水力學[水利專業學科]

研究以水為代表的液體機械運動規律及其在生產實踐中套用的學科。屬於基礎技術科學。水力學在水利建設上有著廣泛的套用，其主要任務是研究水流與邊界(如水工建築物、河床和孔隙介質等)的相互作用，分析在各種情況下所形成的各種水流現象和邊界上的各種作用力， 為水利工程的勘測、規劃、設計、施工和運行管理等方面提供依據。水力學在工農業生產、環境保護、醫藥衛生以及生物等各個部門也有愈來愈多的套用。

歷史發展

水力學的發展可以追溯到很早的時候。中國古代的水利工程技術有著光輝的成就，對於水流運動的規律也積累了相當深刻的認識。四千多年前， 大禹治水就注意了“順水之性”： 兩千多年前都江堰工程所總結的“深淘灘、低作堰”經驗; 古代利用孔口出流原理的計時工具——銅壺滴漏，都說明當時對於水流運動的規律已有一定的定性認識。明代潘季馴(1521—1595)提出“築堤束水、以水攻沙”的治水方針，對於水流連續原理和水沙相互作用已有相當深刻的定性分析。

中國古代還提出了一些經驗的定量估算。《管子·度地篇》中所述“夫水之性， 以高走下則疾，至於漂石，而下向高，即流而不行”，並指出“尺有十分之，三里滿四十九者， 水可走也”，說明在三里的距離內渠底降落四十九寸，約相當於千分之一的坡降， 渠水可以順勢流走。

水力學系統理論的萌芽，雖然可以追溯到古希臘阿基米德(Archimedes公元前287～前212)所提出的阿基米德浮體定律; 但以後的1000多年水力學在系統理論上的進展很慢。水力學的進一步發展是在16世紀以後的歐洲。1585年史蒂芬(S. Steven 1548～1620)把剛體平衡的研究方法套用於水靜力學。1643年托里拆利(E. Torricelli 1608～1647) 初步確立了孔口泄流的定律。1650年帕斯卡爾(B. Pascal 1623～1662)闡述了流體中壓力傳遞的規律。1686年牛頓(I. Newton1642～1727)提出了流體內摩擦的基本定律。

水力學開始成為一門獨立的學科是在18世紀中葉以後，它以古典流體力學(或古典水動力學)作為理論基礎，並沿著實驗和套用的方向發展。

古典流體力學是在古典力學的基礎上，運用嚴密的數學工具建立流體運動的基本方程， 發展成為力學的一個獨立分支。1738年伯諾里(D. Bernoulli1700～1782)提出了水動力學的伯諾里方程。1755年歐拉(L. Euler 1707～1783)建立了理想流體的歐拉微分方程。粘性流體運動微分方程是納維埃(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。古典流體力學由於求解上的數學困難，還難以解決實際問題。

早期的水力學主要著眼於解決實際的生產問題，針對具體的水流現象，採用試驗和觀測的手段，直接尋求水力要素間的定量經驗關係，其中有些著名的經驗公式至今仍得到廣泛的套用，例如謝才(A. Chezy1718～1798) 1769年總結的明渠均勻流的謝才經驗公式和曼寧(R. Manning 1816～1897)1889年總結的謝才係數的曼寧經驗公式。但是當時水力學由於理論指導的不足， 其成果也往往有局限性， 難以解決複雜的問題。

19世紀末葉，特別是20世紀以來，水力學的發展進入了一個新時期。這個時期生產技術的發展， 向古典流體力學提出了很多實際課題， 要求密切聯繫實際。也對早期的水力學提出了更高的要求， 必須進行理論概括。同時科學技術的發展， 也為理論與實際的結合創造了良好條件。一方面紊流和邊界層等理論的發展，已經使研究工作深入到水流內部機理， 為分析複雜的實際粘性流體的運動開闢了道路。雷諾(O Reynolds1842～1912) 在1883年系統闡明了存在層流和紊流兩種流態， 並於1884年推導了紊流運動的雷諾方程： 普蘭特(L. Prandtl 1875～1953) 於1904年創立了邊界層理論使流體力學進入了一個新的階段。另一方面迅速發展的現代實驗技術和建立在相似理論及量綱分析基礎上的實驗理論， 也大大提高了探測水流運動規律和對實驗資料進行理論概括的能力。原來相互脫節的古典流體力學和早期的水力學相互補充日益結合， 形成了現代的液體力學和水力學。

主要內容

水力學的基本方程為連續方程、能量方程和動量方程， 分別根據質量守恆定律、能量守恆定律和牛頓第二定律(或動量定律)，並考慮液流連續介質的特點推導而得。導出基本方程， 一般來說還要引入液體密度與壓力及溫度之間的關係式、粘性應力和雷諾應力的表示式。但在水力學中除少數特殊情況(如管道水擊)外， 均可認為液體密度是不變的。水力學中研究的一般都是牛頓流體， 所以粘性應力可由牛頓內摩擦定律來表示。至於雷諾應力， 水力學中主要還是採用混摻長度半經驗理論來表示的。此外水力學中還常把粘性作用所引起的機械能耗散籠統用一水頭損失來表示， 然後採用某些假設或者通過實驗來確定水頭損失值。水力學由水靜力學和水動力學 (包括水運動學) 兩大部分組成。

水靜力學

研究水在相對平衡(包括靜止)狀態時的規律， 確定水體對各種邊界的作用力。

水動力學

研究水流的運動規律， 分析各種條件下的過水能力、水力荷載、水能消耗、水流性態和混合輸移。

套用

將水力學的基本原理用於解決各個生產部門的實際問題， 根據各個領域的液流運動特點， 水力學又形成了很多各具特色的學科分支。傳統的水力學主要隨著水利(包括防洪、灌溉、水電、水運和海港等)工程的發展而發展起來的，其中主要有下列幾個學科分支：管道水力學、河渠水力學、水工建築物水力學、水力機械水力學、河口海岸動力學、地下水水力學等。實際上這也就是傳統上水力學所研究的主要內容。主要研究領域已從傳統的水利工程擴展為水資源的開發和管理及其對環境的影響， 並且日益遍及到各個生產部門， 還崛起了一批新興的水力學分支 (例如水資源水力學、環境水力學等)。水力學的研究已從水量擴展到水質; 單相流動擴展到多相流動; 等溫流動擴展到變溫流動。

現代水力學和過去相比， 其研究方法也有顯著的進步與變化。不僅是實驗技術的現代化， 而且將更多地研究水流運動的內部機理， 更多地套用數理分析與機率統計的方法。而計算機技術的飛躍發展、計算水力學的建立為水力學的研究開闢了新的途徑， 對於水力學的發展將會產生深遠的影響。