水力学的任务及发展简史.docx

水力学的任务及开展简史一、水力学的任务水力学是研究液体的机械运动规律及应用这些规律解决工程实际问题的一门科学。水力 学的研究对象是以水为代表的液体，其基本原理不仅适用于水，也适用于水的性质相似的液 体（油、汞、酒精等）和可以忽略压缩性（既流速小于音速）的气体。水力学是力学的分支， 包括水静力学和水动力学。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，挡水建筑物，沉浮于水中的构筑物，如水池、水箱、水管、闸门。堤坝、船舶等的 静水压力计算问题。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、渗流的流动规律，以及流速、流量、水深、压力、水工建筑物结构尺寸的水力 计算，以解决给水排水、道路桥涵、农田排灌、水力发电、防洪排涝、河道整治、水资源工 程、环境保护工程、港口工程、航运、交通、石油化工中的水力学问题。随着经济建设的开展，水力学学科衍生了一些新的分支，如研究河床演变问题的动床 水力学，在计算机基础上产生出的计算水力学，研究环保问题产生出的环境水力学，以及生 态水力学、随机水力学等。虽然在工程中所遇到的水力学问题各式各样，但基本问题可以归结为如下几个方面： （1）计算水流对建筑物的作用力；（2）计算建筑物的输水能力及尺寸；（3）水流机械能 的利用和损失；（4）计算河渠水面曲线；（5）建筑物下游水流衔接与消能；（6）建筑物 的渗流。此外，还有一些特殊水力学问题，如管、渠非恒定流，高速水流中的空蚀、 振动、掺气，挟沙水流，波浪运动等。水力学的任务是研究液体的机械运动规律并应用 这些规律去解决工程中的各类水力学问题。二、水力学开展简史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， 已有了浮力与所排液体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。水力学的开展是与水利工程兴建相联系的。相传4000年前的大禹治水采取“疏雍导滞” 防止了洪涝灾害。公元前256-210年间，中国秦代修建了著名的都江堰、灵渠和郑国渠。汉 初利用山溪水流作动力是水轮机的雏形。15世纪意大利人达芬奇在实验水力学方面取得 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。前人对水流运动规律的认识已有相当水平，但直至15世纪以前，都被认为是一 种技艺，而未开展为一门科学。十八世纪中叶水力学始成为一门独立学科。水力学有迅速的开展.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到达相当的高度，而谢才、达西、巴赞、弗朗 西斯、曼宁等人那么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，流体力学有了新开展：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；空气动力学的研究等。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。二十世纪蓬勃开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拓展，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；从一般水流到产生掺气、空蚀，引起振动的高速水流。以计算机应用为主要手段的计算 水力学 也得到了相应的开展。现在，水力学课程已由过去单纯为水利工程类专业的一门重 要的专业基础课，开展成为土木工程、环境工程、动力机械、生物化学、以至人才流、物资 流、资金流、信息流等专业或领域的重要专业基础课。也就是，所有与流体或与流动有关的 问题，都离不开水力学的基本理论。随着现代科学技术的开展和不同学科的相互渗透，水力 学的内容将会不断得到开展、充实和提高。