水力学

水利专业学科

研究以水为代表的液体机械运动规律及其在生产实践中应用的学科。属于基础技术科学。水力学在水利建设上有着广泛的应用，其主要任务是研究水流与边界(如水工建筑物、河床和孔隙介质等)的相互作用，分析在各种情况下所形成的各种水流现象和边界上的各种作用力，为水利工程的勘测、规划、设计、施工和运行管理等方面提供依据。水力学在工农业生产、环境保护、医药卫生以及生物等各个部门也有愈来愈多的应用。

历史发展

水力学的发展可以追溯到很早的时候。中国古代的水利工程技术有着光辉的成就，对于水流运动的规律也积累了相当深刻的认识。四千多年前，大禹治水就注意了“顺水之性”：两千多年前都江堰工程所总结的“深淘滩、低作堰”经验; 古代利用孔口出流原理的计时工具——铜壶滴漏，都说明当时对于水流运动的规律已有一定的定性认识。明代潘季驯(1521—1595)提出“筑堤束水、以水攻沙”的治水方针，对于水流连续原理和水沙相互作用已有相当深刻的定性分析。

中国古代还提出了一些经验的定量估算。《管子·度地篇》中所述“夫水之性，以高走下则疾，至于漂石，而下向高，即流而不行”，并指出“尺有十分之，三里满四十九者，水可走也”，说明在三里的距离内渠底降落四十九寸，约相当于千分之一的坡降，渠水可以顺势流走。

水力学系统理论的萌芽，虽然可以追溯到古希腊阿基米德(Archimedes公元前287～前212)所提出的阿基米德浮体定律; 但以后的1000多年水力学在系统理论上的进展很慢。水力学的进一步发展是在16世纪以后的欧洲。1585年斯蒂芬(S. Steven 1548～1620)把刚体平衡的研究方法应用于水静力学。1643年托里拆利(E. Torricelli 1608～1647) 初步确立了孔口泄流的定律。1650年帕斯卡尔(B. Pascal 1623～1662)阐述了流体中压力传递的规律。1686年牛顿(I. Newton1642～1727)提出了流体内摩擦的基本定律。

水力学开始成为一门独立的学科是在18世纪中叶以后，它以古典流体力学(或古典水动力学)作为理论基础，并沿着实验和应用的方向发展。

古典流体力学是在古典力学的基础上，运用严密的数学工具建立流体运动的基本方程，发展成为力学的一个独立分支。1738年伯诺里(D. Bernoulli1700～1782)提出了水动力学的伯诺里方程。1755年欧拉(L. Euler 1707～1783)建立了理想流体的欧拉微分方程。粘性流体运动微分方程是纳维埃(L. M.H. Navier 1785～1836)在1826年初次提出，斯托克斯(G. G. Stokes 1819～1903)在1845年完成。古典流体力学由于求解上的数学困难，还难以解决实际问题。

早期的水力学主要着眼于解决实际的生产问题，针对具体的水流现象，采用试验和观测的手段，直接寻求水力要素间的定量经验关系，其中有些著名的经验公式至今仍得到广泛的应用，例如谢才(A. Chezy1718～1798) 1769年总结的明渠均匀流的谢才经验公式和曼宁(R. Manning 1816～1897)1889年总结的谢才系数的曼宁经验公式。但是当时水力学由于理论指导的不足，其成果也往往有局限性，难以解决复杂的问题。

19世纪末叶，特别是20世纪以来，水力学的发展进入了一个新时期。这个时期生产技术的发展，向古典流体力学提出了很多实际课题，要求密切联系实际。也对早期的水力学提出了更高的要求，必须进行理论概括。同时科学技术的发展，也为理论与实际的结合创造了良好条件。一方面紊流和边界层等理论的发展，已经使研究工作深入到水流内部机理，为分析复杂的实际粘性流体的运动开辟了道路。雷诺(O Reynolds1842～1912) 在1883年系统阐明了存在层流和紊流两种流态，并于1884年推导了紊流运动的雷诺方程：普兰特(L. Prandtl 1875～1953) 于1904年创立了边界层理论使流体力学进入了一个新的阶段。另一方面迅速发展的现代实验技术和建立在相似理论及量纲分析基础上的实验理论，也大大提高了探测水流运动规律和对实验资料进行理论概括的能力。原来相互脱节的古典流体力学和早期的水力学相互补充日益结合，形成了现代的液体力学和水力学。

主要内容

水力学的基本方程为连续方程、能量方程和动量方程，分别根据质量守恒定律、能量守恒定律和牛顿第二定律(或动量定律)，并考虑液流连续介质的特点推导而得。导出基本方程，一般来说还要引入液体密度与压力及温度之间的关系式、粘性应力和雷诺应力的表示式。但在水力学中除少数特殊情况(如管道水击)外，均可认为液体密度是不变的。水力学中研究的一般都是牛顿流体，所以粘性应力可由牛顿内摩擦定律来表示。至于雷诺应力，水力学中主要还是采用混掺长度半经验理论来表示的。此外水力学中还常把粘性作用所引起的机械能耗散笼统用一水头损失来表示，然后采用某些假设或者通过实验来确定水头损失值。水力学由水静力学和水动力学 (包括水运动学) 两大部分组成。

水静力学

研究水在相对平衡(包括静止)状态时的规律，确定水体对各种边界的作用力。

水动力学

研究水流的运动规律，分析各种条件下的过水能力、水力荷载、水能消耗、水流性态和混合输移。

应用

将水力学的基本原理用于解决各个生产部门的实际问题，根据各个领域的液流运动特点，水力学又形成了很多各具特色的学科分支。传统的水力学主要随着水利(包括防洪、灌溉、水电、水运和海港等)工程的发展而发展起来的，其中主要有下列几个学科分支：管道水力学、河渠水力学、水工建筑物水力学、水力机械水力学、河口海岸动力学、地下水水力学等。实际上这也就是传统上水力学所研究的主要内容。主要研究领域已从传统的水利工程扩展为水资源的开发和管理及其对环境的影响，并且日益遍及到各个生产部门，还崛起了一批新兴的水力学分支 (例如水资源水力学、环境水力学等)。水力学的研究已从水量扩展到水质; 单相流动扩展到多相流动; 等温流动扩展到变温流动。

现代水力学和过去相比，其研究方法也有显著的进步与变化。不仅是实验技术的现代化，而且将更多地研究水流运动的内部机理，更多地应用数理分析与概率统计的方法。而计算机技术的飞跃发展、计算水力学的建立为水力学的研究开辟了新的途径，对于水力学的发展将会产生深远的影响。

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