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水利工程 编辑

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水利工程

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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。

基本原则

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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。

流体力学

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。

真实流体的行为

真实流体和理想流体

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。

粘性流动

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。

层流和湍流

扰动对粘性流动的各种影响是稳定的、过渡的和不稳定的。

伯努利方程

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。

水利工程的应用

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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。

水利工程的历史

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古代

水利工程最早的用途是灌溉农作物,其历史可以追溯到中东和非洲。控制用于种植粮食的水的流动和供应已经使用了数千年。最早的液压机器之一,水钟在公元前2世纪初被使用。其他利用重力移动水的早期例子包括古代波斯的坎儿井系统和中国古代非常相似的吐鲁番水系统以及秘鲁的灌溉渠。在中国古代,水利工程非常发达,工程师们建造了巨大的运河,有堤坝和水坝来引导水流进行灌溉,还建造了船闸让船只通过。孙树敖被认为是中国xxx位液压工程师。中国另一位重要的水利工程师包西门在战国时期(公元前481年-公元前221年)开创了大规模运河灌溉的实践,直到今天,水利工程师在中国仍然是一个受人尊敬的职位。在2002年成为中共总书记之前,胡锦涛是一名水利工程师,拥有清华大学工程学位在菲律宾的古代,水利工程也在吕宋岛得到了特别的发展,科迪勒拉山区的伊富高人建造了灌溉设施、水坝和水利工程以及著名的巴瑙埃梯田,以帮助周围种植农作物。公元前1000年。这些梯田是有2000年历史的梯田,由土著人民的祖先在菲律宾伊富高山脉雕刻而成。梯田通常被称为世界第八大奇迹。人们普遍认为梯田是用最少的设备建造的,主要是手工建造的。梯田位于海拔约1500米(5000英尺)处。它们由梯田上方热带雨林的古老灌溉系统喂养。据说如果把步骤首尾相连,Megara的Eupalinos是一位古希腊工程师,他于公元前6世纪在萨摩斯岛建造了Eupalinos隧道,这是土木和水利工程的一项重要壮举。这条隧道的土木工程方面是它是从两端挖掘的,这需要挖掘机保持准确的路径,以便两条隧道相遇,并且整个努力保持足够的坡度以允许水流动。在罗马帝国的支持下,水利工程在欧洲得到了高度发展,特别适用于建造和维护渡槽,为城市供水和清除污水。除了满足其公民的需求外,他们还使用水力采矿方法以一种称为静压的技术勘探和提取冲积金矿床,并将这些方法应用于其他矿石,例如锡和铅的矿石。15世纪,索马里阿朱兰帝国是非洲xxx的水利帝国。作为一个水利帝国,阿朱兰州垄断了朱巴河和谢贝尔河的水资源。通过水利工程,它还建造了该州许多至今仍在使用和使用的石灰岩井和蓄水池。统治者开发了新的农业和税收制度,直到19世纪,非洲之角部分地区仍在继续使用这些制度。在8世纪至16世纪之间,穆斯林世界出现了水利工程的进一步发展,这就是所谓的伊斯兰黄金时代。特别重要的是“水管理技术综合体”,它是伊斯兰绿色xxx的核心,并且是现代技术出现的先决条件。这个“工具包”的各个组成部分是在伊斯兰世界内外的非洲-欧亚大陆的不同地区开发的。然而,正是在中世纪的伊斯兰土地上,技术综合体被组装和标准化,随后扩散到旧世界的其他地方。在单一的伊斯兰哈里发统治下,不同的区域水力技术被组装成一个具有全球影响的可识别的水管理技术综合体。这个综合体的各个组成部分包括运河、水坝、波斯的坎儿井系统、区域提水设备(例如埃及的noria、shaduf和螺旋泵)以及伊斯兰阿富汗的风车。其他原始的伊斯兰发展包括来自伊斯兰西班牙的具有飞轮效应的萨奇亚,来自伊拉克的往复式抽吸泵和曲轴连杆机构,来自叙利亚的齿轮和水力供水系统,以及伊斯兰化学家的水净化方法。和来自伊斯兰阿富汗的风车。其他原始的伊斯兰发展包括来自伊斯兰西班牙的具有飞轮效应的萨奇亚,来自伊拉克的往复式抽吸泵和曲轴连杆机构,来自叙利亚的齿轮和水力供水系统,以及伊斯兰化学家的水净化方法。和来自伊斯兰阿富汗的风车。其他原始的伊斯兰发展包括来自伊斯兰西班牙的具有飞轮效应的萨奇亚,来自伊拉克的往复式抽吸泵和曲轴连杆机构,来自叙利亚的齿轮和水力供水系统,以及伊斯兰化学家的水净化方法。

水利工程

现代

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。例如,如果没有像威廉穆赫兰这样的人的努力,洛杉矶地区将无法像现在这样发展,因为它根本没有足够的当地水来支持其人口。我们世界上许多xxx的城市也是如此。同样,如果没有有效的水资源管理和灌溉分配,加利福尼亚的中央山谷不可能成为如此重要的农业区。达芬奇(LeonardodaVinci,1452–1519)对波浪和喷流、涡流和流线型进行了实验、研究和推测。艾萨克·牛顿(IsaacNewton)(1642-1727)通过制定运动定律和他的粘度定律,除了发展微积分之外,还为流体力学的许多重大发展铺平了道路。许多18世纪的数学家利用牛顿运动定律解决了许多无摩擦(零粘度)流动问题。然而,大多数流动受粘性效应支配,因此17和18世纪的工程师发现无粘性流动解不合适,他们通过实验开发了经验方程,从而建立了水力学科学。19世纪后期,人们认识到无量纲数的重要性及其与湍流的关系,因此诞生了量纲分析。1904年,LudwigPrandtl发表了一篇关键论文,提出将低粘度流体的流场分为两个区域,即靠近固体表面的薄的、以粘度为主的边界层,以及远离边界的有效无粘性外层。这个概念解释了许多以前的悖论,并使后续工程师能够分析更复杂的流程。然而,对于湍流的性质,我们仍然没有完整的理论,因此现代流体力学仍然是实验结果和理论的结合。现代水利工程师使用与许多其他工程学科相同类型的计算机辅助设计(CAD)工具,同时还利用计算流体动力学等技术来执行计算以准确预测流动特性,GPS映射以帮助定位安装系统和基于激光的测量工具以帮助实际构建系统的最佳途径。


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词条目录
  1. 水利工程
  2. 基本原则
  3. 流体力学
  4. 真实流体的行为
  5. 真实流体和理想流体
  6. 粘性流动
  7. 层流和湍流
  8. 伯努利方程
  9. 水利工程的应用
  10. 水利工程的历史
  11. 古代
  12. 现代

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