難以得出解析解時,可以建立數值模型,編製程序,通過計算機運算得出數字結果或圖線。
和實驗研究相比,數值模擬在邊界條件和流體物理性質上有更大的靈活性和控制範圍。對於必須進行實驗研究的問題先進行數值模擬,可以對實驗規劃和布置、測試儀器的選擇提供有價值的參考。這種方法叫做數值模擬法,更是為前兩種,特別是第一種方法服務的一種方法,一切依賴於第一種方法。它只是第一種方法的一種工具。
圖書信息
書名:水力學(第二版)
ISBN:9787302220411
作者:趙振興、何建京、王忖、程莉等
定價:39.8元
出版日期:2010-2-1
出版社:清華大學出版社
目錄
第1章 緒論1
1.1 水力學的定義、任務和發展簡史1
1.2 液體的連續介質模型3
1.3 液體的主要物理性質3
1.3.1 質量和重量4
1.3.2 黏滯性5
1.3.3 壓縮性8
1.3.4 表面張力9
1.3.5 汽化壓強10
1.4 作用於液體的力10
1.4.1 表面力10
1.4.2 質量力11
思考題11
習題12
第2章 水靜力學14
2.1 概述14
2.2 靜水壓強及其特性14
2.2.1 靜水壓強的定義14
2.2.2 靜水壓強的特性15
2.3 液體平衡微分方程及其積分17
2.3.1 液體平衡微分方程17
2.3.2 液體平衡微分方程的積分18
2.3.3 等壓面特性18
2.4 重力作用下靜水壓強的分佈規律19
2.4.1 水靜力學基本方程19
2.4.2 絕對壓強、相對壓強,真空202.4.3 水頭與單位能量21
2.4.4 等壓面的應用22
2.4.5 靜水壓強分布圖24
2.5 重力和慣性力同時作用下的液體平衡25
2.6 作用於平面上的靜水總壓力28
2.6.1 解析法28
2.6.2 矩形平面靜水壓力--壓力圖法31
2.7 作用於曲面上的靜水總壓力33
2.7.1 靜水總壓力的大小33
2.7.2 靜水總壓力的方向35
2.7.3 靜水總壓力的作用點35
思考題37
習題38
目錄目錄第3章 液體一元恆定總流基本原理42
3.1 概述42
3.2 描述液體運動的兩種方法42
3.2.1 拉格朗日法42
3.2.2 歐拉法44
3.3 液體運動的幾個基本概念45
3.3.1 恆定流與非恆定流45
3.3.2 一元流、二元流與三元流46
3.3.3 流線與跡線46
3.3.4 流管、元流、總流、過水斷面47
3.3.5 流量與斷面平均流速47
3.3.6 均勻流和非均勻流48
3.3.7 漸變流與急變流49
3.3.8 系統和控制體50
3.4 恆定流動的連續方程51
3.5 恆定元流的能量方程52
3.5.1 理想液體恆定元流的能量方程52
3.5.2 伯努利方程的能量意義和幾何意義54
3.5.3 實際液體恆定元流的能量方程55
3.6 實際液體恆定總流能量方程56
3.7 恆定總流動量方程62
3.8 空化與空蝕的概念67
思考題67
習題68
第4章 層流和紊流、液流阻力和水頭損失71
4.1 概述71
4.2 水頭損失的分類71
4.3 液體運動的兩種流態--層流和紊流72
4.3.1 雷諾試驗72
4.3.2 沿程損失?h??f和平均流速?v?的關係73
4.3.3 流態的判別--雷諾(Reynolds)數75
4.4 均勻流基本方程77
4.4.1 切應力與沿程損失的關係77
4.4.2 切應力的分佈79
4.5 層流運動80
4.5.1 圓管均勻層流80
4.5.2 二元明渠均勻層流83
4.6 沿程水頭損失的一般公式86
4.7 紊流概述86
4.7.1 紊流的脈動現象和時均概念87
4.7.2 紊流切應力89
4.7.3 紊流的黏性底層91
4.7.4 紊流的水力光滑面、水力過渡粗糙面和水力粗糙面92
4.8 紊流的流速分佈93
4.8.1 對數流速分佈94
4.8.2 指數流速分佈96
4.8.3 黏性底層的厚度98
4.9 沿程水頭損失係數?λ?的試驗研究--尼古拉茲試驗101
4.9.1 人工粗糙管沿程水頭損失係數?λ?的試驗研究
--尼古拉茲試驗101
4.9.2 實用管道沿程水頭損失係數?λ?的試驗研究104
4.10 謝才公式108
4.11 局部水頭損失111
思考題116
習題116第5章 液體三元流動基本原理119
5.1 概述119
5.2 流線與跡線微分方程119
5.2.1 流線微分方程119
5.2.2 跡線微分方程120
5.3 液體三元流動的連續性方程120
5.4 液體微團運動的基本形式121
5.4.1 液體微團運動形式分析122
5.4.2 液體微團速度分解定理123
5.5 有旋運動簡介125
5.6 液體恆定平面勢流128
5.6.1 流速勢函數128
5.6.2 流函數129
5.6.3 流網及其性質131
5.6.4 基本平面勢流134
5.7 液體運動微分方程136
5.7.1 液體中一點處的應力狀態137
5.7.2 本構方程-應力與變形率的關係137
5.7.3 應力形式的運動微分方程138
5.7.4 運動微分方程--納維-斯托克斯方程139
5.7.5 紊流時均運動微分方程--雷諾方程140
5.7.6 邊界層簡介142
思考題143
習題143
第6章 有壓管流145
6.1 概述145
6.2 短管的水力計算146
6.2.1 自由出流146
6.2.2 淹沒出流147
6.2.3 總水頭線和測壓管水頭線的繪製148
6.2.4 短管水力計算舉例149
6.3 長管的水力計算153
6.3.1 簡單管道的水力計算153
6.3.2 串聯管道的水力計算155
6.3.3 並聯管道的水力計算156
6.3.4 沿程均勻泄流管道的水力計算156
6.3.5 管網水力計算基礎159
6.4 有壓管路中的水擊161
6.4.1 水擊波的傳播過程161
6.4.2 直接水擊與間接水擊163
6.4.3 水擊壓強的計算164
思考題166
習題166
第7章 明渠均勻流170
7.1 概述170
7.1.1 明渠的底坡170
7.1.2 明渠的橫斷面171
7.2 明渠均勻流的特性和形成條件173
7.2.1 明渠均勻流的特性173
7.2.2 明渠均勻流產生的條件174
7.3 明渠均勻流的水力計算174
7.3.1 明渠均勻流的計算公式174
7.3.2 明渠均勻流水力計算三類基本問題177
7.3.3 明渠均勻流水力計算的其他問題180
思考題187
習題187
第8章 明渠非均勻流189
8.1 概述189
8.2 明渠水流的流態190
8.2.1 緩流、臨界流和急流190
8.2.2 明渠中干擾微波的波速191
8.3 斷面單位能量,臨界水深,臨界底坡193
8.3.1 斷面單位能量193
8.3.2 ?E??s?與h?的關係(流量一定的條件下)195
8.3.3 臨界水深及其計算195
8.3.4 臨界底坡198
8.4 兩種流態的轉換--水躍與水跌199
8.4.1 水躍199
8.4.2 水跌207
8.5 稜柱體明渠水面曲線微分方程209
8.6 稜柱體明渠水面曲線形狀分析210
8.6.1 水面曲線的類型211
8.6.2 水面曲線的定性分析212
8.6.3 10條水面曲線的共同規律及控制斷面與控制水深的選取215
8.7 明渠水面曲線計算216
8.8 天然河道水面曲線計算222
8.8.1 水面曲線計算公式222
8.8.2 水面曲線計算方法223
8.9 明渠彎段水流230
8.9.1 橫向水面超高231
8.9.2 斷面環流成因分析232
8.9.3 彎段水流的能量損失232
8.10 明渠非恆定流233
8.10.1 明渠非恆定流概念233
8.10.2 明渠非恆定漸變流動的基本方程235
8.10.3 明渠非恆定漸變流計算方法簡介239
思考題240
習題241
第9章 堰流和閘孔出流243
9.1 概述243
9.2 堰的分類244
9.2.1 薄壁堰244
9.2.2 實用堰245
9.2.3 寬頂堰245
9.3 堰流的基本公式246
9.4 薄壁堰248
9.4.1 矩形薄壁堰248
9.4.2 三角形薄壁堰251
9.5 實用堰251
9.5.1 曲線型剖面實用堰251
9.5.2 折線型實用堰255
9.6 寬頂堰259
9.6.1 寬頂堰的流量公式259
9.6.2 寬頂堰的堰頂水深260
9.6.3 流量係數261
9.6.4 側收縮係數262
9.6.5 淹沒係數263
9.7 閘孔出流265
9.7.1 堰流與孔流的界限266
9.7.2 寬頂堰上的閘孔出流267
9.7.3 實用堰上的閘孔出流269
9.8 水工建築物測流簡介271
思考題273
習題274
第10章 泄水建築物下游水流的銜接與消能277
10.1 概述277
10.2 底流式銜接與消能277
10.2.1 收縮斷面水深的計算278
10.2.2 消能工的水力計算280
10.3 挑流式銜接與消能288
10.3.1 挑距的計算289
10.3.2 挑角?θ?291
10.3.3 反弧半徑?R?291
10.3.4 挑坎高程的確定291
10.3.5 挑流沖刷坑的估算292
10.4 面流銜接與消能292
10.4.1 面流型的銜接形式292
10.4.2 消力戽消能294
思考題296
習題297
第11章 滲流299
11.1 概述299
11.2 滲流的幾個基本概念299
11.2.1 水在土壤中的形態299
11.2.2 土壤的滲透特性300
11.2.3 滲流模型300
11.3 滲流的基本定律301
11.3.1 達西試驗和達西定律302
11.3.2 達西定律的適用範圍303
11.3.3 滲透係數及其確定方法304
11.4 恆定無壓滲流305
11.4.1 無壓恆定均勻滲流305
11.4.2 無壓恆定漸變滲流306
11.4.3 無壓漸變滲流的微分方程307
11.4.4 漸變滲流浸潤線的分析和計算307
11.5 井的滲流313
11.5.1 普通完整井313
11.5.2 承壓完整井314
11.5.3 井群315
11.6 土壩滲流317
11.6.1 前段的計算318
11.6.2 後段的計算318
11.6.3 計算浸潤線319
11.7 滲流的基本微分方程320
11.7.1 滲流的連續性方程320
11.7.2 滲流的運動方程320
11.7.3 滲流的流速勢函數321
11.7.4 滲流問題解法概述321
11.8 恆定平面滲流的流網解法322
11.8.1 恆定平面滲流流網的繪製322
11.8.2 應用流網進行滲流計算324
思考題327
習題327
第12章 污染物的輸運和擴散329
12.1 概述329
12.2 污染物輸運和擴散的數學方程330
12.2.1 一維輸運-擴散方程330
12.2.2 平面二維輸運-擴散方程332
12.3 一維擴散過程的解334
12.3.1 無限長渠道中瞬時點源的擴散334
12.3.2 半無限長渠道中瞬時點源的擴散335
12.3.3 無限長渠道中區域濃度的擴散336
12.3.4 半無限長渠道中連續點源的擴散337
12.4 二維擴散過程的解338
12.5 均勻流條件下一維隨流-擴散方程的解339
12.5.1 均勻流條件下瞬時點源的隨流-擴散339
12.5.2 無限長渠道中區域濃度的隨流-擴散341
12.5.3 半無限長渠道中連續點源的隨流-擴散342
12.6 均勻流條件下二維隨流-擴散方程的解342
12.7 存在化學反應的一維隨流-擴散方程的解342
12.8 擴散係數的分析與估算343
思考題345
習題345
第13章 水力相似與模型試驗基本原理347
13.1 概述347
13.2 量綱分析基本原理348
13.2.1 量綱與單位、基本量綱和誘導量綱348
13.2.2 無量綱數(量綱為一的量)349
13.2.3 量綱和諧原理350
13.2.4 量綱分析法350
13.3 水力相似基本原理355
13.3.1 比尺、基本比尺、導出比尺355
13.3.2 力學相似、幾何相似、運動相似和動力相似355
13.3.3 牛頓相似定律356
13.3.4 相似準則357
13.4 相似準則的應用及水力模型設計362
13.4.1 相似準則的應用及模型比尺換算362
13.4.2 水力模型設計的限制條件365
13.5 水力模型的分類368
13.5.1 按模型模擬的範圍分類368
13.5.2 按床面的性質分類369
13.5.3 按模型的幾何相似性分類369
思考題370
習題370
習題答案372
參考文獻378

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