水利工程

水利工程作为土木工程的一个子学科，涉及流体的流动和输送，主要是水和污水。这些系统的一个特点是广泛使用重力作为引起流体运动的动力。这一土木工程领域与桥梁、水坝、渠道、运河和堤坝的设计以及卫生和环境工程密切相关。水利工程是将流体力学原理应用于处理水的收集、储存、控制、运输、调节、测量和使用的问题。在开始水利工程项目之前，必须弄清楚涉及多少水。水利工程师关注河流的沉积物运输、水与其冲积边界的相互作用以及冲刷和沉积的发生。水利工程师实际上为与水相互作用的各种特征开发概念设计，例如水坝的溢洪道和出口工程、高速公路的涵洞、灌溉项目的运河和相关结构，以及火力发电厂的冷却水设施。

水力工程基本原理的一些例子包括流体力学、流体流动、真实流体的行为、水文学、管道、明渠水力学、沉积物输送力学、物理建模、水力机器和排水水力学。

水利工程基础将流体静力学定义为对静止流体的研究。在静止的流体中，存在一种称为压力的力，它作用于流体的周围环境。这种以N/m2为单位的压力在整个流体中不是恒定的。给定流体中的压力p随着深度的增加而增加。在未受干扰的水下物体上，压力沿液体中物体的所有表面作用，导致物体中相等的垂直力作用于液体压力。这种反应称为平衡。更高级的压力应用是在平面、曲面、水坝和象限门上，仅举几例。

理想流体和真实流体之间的主要区别在于理想流量p1=p2和实际流量p1>p2。理想流体是不可压缩的，没有粘性。真实流体具有粘性。理想流体只是一种想象的流体，因为所有存在的流体都具有一定的粘度。

粘性流体会在帕斯克勒定律的剪切力下不断变形，而理想流体不会变形。

扰动对粘性流动的各种影响是稳定的、过渡的和不稳定的。

对于理想流体，伯努利方程沿流线成立。当流体与板接触时，流体层实际上粘附在固体表面上。然后在板表面上的流体层和第二流体层之间存在相当大的剪切作用。因此，第二层被迫减速（尽管它没有完全停止），与第三层流体产生剪切作用，依此类推。随着流体沿着板进一步通过，发生剪切作用的区域趋向于进一步向外扩散。这个区域被称为边界层。边界层外的流动不受剪切力和粘性相关力的影响，因此被假定为理想流体。流体中的分子间内聚力不足以将流体保持在一起。因此，流体将在最轻微的应力作用下流动，只要存在应力，流体就会继续流动。层内的流动可以是恶性的也可以是湍流的，这取决于雷诺数。

水利工程师的常见设计主题包括水坝、防洪堤、配水网络（包括生活和消防供水、配水和自动喷水系统）、水收集网络、污水收集网络、雨水管理、沉积物运输和各种其他与交通工程和岩土工程相关的主题。从流体动力学和流体力学原理发展而来的方程被其他工程学科广泛使用，例如机械、航空甚至交通工程师。相关分支包括水文学和流变学，而相关应用包括水力建模、洪水测绘、集水区洪水管理计划、海岸线管理计划、河口策略、海岸保护和防洪。

在许多方面，水利工程的基本原理自古以来就没有改变。尽管现在可以使用泵填充供应水库，但液体仍然大部分通过重力通过运河和渡槽系统移动。自古以来，对水的需求一直在稳步增加，而水力工程师的作用是供应水的关键。