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出版者:

作者:Sturm, Terry W.

出品人:

页数:576

译者:

出版时间:2009-3

价格:$ 270.35

装帧:

isbn号码:9780073397870

丛书系列:

图书标签:

• 水力学
• 开渠水力学
• 水文
• 流体力学
• 工程
• 水利工程
• 河流
• 渠道
• 水资源
• 计算水力学

《河流的脉搏：水流的奥秘与工程实践》 这本书深入探讨了开放式水道的水力学原理，聚焦于非封闭管道中的水流行为及其在土木工程、环境科学和水资源管理等领域的广泛应用。我们将一同揭开河流、沟渠、渠道以及其他自然和人工水体中流体运动的神秘面纱，理解其内在规律，并学习如何利用这些知识来解决实际问题，实现对水资源的有效利用和保护。 第一部分：基础理论与流体力学基石 在展开具体的应用之前，我们首先需要建立坚实的理论基础。这一部分将从流体力学的基本概念入手，为后续的深入分析铺平道路。 流体的基本性质： 我们将详细介绍流体的密度、粘度、表面张力、可压缩性等关键性质，并阐述这些性质如何影响水流的宏观和微观行为。例如，粘度是理解摩擦阻力、涡流形成的关键，而密度则与浮力、重力密切相关。 流体的静力学： 虽然我们的重点是流动的研究，但了解流体在静止状态下的压力分布和浮力原理是必要的。我们将回顾帕斯卡定律，探讨压强随深度的变化，并介绍浮力在水工建筑物设计中的应用，如船闸、堤坝的稳定性分析。 流体的动力学基础： 核心部分将围绕流体运动的基本定律展开。我们将引入伯努利方程，详细阐述能量守恒在流体流动中的体现，包括动能、势能和压力能之间的转换。虽然伯努利方程在理想流体中成立，但我们将深入讨论实际流体中的能量损失，为后续的阻力分析打下基础。 连续性方程（质量守恒）： 这是描述流体运动不可或缺的工具。我们将以直观的方式解释质量守恒定律如何在开放水道中得到体现，无论是固定边界还是变化的过流断面，质量的总量必须得到维持。 动量方程（牛顿第二定律在流体中的应用）： 除了能量守恒，我们还将考察流体在力的作用下动量的变化。动量方程在分析水流冲击力、水轮机叶片受力等方面至关重要。 第二部分：开放水道水流的基本类型与特性 一旦掌握了基础理论，我们就可以开始审视开放水道中特有的水流现象。 均匀流： 这是最理想化的流动状态，在均匀流中，水流的流速、水深、坡度等参数在流动方向上保持恒定。我们将深入分析均匀流的条件，并引入曼宁公式和谢才公式，讲解如何根据渠道的几何形状、糙率和坡度来计算均匀流的流速和流量。这将是设计和分析许多基本灌溉渠道、排水沟等场景的基础。 非均匀流： 绝大多数开放水道中的水流并非均匀。我们将详细研究非均匀流的两种主要类型： 缓流（Backwater Flow）： 在下游障碍物（如水库、溢洪道、河口阻力）的作用下，水流速度减缓，水深逐渐增加，水面呈现上溯的趋势。我们将学习如何计算缓流曲线，预测水库淹没范围，评估桥梁、涵洞等构筑物对上游水流的影响。 急流（Dropdown Flow）： 在水流加速通过障碍物（如陡坡、堰、节制闸）或突然扩大的过流断面时，水流速度增加，水深减小，水面呈现下凹的趋势。我们将探讨急流的形成机制，并学习相关的计算方法，这对于设计水力坡道、溢洪道消能等至关重要。 明渠流的阻力与能量损失： 实际的水流总是伴随着能量损失。我们将详细分析流体在通道壁面产生的摩擦阻力，以及由于流速、水深变化、水流遇阻等引起的局部阻力。我们将深入理解糙率的含义，并学习如何根据糙率因子来量化阻力对水流的影响。 水流的稳定性与非线性现象： 在某些条件下，水流可能会变得不稳定，出现复杂的非线性行为，例如波的传播、涡旋的形成、甚至激荡。我们将初步探讨这些现象的根源，并介绍一些简化的模型来理解其基本特性。 第三部分：明渠流动的计算与模拟 掌握了基本理论和流态特征后，我们将转向实际的计算和模拟方法，以解决更复杂的水力学问题。 一维明渠流动的分析： 这是最常用的分析方法，将水流视为沿单一方向流动，忽略横向和垂向的变化。我们将深入学习如何利用圣维南方程（St. Venant Equations），这是描述一维非定常明渠流动的基本方程组，可以分析洪水演进、闸门调度等动态过程。 数值方法与模型： 现实中的明渠流动往往难以用解析方法完全求解。我们将介绍一些常用的数值计算方法，如有限差分法、有限体积法，以及它们在明渠水流模拟中的应用。我们将讨论如何使用这些方法来构建水动力学模型，预测水流的动态响应。 明渠流动的实验与观测： 理论计算和数值模拟需要实验数据的支持和验证。我们将介绍明渠水流实验的常用设备（如明渠水槽、流速仪、水位计）和观测技术，以及如何分析实验数据，校准模型。 二维与三维水流模拟的初步介绍： 对于一些更复杂的工况，例如河道交叉口、水库泄洪等，一维模型可能无法准确描述流态。我们将简要介绍二维和三维水流模拟的概念，以及它们在更精细化分析中的作用。 第四部分：开放水道水力学在工程实践中的应用 理论与方法最终要服务于实际工程。本部分将聚焦于明渠水力学在各个工程领域的具体应用。 水文学与水资源管理： 洪水预报与管理： 利用明渠水力学原理，我们可以建立洪水演进模型，预测洪水波的传播速度、到达时间、峰值流量和水位，为防洪减灾提供科学依据。 水库调度与调洪： 模拟水库的进出流，优化闸门调度方案，以达到调蓄洪水、供水灌溉、发电等综合效益。 水资源分配： 分析渠道网络的输水能力，合理分配水资源，满足农业、工业和生活用水需求。 水工建筑物设计： 渠道与堤防设计： 根据预期的流量和水流特性，设计合适的渠道断面尺寸、坡度，以及堤防的高度和稳定性。 堰、溢洪道与消能工程： 设计各种类型的堰和溢洪道，以控制水位、泄洪。重点介绍消能工程的设计，如跌水、挑流鼻坎、消力池等，以减缓高速水流的能量，保护下游河道。 水闸、涵洞与桥梁： 分析水流通过这些构筑物时的水力效应，确保其结构安全和通行能力，避免产生过大的水位壅高或冲刷。 环境水力学与生态保护： 河道整治与生态恢复： 分析自然河道的流态，研究人工干预对河道形态和水流特性的影响，设计河道整治方案，促进生态系统的恢复。 泥沙输移与河床演变： 了解水流携带和搬运泥沙的能力，预测河床的冲淤变化，为航道疏浚、港口维护等提供依据。 水质与污染物扩散： 模拟水流对污染物的稀释、扩散过程，评估污染风险，设计水体净化方案。 湿地水力学： 研究湿地水流的特性，了解水流对湿地植被、生态功能的影响，指导湿地保护和恢复工程。 城市排水与防洪： 城市雨水排水系统设计： 根据降雨强度和集水区域的特点，设计城市排水管道、雨水泵站，确保城市不发生内涝。 城市河道治理与景观： 结合水力学原理，对城市河道进行治理，改善水环境，提升城市景观。 海岸带与近海工程（初步涉及）： 尽管本书主要聚焦于内陆开放水道，但我们也将简要提及一些海岸带水力学的概念，如潮汐、海浪与径流的相互作用，以及这些因素对海岸工程的影响。 第五部分：前沿进展与未来展望 水力学是一个不断发展的领域。我们将对当前的研究热点和未来的发展方向进行展望。 智能水力学与大数据应用： 介绍如何利用传感器技术、遥感技术和大数据分析，实现对水流的实时监测和预测，构建智能化水管理系统。 复杂地形与极端水流模拟： 探讨在大规模山洪、溃坝洪水等极端事件中，复杂地形对水流模拟带来的挑战，以及相应的解决策略。 多相流与耦合模拟： 简要介绍涉及泥沙、气泡等颗粒物或气体的复杂多相流模拟，以及水力学与其他学科（如地质学、生态学）的耦合研究。 可持续水管理与韧性设计： 强调在气候变化背景下，设计具有更高韧性的水利工程，以应对日益频繁的极端天气事件，并促进水资源的永续利用。 通过对本书的阅读，读者将能够系统地掌握开放式水道水力学的理论基础，理解不同流态的形成机制，熟练运用相关的计算和模拟工具，并将所学知识有效地应用于各种工程实践中，从而为水资源的合理开发、高效利用和环境保护贡献力量。

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