具体描述
《水力分析与计算》是借鉴国外先进职业教育理念，以工作过程为导向为安徽水利水电职业技术学院国家重点建设专业——水利水电建筑工程专业课程改革而设置的一个学习领域，以安徽省已建、在建、病险水库加固的水利枢纽工程为载体，以专业核心课程《水闸设计与施工》、《土石坝设计与施工》中的案例为实例，与核心课程紧密结合，包括：水工建筑物壁面静荷载分析与计算，有压管道的水力分析计算，渠（河）道水力分析计算，闸、堰泄流能力分析与计算，泄水建筑物下游消能计算，渗流基础。各项目配有例题、常用图表和技能训练题。
本教材适用于高职院校水利水电建筑工程、水利工程、水文水资源工程、给水排水、城市水利、水土保持、治河与防洪等专业的教学，并可用于成人专科学校同类专业教学，还可供相关专业技术人员参考。
好的，这是一本关于海洋工程中的波浪动力学与结构相互作用的专业著作的详细简介： --- 海洋工程中的波浪动力学与结构相互作用：理论、模型与应用 本书导读 海洋工程领域正面临着前所未有的挑战。随着深海油气田的开发、海上风力发电规模的不断扩大以及海洋可再生能源的广泛利用，工程师们必须设计出能够抵御极端海况、具备长期服役稳定性的复杂海洋结构物。理解波浪这一动态载荷的本质，以及它如何与结构物产生复杂的相互作用，是确保海洋工程安全与经济性的核心。 《海洋工程中的波浪动力学与结构相互作用：理论、模型与应用》是一部深度聚焦于该交叉学科前沿的专著。它系统性地梳理了从基础流体力学到前沿计算模拟方法的全过程，为海洋结构工程师、海洋环境科学家以及相关领域的研究人员提供了一套严谨而实用的知识体系。 核心内容概述 本书分为六个逻辑递进的章节，层层深入地剖析了波浪场、结构物响应及其耦合机制。 第一部分：基础理论与波浪场描述 本部分奠定了理解复杂海况的基础。它首先回顾了流体力学中的守恒定律（质量、动量和能量），并聚焦于海洋工程特有的边界条件处理。 1. 经典波浪理论的深化与扩展： 详细探讨了线性波浪理论的局限性及其在浅水、深水和过渡水域中的适用性。重点阐述了非线性波浪理论（如Stokes二阶、三阶理论）的数学结构和物理意义，并引入了斯托克斯群速度和波速色散关系的精确推导。对于极端海况下的孤立波（Soliton）和尖峰波（Crest Wave）的形成机理及其对结构物冲击载荷的影响，进行了详尽的数值分析和对比。 2. 随机波浪场建模： 海洋环境的本质是随机的。本章深入介绍了描述随机海况的统计学基础，包括极值理论（如Weibull、Gumbel分布）在设计波高确定中的应用。详细阐述了JONSWAP、Pierson-Moskowitz等谱模型的物理意义，并着重探讨了波浪能谱在频域和空间域的演化规律。书中还引入了高阶谱（Bispectrum）的概念，用以刻画非高斯性波浪场的非线性特征。 3. 开放水域的流场模拟： 针对近海和深海区域的复杂流动，本书介绍了雷诺平均Navier-Stokes (RANS) 方程在海洋流场模拟中的应用。重点讨论了湍流模型（如$k-epsilon$, $k-omega$ SST模型）的选择与校准，并结合经验公式，量化了波浪与洋流的叠加对结构物周围流场的重塑作用。 第二部分：波浪与结构物相互作用的耦合机制 本部分是全书的核心，聚焦于如何量化波浪力及其在结构物表面的作用。 4. 绕流绕射理论的精确计算： 系统梳理了流体动力学的经典方法。对于小尺度结构（如系泊桩、导管架腿管），详述了绕射理论（Diffraction Theory），包括Morison方程的适用范围、局限性以及高流速下惯性力的修正项。对于大尺度结构（如FPSO、半潜式平台），则着重于绕射理论（Scattering Theory），详细推导了三维格林函数，并阐释了势流理论（Potential Flow Theory）在计算附加质量和波浪阻尼中的精确应用。 5. 水动力载荷的非线性效应： 传统的线性理论在高浪高、小波长比条件下会失效。本章深入研究了二次非线性效应，包括波浪溢流（Wave Overtopping）和拖曳力系数（Drag Coefficient）的动态变化。书中通过大量的实验数据和CFD模拟结果，展示了冲刷流（Sloshing）和波浪冲击（Wave Impact Loading）的瞬态特性，并提出了基于修正的Morison公式来更准确地捕捉高频载荷的峰值。 6. 柔性结构物的流固耦合（FSI）： 针对柔性管道、系泊缆绳和立式钻井平台（Tendon Platform）等，本书专门开辟章节讨论了流固耦合（FSI）问题。详细介绍了体积分法（FEM）和边界元法（BEM）在模拟结构变形时的耦合策略。重点分析了涡致振动（Vortex-Induced Vibration, VIV）和风浪复合激励下结构物的疲劳损伤机制，并提出了抑制VIV的减振措施，如安装导流罩或增加钝态表面。 第三部分：分析方法、验证与工程实践 本部分将理论与工程实践相结合，探讨了数值模拟工具的建立与应用。 7. 边界元法（BEM）与势流分析： 详细介绍了BEM在处理无限域边界问题时的优势。书中提供了二维和三维势流计算的数学步骤，特别是如何利用格林函数快速求解复杂几何体在规则波下的水动力系数。书中通过一个模块化的BEM求解器案例，演示了如何计算浮体的六自由度运动（6-DOF Motion Response）。 8. 计算流体力学（CFD）的应用与验证： 本章侧重于瞬态、高雷诺数问题的模拟。讨论了诸如Volume of Fluid (VOF) 和 Level Set (LS) 方法在捕捉自由液面运动中的优势。书中特别强调了CFD模拟结果的网格敏感性分析（Grid Sensitivity Study）和与波浪压力传感器实验数据的对比验证流程，确保数值结果的可靠性。 9. 海洋结构物疲劳寿命评估与极限状态设计： 本书的最终目标是将动力学分析转化为可靠的设计标准。本章结合随机过程理论，应用频域（Frequency Domain）和时域（Time Domain）方法，计算了结构在极端波浪下的响应谱。重点阐述了基于S-N曲线和Miner法则的疲劳累积损伤评估，并讨论了在不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）背景下，如何设定合理的结构安全裕度以满足海洋工程的可靠性要求。 本书特色 本书的亮点在于其严谨的理论推导与丰富的工程案例相结合。每章末尾均附有“关键公式回顾”和“工程应用启示”，旨在帮助读者实现从原理到应用的无缝对接。大量插图和图表清晰地展示了复杂的数学概念和模拟结果，使复杂的动力学问题可视化。本书不仅是一本理论教科书，更是一本面向实际设计挑战的工具书。 适用读者 海洋工程、土木工程（结构方向）、船舶与海洋工程、水利工程、流体力学等相关专业的研究生、博士生、高校教师，以及在海洋油气、海上风电、深海采矿等领域工作的结构设计工程师。
作者简介
目录信息
前言绪论 水力分析与计算概述 情境0.1 水力分析与计算的任务、研究对象及发展概况 情境0.2 液体的主要物理力学性质 情境0.3 作用于液体上的力 技能训练题项目1 水工建筑物壁面静荷载分析与计算 情境1.1 静水压强及其特性 情境1.2 重力作用下静水压强分布规律 1.2.1 重力作用下静水压强的基本公式 1.2.2 压强的量度 1.2.3 水头和单位势能 1.2.4 压强的量测和点压强的计算 情境1.3 平面上的静水总压力 1.3.1 静水压强分布图 1.3.2 利用压强分布图求矩形平面上的静水总压力 1.3.3 用解析法求任意平面上的静水总压力 情境1.4 曲面上的静水总压力 技能训练题项目2 有压管道的水力分析与计算 情境2.1 有压管道水力分析一 2.1.1 水流运动基本概念及其分类 2.1.2 恒定流的连续性方程 情境2.2 有压管道水力分析二 情境2.3 有压管道水力分析三 2.3.1 水头损失产生的原因及其分类 2.3.2 沿程水头损失的分析与计算 情境2.4 有压管道水力分析四 2.4.1 恒定流动量方程式的建立， 2.4.2 动量方程的应用条件和解题步骤 情境2.5 有压管道水力分析五 2.5.1 管流的定义、特点 2.5.2 管流的分类 2.5.3 管流的计算类型 情境2.6 有压管道中简单管道的水力计算 2.6.1 简单短管的水力计算 2.6.2 管径的确定 2.6.3 总水头线和测压管水头线的绘制 情境2.7 有压隧洞的水力计算 2.7.1 有压隧洞的计算公式 2.7.2 有压隧洞的水力计算内容 情境2.8 倒虹吸管的水力计算 2.8.1 工程案例 2.8.2 工程案例分析 2.8.3 工程案例计算 情境2.9 水泵的工作原理分析与计算 2.9.1 离心泵工作原理 2.9.2 基本工作参数 2.9.3 基本方程及特性曲线 情境2.10 长管的水力计算 2.10.1 简单管路 2.10.2 串联管路 2.10.3 并联管路 技能训练题项目3 渠(河)道水力分析与计算 情境3.1 渠道水力分析 3.1.1 明渠的分类 3.1.2 明渠均匀流的特征和形成条件 情境3.2 明渠均匀流的基本公式 3.2.1 基本公式 3.2.2 过水断面的水力要素 情境3.3 明渠水力计算中的几个问题 3.3.1 糙率n的选定 3.3.2 水力最佳断面和实用经济断面 3.3.3 渠道的允许流速 情境3.4 渠道过流能力计算及断面尺寸设计 3.4.1 直接求解法 3.4.2 试算法 情境3.5 复式断面渠道的水力计算 情境3.6 渡槽水力计算 3.6.1 槽身段的水力计算 3.6.2 进口渐变段的水力计算 3.6.3 出口渐变段的水力计算 3.6.4 进出口底板高程的确定 情境3.7 明渠水流的三种流态 情境3.8 断面比能与临界水深 3.8.1 面比能、比能曲线 3.8.2 临界水深 3.8.3 临界底坡、缓坡和陡坡 情境3.9 水跃与水跌 3.9.1 水跃 3.9.2 水跌 情境3.10 明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程 3.10.1 微分方程讨论 3.10.2 水深沿流程变化的微分方程 情境3.11 棱柱形渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线分析 3.11.1 渐变流水面线的变化规律 3.11.2 渐变流水面曲线分析步骤 情境3.12 棱柱形渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线计算 3.12.1 人工渠道水面曲线的计算 3.12.2 工程案例介绍 3.12.3 工程案例计算 技能训练题项目4 堰、闸泄流能力分析与计算 情境4.1 堰流特性与类型的分析判断 情境4.2 堰流基本公式的理解与分析 情境4.3 实用堰流过流能力计算 情境4.4 宽顶堰流基本公式的应用 情境4.5 闸下出流基本公式的应用 技能训练题项目5 泄水建筑物下游消能计算 情境5.1 泄水建筑物下游水流衔接与消能的形式确定 情境5.2 底流式衔接与消能的水力计算 5.2.1 收缩断面水深的hc计算 5.2.2 水跃衔接形式的判断 情境5.3 消力池水力计算 5.3.1 挖深式消力池的水力计算 5.3.2 坎式消力池的水力计算 5.3.3 底流式衔接与消能微机求解法简介 5.3.4 底流式消能的其他形式及辅助设施 技能训练题项目6 渗流基础 情境6.1 概述 6.1.1 渗流理论的工程应用 6.1.2 水在土壤中的状态 6.1.3 岩土分类及其渗透性质 情境6.2 渗流基本定律 6.2.1 渗流模型 6.2.2 达西定律 6.2.3 细管概化模型 6.2.4 渗流系数的确定 情境6.3 均匀渗流和非均匀渗流 6.3.1 恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流流速沿断面均匀分布 6.3.2 渐变渗流的基本微分方程和浸润曲线 情境6.4 井和集水廊道 6.4.1 集水廊道 6.4.2 潜水井(无压井) 6.4.3 自流井 6.4.4 大口井与排水基坑 6.4.5 渗水井与河边井 技能训练题附录 附录Ⅰ 梯形和矩形断面明渠正常水深求解图 附录Ⅱ 梯形和矩形断面明渠底宽求解图 附录Ⅲ 梯形、矩形、圆形断面明槽临界水深求解图 附录Ⅳ 建筑物下游河槽为矩形时收缩断面水深及其共轭水深求解图参考文献
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