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1、水力学内容调查及认识一）起源水力学作为学科而诞生始于水静力学。公元前400 余年，中国墨翟在墨经中，已有 了浮力与排液体积之间关系的设想。公元前250 年，阿基米德在论浮体中，阐明了浮体 和潜体的有效重力计算方法。1586 年德国数学家斯蒂文提出水静力学方程。十七世纪中叶， 法国帕斯卡提出液压等值传递的帕斯卡原理。至此水静力学已初具雏形。（二）发展水动力学的发展是与水利工程兴建相联系的。公元前三世纪末，中国秦代修建规模巨大 的都江堰、灵渠和郑国渠。汉初利用山溪水流作动力。此后在历代防洪及航运工程上积累了 丰富的经验。但是液体流动的知识，在中国相当长的时间内，在欧洲直至15 世纪以前，都 被认为
2、是一种技艺，而未发展为一门科学。文艺复兴期间，意大利人达芬奇在实验水力学 方面获得巨大的进展，他用悬浮砂粒在玻璃槽中观察水流现象，描述了波浪运动、管中水流 和波的传播、反射和干涉。十八世纪初叶，经典水动力学有迅速的发展欧拉和丹尼尔第一伯努利是这一领域中 杰出的先驱者。十八世纪末和整个十九世纪，形成了两个相互独立的研究方向：一是运用数 学分析的理论流体动力学；一是依靠实验的应用水力学。开尔文、瑞利、斯托克斯、兰姆等 人的工作使理论水平达到相当的高度，而谢才、达西、巴赞、弗朗西斯、曼宁等人则在应用 水力学方面进行了大量的实验研究，提出了各种实用的经验公式。十九世纪末，流体力学的发展扭转 了研究工作
3、中的经验主义倾向，这些发展是：雷诺 理论及实验研究；雷诺的因次分析；弗劳德的船舶模型实验；空气动力学的迅速发展。二十 世纪初的重要突破是普朗特的边界层理论，它把无粘性理论和粘性理论在边界层概念的基础 上联系起来。二十世纪蓬勃发展的经济建设提出了越来越复杂的水力学问题：高浓度泥沙河流的治 理；高水头水力发电的开发；输油干管的敷设；采油平台的建造；河流湖泊海港污染的防治 等。使水力学的研究方向不断发展，从定床水力学转向动床水力学 ；从单向流动到多相流 动；从牛顿流体规律到非牛顿流体规律；从流速分布到温度和污染物浓度分布；从一般水流 到产生渗气、气蚀，引起振动的高速水流。以电子计算机应用为主要手段的
4、计算水力学 也 得到了相应的发展。水力学作为一门以实用为目的的学科将逐渐与流体力学合流。（三）包含1水静力学水静力学研究液体静止或相对静止状态下的力学规律及其应用，探讨液体内部压强分 布，液体对固体接触面的压力，液体对浮体和潜体的浮力及浮体的稳定性，以解决蓄水容器， 输水管渠，挡水构筑物，沉浮于水中的构筑物，如水池、水箱、水管、闸门。堤坝、船舶等 的静力荷载计算问题。2水动力学水动力学研究液体运动状态下的力学规律及其应用，主要探讨管流、明渠流、堰流、孔 口流、射流多孔介质渗流的流动规律，以及流速、流量、水深、压力、水工建筑物结构的计 算，以解决给水排水、道路桥涵、农田排灌、水力发电、防洪除涝、
5、河道整治及港口工程中 的水力学问题。水动力学的数理分析首先是根据问题的客观条件和生产任务或理论要求，对所研究的液 体建立力学模型，提出假设，使分析简化。最常用的力学模型有连续介质模型，将由分子组 成、分子之间有空隙的的非连续液体看作分子紧密相依没有空隙的连续介质；不可压缩流体 模型，将受压收缩、受热膨胀、有弹性的液体，看作无弹性密度不变的不可压缩流体；无粘 性流体模型，将流动时因粘性作用产生内摩擦力的液体，看作粘性不起作用，无内摩擦力的 流体；理想液体模型，不可压缩无粘性的液体。力学模型确定后，以相适应的运动学和动力 学基本方程式为工具，结合起始条件和边界条件，进行各种流动的质量平衡、动量平衡
6、和能 量平衡分析，求出所需要的各种变量。1实验法“对原型流动进行系统的观察和测定，从原始数据中寻求流动规律，是水力学研究的最 可靠的方法。”它是水力学的精髓，也是水利研究的基本原则。如果实际上不可能，或需要 费用太大，则可在实验室根据力学相似原理，找出影响流动的主要作用力，选用相应的模型 律，以缩小的比例尺在模型上近似地重现和原型成一定比例的流动，根据模型流动的测定， 估算原型流动的状态和各种参数，是数理分析和实验分析的重要补充，它是以白金汉提出的， 定理为依据，使有因次方程无因次化。这种方法，可以称为试验法或实践法。2基本量由于水力学的基本量是长度、时间和质量，独立因次的数目为三，则用无因次
7、方程代替 有因次方程可以使变量减少三个。这在实验分析中，可大量地减少实验次数加速实验进程； 在理论分析中，可以更合理地提出变量关系式。这种方法叫做理论法。数值模拟是计算机问世以来所采用的研究方法，也是数理分析的一种补充。当研究对象 过于复杂、控制方程非线性、边界条件不规则，利用现有的数学力学方法难以得出解析解时， 可以建立数值模型，编制程序，通过计算机运算得出数字结果或图线。和实验研究相比，数值模拟在边界条件和流体物理性质上有更大的灵活性和控制范围。 对于必须进行实验研究的问题先进行数值模拟，可以对实验规划和布置、测试仪器的选择提 供有价值的参考。这种方法叫做数值模拟法，更是为前两种，特别是第
8、一种方法服务的一种 方法，一切依赖于第一种方法。它只是第一种方法的一种工具。（五）水力学、工程流体力学、流体力学的联系与区别水力学，流体力学，工程流体力学，都是力学的一个分支。水力学是研究以 水为代表的液体的宏观机械运动规律，及其在工程技术中的应用。工程流体力学 包含于水力学体系之中。流体力学，是研究流体（液体和气体）的力学运动规律及 其应用的学科。水力学侧重于研究液体的宏观机械运动，而流体力学侧重于研究 流体的力学运动规律。（六）流体力学流体力学，是研究流体（液体和气体）的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种 力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动
9、形态 之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止 状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、 环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。流体力学分为理论流体力学、实验流体力学、 计算流体力学、应用流体力学。1理论流体力学理论流体力学主要研究流体力学中的理论知识，研究流体力学中的力学模型，用数学方 法求出问题的定量结果。对流体物理性质，流体的受力情况进行理论的推导与描述。理论流 体力学是所有流体力学的基础，是分析流体受力情况和运动形式的重要依据。2实验流体力学主要用实验方法研究自然界或各类工程领域中的流体流动现象和规律以
10、及流体与固体 之间的相互作用的流体力学分支。实验方法包括现场观测及实验室模拟两大类。前者是对实 际存在的流动现象进行系统观测，以便分析流动规律，预测流动现象的演变，如气象、水文、 潮汐研究等。但实际流动往往不易控制，无法重复，且流动尺度大，实验成本比较高。实验 室模拟可控制实验条件，现象可以重演，产生的流动具有典型性，有利于揭示复杂流动的本 质和规律，成为主要的实验手段。实验研究的内容可分为基础性和应用性两种。基础性研究 的对象是流动的基本现象和规律，如边界层、湍流结构、旋涡、分离流动、尾迹等等。应用 性研究主要为工程设计提供有关布局技术和流体动力数据。实验流体力学的基本理论是流动 相似理论，
11、它指明应如何在实验室条件下模拟或预演某种实际流动。实验室模拟的主要设备 是风洞、水洞、水槽等。为了提高实验的准确性和精度，实验流体力学还包括以下内容：研 制更能模拟实际流动（如高温、高雷诺数）的实验设备；提高测试仪器的精度，促使其小型 化和自动化；改进实验技术，如流动显示技术；研究未能完全满足相似准则时的数据修正方 法，如洞壁干扰、支架干扰、雷诺数不足的修正等。计算机在流体力学实验中的使用，显著 提高了实验的效率、精度和自动化。3计算流体力学计算流体力学或计算流体动力学，英文Computational Fluid Dynamics,简称CFD，是用电 子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进
12、行数值模拟和分析的一个分支。4应用流体力学应用流体力学是对流体力学知识的一个应用，它主要应用在：大气、海洋、机械人体、 生物流体等方面。5工程流体力学工程流体力学是在水力学体系之下的。力学中的工程力学是研究有关物质宏观运动规 律，及其应用的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上 的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩 体力学等。所有工程流体力学又是工程力学的一小部分。（七）总结总的说来，水力学是研究水的流动特性、压力、流量和流动方向及对固体的作用力的规 律的学科，水力学一般研究大型水利的建设，例如三峡工程。流体力学对任何液体和气体的 压力、流量和流动方向及对固体的作用力的规律，流体力学应较偏重于理论性，重视理论的 严密性，有较多的理论推导，流体力学涵盖范围比水力学广一些，最简单的概念来说，流体 包括气体、粘液等，内容有一些相同但不完全一样，流体力学是研究流体相关的动力机械 例如水轮机。工程流体力学是简化了流体力学，工程流体力学着重工程应用,实践性较强。
