0.4　工程水力计算学习的研究方法

4000年前的大禹治水就已表现出古人的治水智慧。约公元前400年，中国的墨翟在《墨经》中已有了浮力与所排液体体积之间关系的设想。公元前250年，阿基米德在《论浮体》中阐明了浮体和潜体计算方法。15世纪，意大利人达·芬奇在实验水力学方面取得进展。1586年德国数学家斯蒂文提出水静力学方程。15世纪以前，工程水力学被认为是一种技艺，而未发展成一门科学。17世纪中叶，法国人帕斯卡提出液压等值传递的帕斯卡原理。至此，水静力学已初具雏形。工程水力学作为学科而诞生始于水静力学。

18世纪中叶，水力学才成为一门独立学科。欧拉和伯努利是这一领域杰出的先驱者。18世纪末和整个19世纪形成了两个独立的研究方向：一是运用数学分析的理论水平达到相当的高度；二是谢才、达西、曼宁等人在应用水力学方面进行了大量的试验研究，提出了各种实用的经验公式。

19世纪末，流体力学有了新发展，如雷诺理论及试验研究，雷诺的因次分析，佛汝德的船舶模型试验，空气动力学的研究等。

20世纪初的重要突破是普朗特的边界层理论，它把无黏性理论和黏性理论在边界层概念的基础上联系起来。20世纪蓬勃发展的经济建设提出了越来越复杂的水力学问题：高浓度泥沙河流的治理；高水头水力发电的开发；输油干管的敷设；采油平台的建造；河流、湖泊、海港污染的防治等。水力学的研究方向不断拓展，现代水力学课程已由水利类专业重要的专业基础课拓展为土木工程、环境工程、动力机械、生物化学，以至人才流、物资流、资金流、信息流等专业领域的重要专业基础课，所有与流体或与流动有关的问题，都需用到工程水力学的基本理论。

研究工程水力计算有三种最基本的方法，即理论分析、试验研究、数值模拟和数值计算。

0.4.1　理论分析

应用数学、物理中的理论研究液体的运动及作用在液体上的力，建立水流机械运动的基本方程。理论分析法比较成熟。但实际水流运动非常复杂，还难以完全用理论分析的方法解决实际工程问题。

0.4.2　试验研究

试验研究的基本目的：一是检验理论分析成果的正确性；二是当有些水力学问题在理论上暂时还不能完全得到解决时，通过试验可以寻找到一些经验性的规律，以满足解决实际工程问题的需要。试验研究是水力学研究的一个极其重要的方法，也是对理论分析的补充。现阶段水力学的试验研究主要有以下三种方式。

（1）原型观测。在野外或水利工程现场，对天然或工程中的水流运动现象直接进行观测，收集第一手资料，总结水流运动的基本规律，检验理论分析成果，为工程设计施工提供依据。

（2）模型试验。在实验室内，依据水力相似理论，把实际工程按一定比例缩小为模型，在模型上模拟相应的实际水流运动，得出模型水流的规律性。然后再把模型试验成果按照相似关系换算为原型的成果，以满足工程设计的需要。模型试验法可以检验工程设计的合理性，并为修改设计提供可靠的依据，在工程实践中得到广泛应用。

（3）系统试验。野外观测经常受时间和其他自然条件的限制，难以按人们的要求去实现或预演各种水流现象，从而由大量观测资料中去总结水流运动的规律，这时可以在实验室内小规模地造成某种水流运动，进行系统的试验观测，从中找出水流运动的规律。

0.4.3　数值模拟和数值计算

随着计算机技术的迅速发展，利用计算机进行数值模拟和数值计算求解基本方程来指导和解决工程水力计算问题，是一种快速、简便、节省投资的研究方法。所谓数值模拟和数值计算，是采用各种离散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各种数学模型，通过计算机进行数值计算和数值试验，最终获得其数值解。近二三十年来，这一方法得到很大发展，已形成专门学科——计算流体力学。

数值模拟和数值计算需要通过理论分析来建立，数值计算的不少参数需要经过模型试验来提供，而理论分析和数值计算的成果也需要通过物理模型进行验证。这三种研究方法必须互相结合，共同推动水力学学科的进一步发展。