工程水力學(xué)教案

1、前言導(dǎo)讀與解答第一章工程水力學(xué)概論(2學(xué)時(shí))第一節(jié)工程水力學(xué)的定義、用途、簡史第二節(jié)液體的物理力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)連續(xù)介質(zhì)和理想液體的概念第四節(jié)作用在液體上的力第五節(jié)工程水力學(xué)的研究方法本章考試內(nèi)容技能訓(xùn)練題第二章靜水壓力計(jì)算(10學(xué)時(shí)) 第一節(jié)靜水壓強(qiáng)及其特性第二節(jié)靜水壓強(qiáng)的基本規(guī)律第三節(jié)靜水壓強(qiáng)的表示方法及測算第四節(jié)作用于平面壁上的靜水總壓力第五節(jié)作用于曲面壁上的靜水總壓力第六節(jié)浮力、浮體的平衡與穩(wěn)定本章考試內(nèi)容技能訓(xùn)練題第三章水流運(yùn)動(dòng)的基本原理(8學(xué)時(shí))第一節(jié)描述水流運(yùn)動(dòng)的兩種方法第二節(jié)恒定總流連續(xù)性方程第三節(jié)恒定總流的能量方程第四節(jié)能量方程的應(yīng)用第五節(jié)恒定總流的動(dòng)量方程本章考試內(nèi)容技能訓(xùn)練題

2、第四章水流型態(tài)與水頭損失計(jì)算(10學(xué)時(shí)) 第一節(jié)水頭損失根源、分類及邊界影響第二節(jié)水流兩流態(tài)及hf隨v的變化規(guī)律第三節(jié)均勻流層流的切應(yīng)力和流速分布規(guī)律第四節(jié)均勻流紊流過水?dāng)嗝娲咕€上的切應(yīng)力及流速分布第五節(jié)沿程水頭損失分析與計(jì)算第六節(jié)局部水頭損失的分析與計(jì)算第七節(jié)繞流阻力與升力本章考試內(nèi)容技能洲練題第五章管流水力計(jì)算(10學(xué)時(shí))第一節(jié)概述第二節(jié)簡單管道的水力計(jì)算第三節(jié)復(fù)雜管路水力計(jì)算第四節(jié)壓力管道中的水擊本章考試內(nèi)容技能訓(xùn)練題第六章明渠恒定均勻流水力計(jì)算(6學(xué)時(shí)) 第一節(jié)概述第二節(jié)明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件第三節(jié)明渠均勻流的計(jì)算公式及有關(guān)問題第四節(jié)明渠水力計(jì)算類型本章考試內(nèi)容技能訓(xùn)練題第七章明

3、渠恒定非均勻流水力計(jì)算(12學(xué)時(shí))第一節(jié)概述第二節(jié)明渠非均勻流的一些基本概念第三節(jié)緩流、急流的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象水跌與水躍第四節(jié)明渠恒定非均勻漸變流基本方程<B< div> 水力學(xué)的性質(zhì)任務(wù)及其發(fā)展沿革水力學(xué)是研究水的平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門科學(xué),它既是自然科學(xué),又與工程應(yīng)用密切結(jié)合1. 水力學(xué)是研究水的平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的門科學(xué),它是在人類與水、旱災(zāi)害作斗爭的過程,伴隨著水利工程的發(fā)展而發(fā)展的。遠(yuǎn)在幾千年,古埃及就開始修建灌溉渠系,我國廣為流傳的大禹治水”的傳說記載了古人與洪水作斗爭的故,這些歷史記載表明,古人對水流運(yùn)動(dòng)已有了樸素認(rèn)識(shí)。18世紀(jì)以后,隨著經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展,水力學(xué)

4、始形成自己的理論體系,20世紀(jì)初,隨著現(xiàn)代工技術(shù)的進(jìn)步,水力學(xué)實(shí)驗(yàn)迅速發(fā)展,提供了大量水學(xué)理論計(jì)算所需要的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),從而為水力學(xué)的程應(yīng)用開辟了廣闊的天地。近幾十年來,我國修建數(shù)萬座水庫、大壩和水電站。工程建設(shè)極大地促進(jìn)水力學(xué)的發(fā)展,水力學(xué)在我國取得了長足的進(jìn)步水力學(xué)學(xué)科的提高、完善和走向現(xiàn)代化又為工程建的順利進(jìn)行并取得輝煌成就打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在探索知識(shí)的過程中,自然科學(xué)以宇宙中的自然現(xiàn)象為研究客體,重在認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象的客觀本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.作為流體力學(xué)的一門分支學(xué)科,水力學(xué)屬于物理學(xué)范疇.數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)是自然科學(xué)的四大主要門類,習(xí)慣上被稱為純理論學(xué)科或基礎(chǔ)學(xué)科.自然科學(xué)的發(fā)展史以物理

5、學(xué)為開端,物理學(xué)則以力學(xué)為開端.公元1594年,意大利物理學(xué)家伽利略(Domino Galileo Galilei)出版了首本力學(xué)專著Della Scienza Meccanica,經(jīng)典力學(xué)從此開始建立其知識(shí)體系,在大量觀察實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成了一套完善的定律、原理、定理、方程及其數(shù)學(xué)方法.到十九世紀(jì)末期,經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門相當(dāng)成熟的學(xué)科.該知識(shí)體系傳承至今,仍是工程應(yīng)用的理論基礎(chǔ)2,3.水力學(xué)既與基礎(chǔ)研究有關(guān),又與水利、土木、機(jī)械等工程活動(dòng)密切結(jié)合,它在基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用兩個(gè)領(lǐng)域起雙重作用,就此而言,水力學(xué)屬于應(yīng)用科學(xué).然而,工程不僅限于對自然科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用,工程的全過程包含研究、設(shè)計(jì)、建

6、造、運(yùn)行、維修、以及產(chǎn)品銷售等,其中每一環(huán)節(jié)無不直接或間接受到社會(huì)中人類活動(dòng)要素的影響,如安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、傳統(tǒng)、法律等.換句話說,工程應(yīng)用包括了自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域,學(xué)習(xí)現(xiàn)代水力學(xué),必須建立工程應(yīng)用的概念.水力學(xué)的應(yīng)用范圍十分廣泛,除水利工程外,土建、交通、能源、機(jī)械等行業(yè)都需要水力學(xué)知識(shí).針對不同的專門問題,水力學(xué)學(xué)科又形成許多具有相對獨(dú)立知識(shí)體系的分支學(xué)科,如高速水力學(xué),明渠水力學(xué),施工水力學(xué),道橋水力學(xué),環(huán)境水力學(xué),等等.以水利水電工程為主要應(yīng)用對象的水工水力學(xué),主要是解決水利水電樞紐中的泄洪和輸水建筑物的水力學(xué)問題,如高壩大流量泄洪消能,高速水流的沖刷、空蝕、摻氣、霧化等.水力

7、學(xué)是一門歷史悠久的學(xué)科.幾千年前古埃及就開始修建灌溉渠系,二千年前阿基米德就提出了著名的浮力定理.兩千多年前我國人民就修建了都江堰工程,建成的“魚嘴”及“飛沙堰”,巧妙地利用了近代水力學(xué)中所闡明的彎道環(huán)流及堰流的理論,將洪水按一定比例分別泄入內(nèi)江和外江,洪水中的泥沙則通過“飛沙堰”排入外江,為防洪及灌溉起到了良好的控制作用.這些事例說明,古代人民對水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律已有了相當(dāng)深入的了解.十六世紀(jì)以后,隨著經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展,水力學(xué)開始創(chuàng)立自己的理論體系,十八世紀(jì)以后開始形成一門獨(dú)立的學(xué)科,并沿著以應(yīng)用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)工具而發(fā)展的經(jīng)典流體力學(xué)及以實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)水力學(xué)兩個(gè)方向發(fā)展.二十世紀(jì)初,隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)

8、步,水力學(xué)實(shí)驗(yàn)迅速發(fā)展,提供了大量水力學(xué)理論計(jì)算所需要的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),從而為水力學(xué)的工程應(yīng)用開辟了廣闊的天地.1904年普朗特提出了邊界層理論,開創(chuàng)了認(rèn)識(shí)真實(shí)流體運(yùn)動(dòng)與邊界間相互作用的新篇張.相似理論及量綱分析理論的發(fā)展,以及現(xiàn)代量測儀器的研制,使水力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)有了長足的進(jìn)步.近幾十年來,我國修建了數(shù)萬座水庫、大壩和水電站.工程建設(shè)極大地促進(jìn)了水力學(xué)的發(fā)展,而水力學(xué)的提高和現(xiàn)代化又為工程建設(shè)的大發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)4.現(xiàn)代水力學(xué)是以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的.二十世紀(jì)六十年代,高速電子計(jì)算機(jī)的問世使許多過去難以用手工計(jì)算完成的計(jì)算課題得以順利實(shí)現(xiàn),流場數(shù)值模擬能算出水流內(nèi)部任一點(diǎn)的所有流動(dòng)參數(shù),為探討復(fù)

9、雜流動(dòng)現(xiàn)象的內(nèi)部機(jī)理開辟了新天地.現(xiàn)代流體量測技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)水力學(xué)的發(fā)展,激光流速儀、動(dòng)態(tài)信號分析儀等測量儀器的出現(xiàn),使從前無法獲得的流場各項(xiàng)流動(dòng)參數(shù)的測量得以實(shí)現(xiàn),如時(shí)均流速及脈動(dòng)流速、脈動(dòng)壓強(qiáng)等等.現(xiàn)代科學(xué)在理論上的創(chuàng)新與突破為現(xiàn)代水力學(xué)的發(fā)展提供了豐富的理論手段,如概率論與統(tǒng)計(jì)理論,多相流理論,紊流理論,數(shù)值計(jì)算的理論與方法等.現(xiàn)代科技手段使傳統(tǒng)水力學(xué)跨上了新臺(tái)階,在思想方法上由傳統(tǒng)的只能了解少數(shù)平均流動(dòng)參數(shù)的總流的概念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化的可以把握流場內(nèi)各時(shí)刻流動(dòng)情景的流場的概念,在技術(shù)手段上由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方法轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬的方法.理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模

10、擬計(jì)算是現(xiàn)代水力學(xué)的三大支柱.進(jìn)入21世紀(jì),工程水力學(xué)將繼續(xù)沿著理論與實(shí)踐相結(jié)合,為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù),推進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的道路前進(jìn).在新的世紀(jì)中,工程建設(shè)必將提出諸多更新、更大、更復(fù)雜的水力學(xué)技術(shù)問題,水力學(xué)學(xué)科必須更迅速地發(fā)展,以迎接時(shí)代的挑戰(zhàn).工程水力學(xué)屬于應(yīng)用力學(xué)的分支學(xué)科。力學(xué)既是自然科學(xué),又是工程學(xué)科。在探索知識(shí)的過程中,自然科學(xué)以宇宙中的自然現(xiàn)象為研究客體,重在認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象的客觀本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律;而工程學(xué)科則要研究包含設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行維修等每一個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用問題。此外,工程技術(shù)問題還要受到人類社會(huì)各種要素的影響,如安全、經(jīng)濟(jì)、法律等。水力學(xué)的應(yīng)用范圍十分廣泛,除水利工程外,土建、交通、能

11、源、機(jī)械等行業(yè)都需要水力學(xué)知識(shí)。針對不同的專門問題,水力學(xué)學(xué)科又形成許多具有相對獨(dú)立知識(shí)體系的分支學(xué)科,如高速水力學(xué),明渠水力學(xué),施工水力學(xué),道橋水力學(xué),環(huán)境水力學(xué)等。以水利水電工程為主要應(yīng)用對象的水工水力學(xué),主要是解決水利水電樞紐中的泄洪和輸水建筑物的水力學(xué)問題,如高壩大流量泄洪消能高速水流的沖刷空蝕摻氣霧化等。進(jìn)入世紀(jì)工程水力學(xué)將繼續(xù)沿著理論與實(shí)踐相結(jié)合,為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù),推進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的道路前進(jìn)。在新的世紀(jì)中,水利水電工程建設(shè)必將提出諸多更新、更大、更復(fù)雜的水力學(xué)技術(shù)問題,水力學(xué)學(xué)科必須更迅速地發(fā)展,以迎接時(shí)代的挑戰(zhàn)。1 現(xiàn)代水力學(xué)在理論上的新發(fā)展在21世紀(jì),水力學(xué)的理論框架將發(fā)生根

12、本性變革,研究對象將從自然尺度向細(xì)觀尺度發(fā)展,突破傳統(tǒng)的連續(xù)均勻介質(zhì)的假設(shè),從而使我們能更深入地認(rèn)識(shí)實(shí)際水流運(yùn)動(dòng)的真實(shí)現(xiàn)象,在以下幾個(gè)理論領(lǐng)域?qū)⒂兄匾M(jìn)展。1.1非經(jīng)典介質(zhì)理論水力學(xué)中有均勻流與非均勻流,恒定流與非恒定流等,“非”字當(dāng)頭的研究內(nèi)容比沒有“非”字的要復(fù)雜得多?，F(xiàn)代水力學(xué)理論的發(fā)展,又出現(xiàn)了一些以“非”字起頭的新理論,如非經(jīng)典介質(zhì)理論,非線性理論,非確定性理論等。經(jīng)典力學(xué)一般將所研究的流體介質(zhì)視做連續(xù)均勻介質(zhì),這是經(jīng)典力學(xué)的一項(xiàng)重要的基本假設(shè)。而實(shí)際流體往往摻雜有氣體、固體或其它流體等各種雜質(zhì),它是一類尚未被現(xiàn)有力學(xué)理論適當(dāng)描述的介質(zhì),可稱之為非經(jīng)典介質(zhì)。無論是從發(fā)展力學(xué)理論的角度

13、,還是解決真實(shí)介質(zhì)流體的實(shí)際問題,開展非經(jīng)典介質(zhì)流動(dòng)的研究都是十分必要的。如摻氣水流,空化與空蝕,河流泥沙運(yùn)動(dòng),污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)等流動(dòng)現(xiàn)象,它們都屬于二相流,但過去往往不考慮相間作用力,而是采用一定假設(shè),使問題得以簡化?，F(xiàn)代水力學(xué)應(yīng)該著眼于實(shí)際流動(dòng)現(xiàn)象,引進(jìn)多相流體動(dòng)力學(xué)理論,建立全新的知識(shí)體系。例如,研究高速摻氣水流,其關(guān)鍵是如何確定水與氣二相流體之間的相互作用力,而單相流體的假設(shè)很難反映這種相間作用力;現(xiàn)代滲流理論應(yīng)建立在研究水與多孔介質(zhì)之間、相互作用的基礎(chǔ)上,因此,必須突破傳統(tǒng)水力學(xué)的均勻連續(xù)介質(zhì)的假定。1.2 非線性理論非線性行為是近代力學(xué)基礎(chǔ)研究的重要前沿課題。湍流和混沌理論是典

14、型的非線性問題。描述水流運(yùn)動(dòng)的N-S方程是非線性的微分方程。過去的水力學(xué)計(jì)算,往往要用還原和疊加的方法對基本方程式作線性化處理,因而不能準(zhǔn)確反映真實(shí)水流現(xiàn)象。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,非線性理論有了突飛猛進(jìn)地發(fā)展。非線性理論是揭示具有非線性本質(zhì)的各類水流現(xiàn)象的有力工具,也是開發(fā)非線性問題數(shù)學(xué)模型的有力工具。1.3 非確定性理論隨機(jī)水力學(xué)水流運(yùn)動(dòng),特別是紊流,有大量的不確定性因素,水流脈動(dòng)壓力一般可以被視為完全隨機(jī)的現(xiàn)象,紊流過程則具有混沌的特性?；煦缡且环N界于完全隨機(jī)性現(xiàn)象與完全確定性現(xiàn)象之間的自然現(xiàn)象。傳統(tǒng)水力學(xué)一般只研究確定性的水流現(xiàn)象,對于隨機(jī)性水力參數(shù),往往采用統(tǒng)計(jì)平均的方法加以處理,從

15、而抹煞了水流運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)特性?，F(xiàn)代水力學(xué)重視發(fā)展非確定性理論,動(dòng)水荷載的設(shè)計(jì)方法將由定值設(shè)計(jì)法逐步轉(zhuǎn)為可靠性設(shè)計(jì)法,概率理論和優(yōu)化決策理論將在工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用,風(fēng)險(xiǎn)分析的概念將作為規(guī)劃、設(shè)計(jì)的重要理論基礎(chǔ)。1.4 紊流力學(xué)水利工程中的絕大多數(shù)流動(dòng)現(xiàn)象都屬于湍流(水力學(xué)中的習(xí)慣稱謂為紊流)。湍流是自然科學(xué)中的八大難題之一,由于其復(fù)雜性,全世界同行學(xué)者協(xié)力研究,歷時(shí)長達(dá)百年,至今尚未攻克。湍流作為一種既典型又廣泛存在的復(fù)雜流動(dòng),其非線性規(guī)律有超越力學(xué)范圍的普遍性。我們知道,紊流是由大大小小不同尺度的漩渦組成的,漩渦尺度的量級差別很大。最大漩渦尺度的量級可達(dá)數(shù)公里,而最小漩渦的尺度不過幾毫米,但不同

16、尺度的漩渦在結(jié)構(gòu)上往往具有自相似性,最近發(fā)現(xiàn)的標(biāo)度律,反映了紊流現(xiàn)象的這種混沌特征。無論從基本理論,還是從實(shí)際應(yīng)用考慮,湍流研究都是21世紀(jì)面臨的緊迫課題。水利工程中的水流基本上都屬于紊流。研究紊流特性,可簡要?dú)w納為以下幾類問題:第一,邊壁切變紊流;第二,漩渦與分離流;第三,分離再附流動(dòng);第四,流動(dòng)穩(wěn)定性問題。要大力開發(fā)紊流數(shù)學(xué)模型,用數(shù)值模擬方法逐步取代物理模型實(shí)驗(yàn)。1.5 細(xì)觀水力學(xué)傳統(tǒng)水力學(xué)在自然尺度下研究水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,現(xiàn)代水力學(xué)要突破傳統(tǒng)水力學(xué)的常規(guī)尺度,從自然尺度向細(xì)觀尺度延伸,發(fā)展細(xì)觀水力學(xué)。一般地說,物理、化學(xué)的研究對象往往在其物質(zhì)分子的尺度上,可稱之為微觀尺度,細(xì)觀水力學(xué)的研

17、究尺度雖然遠(yuǎn)小于自然尺度,但仍遠(yuǎn)大于水分子的尺度,故稱為細(xì)觀。傳統(tǒng)水力學(xué)常采用總流的概念,它屬于自然尺度,細(xì)觀水力學(xué)深入研究水流內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)特性,水流與混摻其中的固體、氣體、污染物等其它物質(zhì)的相互作用,水流與固體邊界的相互作用及空蝕、沖刷破壞機(jī)理等,使水力學(xué)的研究深度與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相銜接。流場的精細(xì)數(shù)值模擬也可以視為細(xì)觀水力學(xué)。多相流體與固體力學(xué)的交叉學(xué)科研究產(chǎn)生和形成了一些新的學(xué)科方向,界面力學(xué)就是其中之一。界面力學(xué)以界面的力學(xué)建模、界面區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律以及界面結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌度研究與破壞分析為主要內(nèi)容。界面層是裂紋和損傷等破壞容易產(chǎn)生并發(fā)展的區(qū)域,界面微區(qū)的力學(xué)問題研究需發(fā)展細(xì)觀尺度與微觀尺度的實(shí)驗(yàn)

18、測試技術(shù),近年來,界面力學(xué)的研究已越來越多地引起人們的關(guān)注與重視。2 水力學(xué)數(shù)學(xué)模型的新發(fā)展60年代以來,計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為整個(gè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步提供了強(qiáng)有力的工具,計(jì)算機(jī)與數(shù)值分析法的結(jié)合使科學(xué)技術(shù)的發(fā)展如虎添翼。水力學(xué)也不例外,它很快從這個(gè)新的科學(xué)成就中獲得了活力,并迅速地推廣應(yīng)用于水利工程實(shí)踐。計(jì)算機(jī)的功能今后將有更大的發(fā)展,水力學(xué)與計(jì)算機(jī)結(jié)合將極大地增強(qiáng)解決疑難問題的能力。必須加強(qiáng)水力學(xué)的算法研究和軟件開發(fā),把計(jì)算機(jī)和水力學(xué)密切結(jié)合起來,這是現(xiàn)代水力學(xué)的重要標(biāo)志之一。這一領(lǐng)域的主要發(fā)展方向有:2.1 數(shù)值方法研究有限差分法、有限元法、有限容積法是計(jì)算水力學(xué)的基本方法。近年來,為了提高計(jì)

19、算精度,求解更復(fù)雜的水流現(xiàn)象,數(shù)值方法有很大發(fā)展。具有突變現(xiàn)象的流動(dòng),其解是間斷的。不同間斷現(xiàn)象的數(shù)值方法各有特點(diǎn),這方面還有許多問題需要解決。水利工程中有大量的河渠淺水二維流,明渠或管道中的二維非恒定流問題,這類問題的數(shù)值模擬方法至今仍很不完善,其計(jì)算格式的優(yōu)化,邊界條件的處理,都有很多需要深入研究的課題,也已出現(xiàn)了許多新算法。2.2 流場可視化技術(shù)流場可視化在工程應(yīng)用中有重要意義。展現(xiàn)研究成果,無論是理論成果、實(shí)驗(yàn)成果,還是數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果,都需要流場可視化技術(shù)。我國目前可視化技術(shù)的水平還比較低,需要大力發(fā)展。2.3 水力信息學(xué)現(xiàn)代技術(shù)不斷向綜合化和智能化發(fā)展,大型水利設(shè)施的運(yùn)行管理需要引

20、進(jìn)現(xiàn)代信息論的理論和方法。由此產(chǎn)生了一個(gè)新的交叉學(xué)科方向,水力信息學(xué)。水力信息學(xué)的研究內(nèi)容和應(yīng)用目標(biāo)可簡述如下:水力學(xué)數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)管理、控制方面的知識(shí)相結(jié)合,即可構(gòu)成專門化的專家系統(tǒng)。應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)將這種集成化的專門知識(shí)變成動(dòng)態(tài)的信息資源,就可以用來進(jìn)行大型防洪系統(tǒng)的預(yù)報(bào)與調(diào)度,大型水利工程的施工組織,大型灌溉系統(tǒng)或水庫群的運(yùn)行調(diào)度。21世紀(jì)人類將全面進(jìn)入信息時(shí)代,信息的獲取、處理和傳輸是生產(chǎn)組織的主要任務(wù)。水力信息學(xué)的核心是相關(guān)水力學(xué)知識(shí)的集成、打包,以及集成知識(shí)的信息資源化。計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)是最普遍的信息處理技術(shù),在水力信息學(xué)的發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。信息資源化的主要手段是建立專業(yè)化的

21、信息網(wǎng)絡(luò),但也可借助已有的信息網(wǎng)絡(luò)。3 水力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)在水力學(xué)研究中具有基礎(chǔ)和支撐作用。模型實(shí)驗(yàn)可以為理論和計(jì)算模型的建立提供依據(jù)和支持,也可以對已有的理論結(jié)果提出修正或質(zhì)疑,并以此推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究深入發(fā)展。在實(shí)驗(yàn)中要對許多水力學(xué)參量進(jìn)行量測,如水深、流量、時(shí)均與脈動(dòng)流速、時(shí)均與脈動(dòng)壓強(qiáng)、摻氣水流的摻氣濃度、含沙水流的含沙量等。發(fā)展和建立高分辨率、高精度的水力學(xué)測量儀器,是發(fā)展實(shí)驗(yàn)水力學(xué)急需加強(qiáng)的薄弱環(huán)節(jié)。我國引進(jìn)了一些具有當(dāng)代國際先進(jìn)水平的流體量測儀器,如激光流速儀、動(dòng)態(tài)粒子成像測速儀(PIV)、動(dòng)態(tài)信號分析儀等。我國還不惜耗費(fèi)巨資,建造了一些大型水力實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)個(gè)大型水力學(xué)實(shí)驗(yàn)基地,

22、為提高我國水利工程的科技水平做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。在吸收、消化國際先進(jìn)技術(shù)的同時(shí),今后要繼續(xù)努力研制新型測量儀器,發(fā)展自己的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)研究方面,急需解決的問題有:3.1 水力學(xué)模型相似率目前,我國工程設(shè)計(jì)中的多數(shù)重大水力學(xué)問題仍是通過水力學(xué)模型試驗(yàn)解決。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ０粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)。大量模型試驗(yàn)證明,水工模型能夠預(yù)演大多數(shù)原型工程的復(fù)雜三元水流現(xiàn)象。但對高速水流問題,除重力相似外,還須考慮其他物理量的相似性。如高速水流的摻氣與霧化、脈動(dòng)壓力與流體激振現(xiàn)象、輸水道通氣、巖基沖刷等問題,其模型相似率至今尚未解決。空化初生試驗(yàn)一般在減壓箱內(nèi)進(jìn)行,以空化數(shù)相等為準(zhǔn)。但最新研究表明,初生空化數(shù)

23、和模型的大小與水流速度有關(guān),不同的模型,既使水流空化數(shù)相等,空化初生現(xiàn)象也不一定相似。高速水流的模型相似率問題困惑著模型實(shí)驗(yàn),是工程水力學(xué)急待解決的技術(shù)難題。在這方面已做了不少研究,如摻氣與通氣的相似性,水流脈動(dòng)壓強(qiáng)的相似性,霧化的相似性等,但至今尚無可靠的理論與方法。解決高速水流的相似率問題,一方面有賴于更深入的基礎(chǔ)理論研究,而原型觀測與模型試驗(yàn)進(jìn)行對比則是更為實(shí)際、有效的方法。借鑒已有同類工程的經(jīng)驗(yàn),對解決待建工程問題具有重大意義。目前所開展的原型觀測,已大量應(yīng)用現(xiàn)代化的理論、方法及觀測儀器,如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、摻氣濃度等各種類型的傳感器,當(dāng)代最先進(jìn)的信號分析測試儀器,衛(wèi)星定位、遙感

24、遙測技術(shù)等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國已在100多個(gè)大、中型水利樞紐中的近200個(gè)泄水建筑物上進(jìn)行了原型觀測,已積累了較豐富的觀測成果,主要集中在泄洪霧化、空化空蝕、脈動(dòng)壓力、水流摻氣與通氣等方面。原型觀測需消耗大量的人力、物力和財(cái)力,需要周密的預(yù)先設(shè)計(jì)和現(xiàn)場組織,也需要借助許多現(xiàn)代化的先進(jìn)測試儀器。但為了提高水力學(xué)的研究水平,今后仍需大力開展原型觀測工作。3.2 高速水流關(guān)鍵技術(shù)問題的基礎(chǔ)研究我國待建的大型水利水電工程多具有水頭高、流量大、河谷狹窄的特點(diǎn),高壩大流量泄洪消能是各項(xiàng)工程共有的技術(shù)難題。在這方面雖已做了大量研究,但工程中仍有許多技術(shù)難題,因其機(jī)理復(fù)雜,目前的方法仍難以準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)際情況,尚待進(jìn)一步研究:(1)多股淹沒射流流態(tài)結(jié)構(gòu)與水墊消能機(jī)理。攔河筑壩必須保證洪水的正常下泄,為了防止高速水流的沖刷破壞,泄洪必須滿足消能要求。泄洪水流的多余能量,絕大多數(shù)是在大壩下游的消能水體中(挑流消能水墊塘或底流消能消力池)通過水流的紊動(dòng)混摻而消耗掉的。壩身多股泄洪在水墊塘內(nèi)形成多股淹沒射流。水墊塘內(nèi)的流態(tài)結(jié)構(gòu)與水墊消能效率及水流作用于水墊塘邊壁動(dòng)水荷載的大小有十分密切的關(guān)系。高速強(qiáng)紊動(dòng)水流的消能效率高,但對固體邊壁的沖刷破壞力也大,既要實(shí)現(xiàn)高效消能,又要防止沖刷破壞,其根本途徑是優(yōu)化消能水體中多股淹沒射流的流態(tài)結(jié)構(gòu)。消能機(jī)理的研究是創(chuàng)造新型消能