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1、古今之成大事业、 大学问者必须经过三种之境界昨夜西风凋碧树 独上高楼，望尽天涯路 晏殊 衣带渐宽终不悔 为伊消得人憔悴 柳永众里寻他千百度，蓦然回首， 那人却在灯火阑珊处 辛弃疾 王国维人间词话 21世纪人类面临的三大问题：人口 资源 环境从科学技术的发展看， 人类面临一个什么样的新世纪？? 超导材料 ? 微 电 子 机 器 人 （ MEMS）（micro- electro- mechanical systems） ? 镶嵌式传感器、 ? 人体器官移植 人造器官 ? 小型大功能计算机，多媒体技术 ? 克隆技术（Clone）（生物的复制） ? 信息高速公路网络技术 ? 纳米技术（nano- te
2、chnology） ? 基因技术可持续发展战略“ Ensures that it meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs.” Brundtland Commission(1987)The meaning of sustainability has been clarified further by Bruce(1992): “ First, development must not damage or destroy
3、 the basic life support system of our planet earth: the air, the water and the soil, and the biological systems. Second, development must be economically sustainable to provide a continuous flow of goods and services derived from the Earth s natural resources, and thirdly it requires sustainable soc
4、ial systems, at international, national, local and family levels, to ensure the equitable distribution of the benefits of the goods and services produced, and of sustained life supporting systems.”水资源的可持续发展Water resources projects are sustainable, if water of sufficient quantity and quality and at a
5、cceptable prices is available to meet demands and quality standards of the population of the region now and in the future without causing the environment to deteriorate.可持续发展人口、经济、社会、环境和资源相互协 调的，既能满足当代人的需求而又不对满 足后代人需求的能力构成危害的可持续发 展的道路。 中国21世纪议程可持续发展对水利工程师提出的要求Water engineers and scientists are confr
6、onted with the challenges of sustainable development and have to translate it into concepts useful in designing, operating and maintaining water resources and water projects.可持续发展对水利工程师提出的要求需要将传统的水利工程与对环境的考虑融合 起来而得到一种新的水利工程的概念，与传统 的工程实践从哲学上可能是完全不同的。水利 工程师不仅要满足他的顾主的要求而且必须力 求把他们的工作与生态系统结合起来。 水利工程师必须能够
7、把他的工作对环境变化 的过程给以描述和量化，而且还应该能考虑到 生物和化学的影响。工程设计不仅应该考虑设 计条件而且应该考虑工程与各种可能的自然条 件下对环境的影响。可持续发展对水利工程师提出的要求对环境影响的评价需要大量的不同领域的知识。因 此水利工程师在工作中应该与自然科学家，社会学家， 决策者等共同合作。21世纪对水利工程师的要求不仅完成工程的目的， 而且要掌握经济分析，水利工程对环境影响的评价。 使用的方法则不仅是基本流体力学的分析，而且包括 原型观测，实验室工作和计算技术。水利工程师在工作中必须有“ 资源” 的概念，包括水 资源，能源，水生物资源，水土资源， ，水利工 程的建设应有利
8、于资源的可持续开发。水力学Hydraulics Hydraulics may be defined as the application of the principle of fluid mechanics to the solution of engineering tasks, involving the movement of water and the transport of water borne substances. This includes the collection, usage and redistribution of surface, ground and se
9、awater in space and time as well as the determination of force exerted by the water flow. The traditional approach of hydraulic models studies and formulaes based on one- dimensioned approximations with empirical coefficients has been gradually extended by methods based on solving directly the parti
10、al differential equations of fluid mechanics. Applications include the entire spectrum of natural and constructed water systems as well as by including morphological, chemical and biological processes the techniques for solving water quality problems.研究水的机械运动规律及其应用的科学水力学近代发展趋势1. 水力学与流体力学的融合自公元250年阿基
11、米德“ 浮体” 至今二千多年了，到1845 年Navier- Stokes方程的提出：可以说流体力学已经发展到相当完美的程度。但N- S方 程的求解至今只有七十多个简单情况，没有普遍的解法。=+=+0)(1222222zu yu xuzu yu xuDypXzuwyuvxuutu 流体力学与水力学的分家1752年：d Alembest 佯谬（paradox）的结论： 流体中淹没物体运动阻力为零。使得从事 实际工程的人们无法接受从而产生了一个悲 剧性的结果，就是流体力学与水力学的分家。Lundwig Prandtl (1875- 1953) 1904年发表边界层理论论文，使流体力学得到划时代 进
12、展 创立的学派；近代流体力学著名大师多出自他的门下：Blasuis Nikuradise Von Karman 钱学森 钱伟长 郭永怀流体力学流 体 力 学 （ 更 确 切 的 说 ， 当 时 称 为 Hydrodynamics）主要用数学的方法，研究理 想流体的运动。 水力学（Hydraulics）则主要用实验的方 法，主要研究一维水流的运动并采用了大量 实验中或原型观测中得到的经验性系数。 1 9 0 4 年Ludwig Prandtl发表了Boundary Layer的第一篇论文，把理论和试验完美地结 合起来，开辟了流体力学的新纪元。也促进 了流体力学与水力学的融合。水力学近代发展趋势2
13、. 电子计算机的广泛应用电子计算机的广泛应用与发展，加剧了水力 学与流体力学融合的过程。?目前已广泛应用于各种水力学问题的计算?试验数据的采集与处理，分析?计算机流动显示水力学近代发展趋势3.合交模型（Hybrid Model）数值模型与物理模型的耦合和并用合交模型分类： 数值模型和物理模型同步运行，并发生实时的相互作用（real time interaction） 例：19761977加拿大NRC（Natioanal Research Council）进行的 圣 劳伦斯河口模型(St.Lawrence) 模型总长 550Km. 上游220Km由一维有限差分数值模拟 下游330Km物理模型(水
14、平1/2000,.垂向1/200) 界面宽度3Km,平均水深15- 20m 数模上游边界条件为迳流的淡水流量 物模上游边界(合交界面)采用流量控制，下游边界则用潮位控制。 实时耦合是： 物理模型给出界面水位，作为数模下游边界条件 数值模型给出界面处流量为物模上游边界条件（1） 实时耦合的合交模型合交模型分类：例如三峡库区泥沙模型。由数值模型得到物理模 型上游边界腊肉洞的水位，流量，含沙量条件。 通过各种控制机构在物理模型的上游边界实现。信息流是单向的。（2）计算机储存逐时控制的合交模型合交模型分类：这是一种广义的和交模型，对于特别复杂的问 题运用数值计算，物理模型及原型测验三种手段， 综合解决
15、工程问题，充分运用每一种手段的优势， 扬长补短，在某些环节或界面上实行局部解耦。（3）平行综合的和交模型界 面Physical ModelNumerical Model界 面Physical ModelNumerical ModelPhysical ModelNumerical Model串联 具反馈的串联 并联合交模型的构成?物理模型?数学模型?合交界面控制系统（hybrid interface boundary）合作 物理试验人员 数值计算人员 合交界面控制系统设计，操作的电气，机 械，自动化工程研究人员合交模型的构成 数值模型能较好地模拟原型 物理模型能较好地模拟原型 既可用数模也可用物
16、模模拟原型物模与数模也可互相模拟 物模与数模也可互相模拟，但不能正确地模拟原型理想：三个圆重合 原 型数 模物 模AMuller 物模与数模比较? 近年来有了很大的发展仪器与测量技术的进步信息传递与处理技术 流动显示技术及其数值化?为数学模型提供某些经验数据， 并作为数学模型的标定? 变换和修改比较困难?物理模型具有很好的直观性， 显示性，特别是对于局部细节 的显示物模数模? 随着电子计算机的发展，可以直接求 解流体力学的基本方程从而解决很多 有关流动问题? 使流体力学的基本理论方程更显示出 它们的重要性? 在基本数学方程明确的情况下，可以 更经济，更迅速地提供不同边界条件 和初始条件下的流动成果，但经验数 据需物理模型提供? 可以用来监视和控制物理模型? 随着计算机流动显示技术的发展，数 学模型也具
