水力學
關注創建者：向天華 創建時間：2015-07-06
水力學的視頻教程
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水力學的實例教程
水力學
水力學是研究以水為代表的液體的宏觀機械運動規律，及其在工程技術中的應用。水力學包括水靜力學和水動力學。
水力學是建立在實踐基礎之上的一門學科，從工程意義上講，它是一門經驗學。
水靜力學
主要研究液體靜止或相對靜止狀態下的力學規律及其應用，探討液體內部壓強分布，液體對固體接觸面的壓力，液體對浮體和潛體的浮力及浮體的穩定性，以解決蓄水容器，輸水管渠，擋水構筑物，沉浮于水中的構筑物，如水池、水箱、水管、閘門、堤壩、船舶等的靜力荷載計算問題。
水動力學
主要研究液體運動狀態下的力學規律及其應用，探討管流、明渠流、堰流、孔口流、射流多孔介質滲流的流動規律，以及流速、流量、水深、壓力、水工建筑物結構的計算，以解決給水排水、道路橋涵、農田排灌、水力發電、防洪除澇、河道整治及港口工程中的水力學問題。
水力學方法
1.對原型流動進行系統的觀察和測定，從原始數據中尋求流動規律，是水力學研究的最可靠的方法。它是水力學的精髓，也是水利研究的基本原則。
2.可在實驗室根據力學相似原理，找出影響流動的主要作用力，選用相應的模型律，以縮小的比例尺在模型上近似地重現和原型成一定比例的流動，根據模型流動的測定，估算原型流動的狀態和各種參數，是數理分析和實驗分析的重要補充，它是以白金漢提出的定理為依據，使有因次方程無因次化。這種方法，可以稱為試驗法或實踐法。
水力學基本量
水力學的基本量是長度、時間和質量。
理論法：
獨立因次的數目為三，用無因次方程代替有因次方程可以使變量減少三個，這在實驗分析中，可大量地減少實驗次數加速實驗進程。在理論分析中，可以更合理地提出變量關系式。
展開 結語
本期簡單介紹了SALOME_HYDRO在二維水力學研究中的應用，同時我們也看到可以通過TELEMAC模塊和OpenTURNS模塊之間實現互操作性，對水力學研究中的不確定性進行處理。
Salome平臺所包含的模塊和功能還有很多未能詳盡地介紹，感興趣的朋友可以訪問Salome的官方網站：https://www.salome-platform.org ，其包含關于該平臺的各類資料例如用戶手冊，技術文件和教程等，能夠為軟件的理解和使用提供非常重要的參考材料。
來源： 能源數值平臺
在工具方面我們將利用法國電力自主開發的自由水力學軟件TELEMAC-MASCARET。其中為平衡模型精度和計算資源要求，我們將主要利用2D模型來進行研究。關于該模型的具體細節設定會在接下來的部分介紹。
02 模型建立
水力學模型
水力學部分將由TELEMAC-MASCARET系統中的二維水力學模塊TELEMAC-2D完成建模。模型的計算范圍將覆蓋整個吉倫特河口，包括上游河段、中央匯流區和入海口。TELEMAC-2D中所使用的非結構有限元網格可以更加適應大尺度建模的需要，同時在重點區域（例如在本案例中的中央匯流區）可以進行較為靈活的網格加密以反映該區復雜的物理現象。另外深度平均淺水控制方程的使用也可以節省更多的計算資源。
泥沙遷移模型
泥沙遷移部分的建模由同樣包含于TELEMAC-MASCARET系統的SISYPHE模塊完成。該模塊的核心控制方程為埃克納方程（Exner equation），其廣泛用于反應泥沙等沉積物的質量守恒。在泥沙遷移的計算過程中SISYPHE會將整個泥沙部分分成河床底積以及懸移質，前者可通過半經驗公式Meyer-Peter Muller 來估計，而后者將通過解算另一個遷移方程以獲得深度平均泥沙含量。
模型耦合
鑒于泥沙遷移現象主要發生在河流近床部分，模型耦合過程中河流底部的速度將被作為主要參數之一參與泥沙遷移的計算。而考慮到基于深度平均淺水方程的TELEMAC-2D的輸出為深度平均流速，因此需要特殊的校正處理。主要方式是通過在解算過程中加入一個基于空間變化的位于[0,1]區間之內的校正系數來人為降低河流的遷移速率，當然這種處理會使模型在數值解算過程中產生不穩定性，因此我們在水平移流解算過程中加入一個隱式的沉降速率項以避免計算崩潰。
展開 為了優化修復工程中的具體操作，需要建立并校準水力學模型、沉積物輸運模型以及河床演變模型。
本文將介紹基于水動力學仿真的模型建立、標度過程，并展示該模型如何用于優化河床結構。
（美麗的盧瓦爾河，圖片來自百度）
02 模型介紹
ARTELIA Eau & Environnement公司建立并標度了一個網格精細的水力與沉積模型，河道中的網格長度約等于10米（網格局部特寫如下圖所示），該模型覆蓋了盧瓦爾河18公里長的流域。其中，水力學模型的計算使用的是三維水力學模塊TELEMAC-3D模塊，沉積物運輸以及河床演變的計算使用的是內部耦合了動力地貌學模塊SISYPHE的TELEMAC-3D模塊。
水力學與動力地貌學耦合標度：
A.水力標度
水力標度主要基于低、中和高流量區域的水面輪廓，給不同的區域（裂縫結構、一級河道中的沙床和寬闊的二級河道、狹窄的二級河道、洪泛區）分配不同的摩擦系數。除了一級河道中的沙床外，我們認為粗糙系數在所有區域都是恒定的。基本假設是沙丘的形成（其大小隨著水位增加而增加）是沙床中產生摩擦力的主要原因。
盡管可以對不同的排放量下的水位值進行統計調查，但由于以下三個原因，摩擦系數依然很難標度：
1. 即使整體的平均摩擦力可以確定，由于缺乏可信的速度剖面測量，防波堤和沙床之間的相對摩擦依然難以確定。
2. 存在一些河床粗糙度預測器，可以將局部沉積變量和水力變量與粗糙度聯系起來，理論上可以提供物理性更強的摩擦系數的時空演化。但這些預測器并未在本研究中進行測試。
3. 低排放量處的水位計算高度依賴于水深測量，水位的實際觀測值與可得到的測深學數據不相符導致計算水位和觀測水位之間存在較大差異。水力與地形動力耦合標度可以有效克服這一困難。
展開 水文學和水力學的區別
“洪水風險圖導則”中推薦使用3種方法進行洪水風險分析，即水力學法、水文學法和歷史水災法。那到底“水文學”和“水力學”有什么區別？
水文學（hydrology）是地球物理學和自然地理學的分支學科。研究存在于大氣層中、地球表面和地殼內部各種形態水在水量和水質上的運動、變化、分布，以及與環境及人類活動之間相互的聯系和作用。
水力學是研究以水為代表的液體的宏觀機械運動規律，及其在工程技術中的應用。水力學包括水靜力學和水動力學。
洪水風險圖的內容要求
1、1：5萬基礎地理數據為測繪標準數據，按測繪標準分層；
2、水利工程類,包含了基礎地理（如若不具備5萬基礎地理數據時使用，地圖表達參考5萬數據模型）水利工程、防汛抗旱工程設施及搶險救災與避險轉移路線等要素內容；
3、洪水風險專題要素，包括潰口、淹沒范圍、淹沒水深、水深等深線、洪水流速、到達時間及淹沒歷時；
4、水利工程與洪水風險專題類圖形數據以一定方式分層（數據分層及編碼規范依據：地形圖圖式國標、防汛抗旱用圖圖式）。
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John Hart大壩溢洪道初步方案和優化方案的模擬結果
結論
BC Hydro一直在使用FLOW-3D Hydro研究不同類型溢洪道和輸水結構的各種具有挑戰性的水力學問題，從而大大提高了對流態和性能的理解。盡可能使用原型數據和可靠的水力模型試驗來提高數值模型結果的可信度。
LNHE專注于水力學與環境領域研究，通過開發數值模擬代碼解決水流、泥沙運動和水質等問題，為工程設計和決策提供支持。
水力學是研究以水為代表的液體的宏觀機械運動規律，及其在工程技術中的應用。水力學包括水靜力學和水動力學。
06 討論
這項工作展示了三維水動力仿真模型如何用于研究水電站進水口渠道的水力學問題。ARTELIA的工程師使用三維水動力數值模型綜合優化土木工程成本和最小化發電廠效率損失的財務風險，并使用了水力比例模型來驗證和改進數值模型的結果。
07 小結
本文主要講述了ARTELIA的工程師利用三維水動力仿真對兩個配備漁道的小型水電站項目的入流口渠道的尺寸和形狀進行了初步評估。
圖2 4種不同離散度的網格用于數值收斂性研究
圖3 不同尺寸網格的數值收斂研究結果
2.3 經驗結果對比
本文模型在管道自由出流情況下可類比閘孔出流，閘孔出流流量計算經驗公式可參照Brater E F等[23]編制的水力學手冊，如公式(7)所示：
式中，h是自由出流下閘孔中心點水頭，a是閘孔長度，g是重力加速度，C=0.6是排放系數[24]。
如潰壩、泄洪、排澇等
明渠流動廣泛應用于天然河流、人工河道和專業水工建筑物中，在與明渠有關的水力學設計中，明渠斷面形狀、渠道形狀、底坡和渠道粗糙度應滿足最佳水力斷面和無沖淤流速的要求，以滿足河流或渠道系統的輸水能力。
其次，在滿足基本水力設計的基礎上，要滿足水閘、大壩、堰和泄水建筑物中水流的穩定流態，并盡量控制偏斜、脫墻、回流和渦流等不利流態。
正因為這樣，注重實際的工程師為了解決在技術迅速發展中所出現的重要問題，自行發展了一門高度經驗性學科，即水力學。水力學以大量的實驗數據為基礎，而且在方法上和研究對象上都與理論流體動力學大不相同。
二十世紀初，L.Prandtl因解決了如何統一這兩個背道而馳的流體動力學分支而著稱于世。他建立了理論和實驗之間的緊密聯系，并為流體力學的異常成功的發展鋪平了道路。
其中，水力學模型的計算使用的是三維水力學模塊TELEMAC-3D模塊，沉積物運輸以及河床演變的計算使用的是內部耦合了動力地貌學模塊SISYPHE的TELEMAC-3D模塊。
水力學與動力地貌學耦合標度：
A.水力標度
水力標度主要基于低、中和高流量區域的水面輪廓，給不同的區域（裂縫結構、一級河道中的沙床和寬闊的二級河道、狹窄的二級河道、洪泛區）分配不同的摩擦系數。
在工具方面我們將利用法國電力自主開發的自由水力學軟件TELEMAC-MASCARET。其中為平衡模型精度和計算資源要求，我們將主要利用2D模型來進行研究。關于該模型的具體細節設定會在接下來的部分介紹。
02 模型建立
水力學模型
水力學部分將由TELEMAC-MASCARET系統中的二維水力學模塊TELEMAC-2D完成建模。
它為水力學研究、航空翼片設計、風洞測試和氣候科學提供了價值。
例如，工程師可能會問，“我們如何設計一架節油的飛機？” 要回答這些問題，工程師需要了解物體周圍氣流的流體力學。這就是 CFD 的用武之地。工程師需要知道雷諾數才能準確模擬流體流動。
當雷諾數非常高時，湍流會很強烈，這會導致非常大的阻力。
