水利水电工程PPT

1、水利水电工程学科ppt水利水电工程专业的主要课程包括：工程力学、水力学、河流动力学、岩土力学、工程地质及水文地质学、工程测量、工程水文学、工程经济学、建筑材料、钢筋混凝土结构和钢结构、建设工程评估与治理等.21世纪初水利水电工程学科的前沿课题主要包括以下几个方面1、固体力学方面面临的课题：工程材料实际强度和目前的理论强度相差一至二个数量级.这个矛盾曾推动位错、裂纹等的重要物理、力学理论的建立.然而,至今这个根本矛盾依然存在.固体力学如今不仅限于计算微小应变和应力,而且要求判断变形局部化、损伤、寿命乃至断裂.更进一步的问题是如何将不同性能和功能的材料合理地配置在一起,形成某种特定的复合材料,以实

2、现实用所要求的某种考虑如比重、刚度、强度、韧性、功能乃至价格等多种因素的优化组合,并促成材料设计科学.再进一步是将各种特定的制备和加工技术,如塑性成形、粒子束加工等工艺,也到达机理性的熟悉和优化限制.到那时,整个材料和制造业,将从所谓的“厨房中的化学变为节省资源,节省能源,优化合理的产业.现在的各类复杂结构,包括桥梁、飞机,到人工器官的设计,还是不够科学的、优化的.带来的问题是火箭、飞机屡有失事；多数结构依靠过大的平安系数如飞机为1.5来换取平安,不必要地消耗了许多材料.即使如此,桥梁等建筑物的坍塌仍时有发生.如何优化设计各类复杂结构如高速运输工具,使其在各类载荷环境冲击、循环载荷、潮湿、低温

3、等下可靠、舒适地运行,既是十分实际的工程问题,也属复杂系统响应这类前沿科学问题.地震是怎样发生的,泥石流和滑坡能否预测预报,作为大型土木工程水坝,建筑物根底的岩石和土在长时受载下的流变等一系列地质力学和岩土力学问题,仅靠目前的连续介质力学也是难以解决的,必须针对地学特点构筑新的力学模型,以作为地球动力学和工程地质学的根底.开展趋势：经典的连续介质力学将可能会被突破.新的力学模型和体系,将会概括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观和微观因素,以及这些因素的演化,从而使复合材料包括陶瓷、聚合物和金属的强化、韧化和功能化立足于科学的熟悉之上.固体力学将融汇力-热-电-磁等效应.机械力与热、电、磁等效应

4、的相互转化和限制,目前大都还限于测量和限制元件上,但这些效应的结合孕育着极有前途的新时机.近来出现的数百层叠合膜“摩天大厦式的微电子元器件,已迫切要求对这类力-热-电耦合效应做深入的研究.以“Mechronics为代表的微机械、微工艺、微限制等方面的开展,将会极大地推动对力-热-电-磁耦合效应的研究.固体力学中压杆变形的分叉,曾是促进非线性动力学近代大开展的一个核心概念.随着固体力学把固体和结构视为含多个物质层次的复杂系统,并研究它在外载荷下的演化过程,可以预期非线性动力学,非平衡统计和热力学的概念和方法将会大大丰富起来.分子动力学等微观模拟方法和复杂结构的仿真将会随着计算机的飞速开展,更大规

5、模地、更迅速地在固体力学和工程设计中得到应用与开展.目前工程界广泛应用的有限元法,就是计算机技术与固体力学相结合的产物,它曾极大地推动了本世纪工程科学的开展.过去,限于计算机的速度和容量,许多非线性问题不能很好解决.分子动力学模拟目前离实用还有很大距离.但在本世纪初,这种局面势必会有很大变化.固体力学的上述开展,无疑会推动科学和工程技术的巨大进步.2、流体力学方面第一个大问题是湍流.经过几代人的努力,对这一问题的熟悉已大为深化,这才有上述各项成就.绝大多数情况下,流体运动都处于湍流状态.目前计算这类问题的方法都带有经验的成分,因此计算结果不十分有把握,各种方法的普适性和预测水平均差,特别是对于

6、超声速、高超声速流中的湍流,情况尤其如此.随着高新技术的开展,发现过去的经验局限性太大,因而亟待在湍流的研究上有所突破.各种物体如飞机、船舶等航行器在流体中运动特别是在作非定常运动时,会产生十分复杂的流场.其核心问题是各种涡系的生成、消长和流动别离的产生.有关机理的许多问题尚未弄清,由于其中包含复杂的非线性因素.这方面的研究成果将对未来空中及水中航行器的研制产生重大影响.本世纪初,空天飞机和新一代的超声速民航机的成功研制将首先取决于流体力学的进展.在有关的高温空气动力学中必须放弃原先的热力学平衡的假定.吸气式发动机中H2,O2在超声速流动状态下的混合、点火等,都是过去的理论和实践未能解决的难题

7、.超声速流边界层的限制、减阻以及降噪限制等也带来一系列新问题.船舶除了向更大、更快的方向开展外,还提出了许多新型船舶,包括贴近水面航行、必要时可升空飞行或降在水面上的大型冲翼艇.这时计算各种航态和海况下的波载荷,将遇到极大的困难.由于波载计算不准而导致在恶劣海况下失事,即使对现代的常规船舶也仍是屡见不鲜的.80年代末至今已有10余艘船在北海失事.从流体力学的角度看,冲翼艇的困难主要在于有事先未定的自由外表,外表边界条件的非线性,波浪的随机性,水表层为湍流,以及流体与船舶运动相耦合等.风浪相互作用机制,至今尚未弄清,而它是天气预报这类全球性问题的重要环节,也是近年来正在探索的通过遥测水面波参数以

8、测量近水面风速这一新技术的根底,这个问题的突破将大大改良收集全球气象数据的广度和精度.海面波浪参数的遥测数据还有可能用以探测潜航的潜艇及海流,但这要开辟传统波浪理论未涉及的有旋流对波浪的影响这一新的领域.为了尽可能多地开采地下油气,需要深入研究渗流机理并将其定量化.渗流的研究还有助于了解植物体内液体的运动规律,进而了解各种新陈代谢的宏观机制.化工流程的设计,在相当大的程度上可归结为流体运动的计算问题,包括多相流及非牛顿流.由于流动的复杂性,不少重要化工装置的设计带有很多经验因素,以致不能发挥最大效益.因而针对假设干典型化工装置进行深入研究,将为化工设计提供新方法,实现可观的经济效益.在未来生物

9、技术产业化的过程中,会遇到类似或更复杂的情况,因而这方面的研究是真正形成生物技术工业不可缺少的根底.由于复杂流场计算的需要,各种计算方法和理论还需大大开展,以期能精确捕捉激波和分辨旋涡运动、能够处理非线性自由外表及湍流问题等.由于计算量特别巨大,必须开展新的计算机硬件和软件,特别是并行机及其软件,并行计算软件的开展,也必须结合具体计算对象来研制.因而计算流体力学的开展,既是解决具体问题所需,也将对计算科学作出重要奉献.3、水力学方面理论上的新开展(1)非经典介质理论.水力学中有均匀流与非均匀流,恒定流与非恒定流等,“非字当头的研究内容比没有“非字的要复杂得多.现代水力学理论的开展,又出现了一些

10、以“非字起头的新理论,如非经典介质理论,非线性理论,非确定性理论等.经典力学一般将所研究的流体介质视做连续均匀介质,这是经典力学的一项重要的根本假设.而实际流体往往掺杂有气体、固体或其它流体等各种杂质,它是一类尚未被现有力学理论适当描述的介质,可称之为非经典介质.无论是从开展力学理论的角度,还是解决真实介质流体的实际问题,开展非经典介质流动的研究都是十分必要的.如掺气水流,空化与空蚀,河流泥沙运动,污染物在水体中的运动等流动现象,它们都属于二相流,但过去往往不考虑相间作用力,而是采用一定假设,使问题得以简化.现代水力学应该着眼于实际流动现象,引进多相流体动力学理论,建立全新的知识体系.例如,研

11、究高速掺气水流,其关键是如何确定水与气二相流体之间的相互作用力,而单相流体的假设很难反映这种相间作用力；现代渗流理论应建立在研究水与多孔介质之间、相互作用的根底上,因此,必须突破传统水力学的均匀连续介质的假定.(2)非线性理论.非线性行为是近代力学根底研究的重要前沿课题.湍流和混沌理论是典型的非线性问题.描述水流运动的N-S方程是非线性的微分方程.过去的水力学计算,往往要用复原和叠加的方法对根本方程式作线性化处理,因而不能准确反映真实水流现象.随着现代科学技术的进步,非线性理论有了突飞猛进地开展.非线性理论是揭示具有非线性本质的各类水流现象的有力工具,也是开发非线性问题数学模型的有力工具.(3

12、)非确定性理论随机水力学水流运动,特别是紊流,有大量的不确定性因素,水流脉动压力一般可以被视为完全随机的现象,紊流过程那么具有混沌的特性.混沌是一种界于完全随机性现象与完全确定性现象之间的自然现象.传统水力学一般只研究确定性的水流现象,对于随机性水力参数,往往采用统计平均的方法加以处理,从而抹煞了水流运动的随机特性.现代水力学重视开展非确定性理论,动水荷载的设计方法将由定值设计法逐步转为可靠性设计法,概率理论和优化决策理论将在工程设计中广泛应用,风险分析的概念将作为规划、设计的重要理论根底.(4)紊流力学.水利工程中的绝大多数流动现象都属于湍流(水力学中的习惯称谓为紊流).湍流是自然科学中的八

13、大难题之一,由于其复杂性,全世界同行学者协力研究,历时长达百年,至今尚未攻克.湍流作为一种既典型又广泛存在的复杂流动,其非线性规律有超越力学范围的普遍性.我们知道,紊流是由大大小小不同尺度的漩涡组成的,漩涡尺度的量级差异很大.最大漩涡尺度的量级可达数公里,而最小漩涡的尺度不过几毫米,但不同尺度的漩涡在结构上往往具有自相似性,最近发现的标度律,反映了紊流现象的这种混沌特征.无论从根本理论,还是从实际应用考虑,湍流研究都是21世纪面临的紧迫课题.水利工程中的水流根本上都属于紊流.研究紊流特性,可简要归纳为以下几类问题：第一,边壁切变紊流；第二,漩涡与别离流；第三,别离再附流动；第四,流动稳定性问题

14、.要大力开发紊流数学模型,用数值模拟方法逐步取代物理模型实验.(5)细观水力学.传统水力学在自然尺度下研究水流的运动规律,现代水力学要突破传统水力学的常规尺度,从自然尺度向细观尺度延伸,开展细观水力学.一般地说,物理、化学的研究对象往往在其物质分子的尺度上,可称之为微观尺度,细观水力学的研究尺度虽然远小于自然尺度,但仍远大于水分子的尺度,故称为细观.传统水力学常采用总流的概念,它属于自然尺度,细观水力学深入研究水流内部的运动特性,水流与混掺其中的固体、气体、污染物等其它物质的相互作用,水流与固体边界的相互作用及空蚀、冲刷破坏机理等,使水力学的研究深度与现代科学技术相衔接.流场的精细数值模拟也可

15、以视为细观水力学.多相流体与固体力学的交叉学科研究产生和形成了一些新的学科方向,界面力学就是其中之一.界面力学以界面的力学建模、界面区域应力分布规律以及界面结构强韧度研究与破坏分析为主要内容.界面层是裂纹和损伤等破坏容易产生并开展的区域,界面微区的力学问题研究需开展细观尺度与微观尺度的实验测试技术,近年来,界面力学的研究已越来越多地引起人们的关注与重视.水力学数学模型的新开展(1)数值方法研究.有限差分法、有限元法、有限容积法是计算水力学的根本方法.近年来,为了提升计算精度,求解更复杂的水流现象,数值方法有很大开展.具有突变现象的流动,其解是间断的.不同间断现象的数值方法各有特点,这方面还有许

16、多问题需要解决.水利工程中有大量的河渠浅水二维流,明渠或管道中的二维非恒定流问题,这类问题的数值模拟方法至今仍很不完善,其计算格式的优化,边界条件的处理,都有很多需要深入研究的课题,也已出现了许多新算法.(2)流场可视化技术.流场可视化在工程应用中有重要意义.展现研究成果,无论是理论成果、实验成果,还是数学模型计算成果,都需要流场可视化技术.我国目前可视化技术的水平还比拟低,需要大力开展.(3)水力信息学.现代技术不断向综合化和智能化开展,大型水利设施的运行治理需要引进现代信息论的理论和方法.由此产生了一个新的交叉学科方向,水力信息学.水力信息学的研究内容和应用目标可简述如下：水力学数学模型与

17、系统治理、限制方面的知识相结合,即可构成专门化的专家系统.应用现代计算机技术将这种集成化的专门知识变成动态的信息资源,就可以用来进行大型防洪系统的预报与调度,大型水利工程的施工组织,大型灌溉系统或水库群的运行调度.21世纪人类将全面进入信息时代,信息的获取、处理和传输是生产组织的主要任务.水力信息学的核心是相关水力学知识的集成、打包,以及集成知识的信息资源化.计算机多媒体技术是最普遍的信息处理技术,在水力信息学的开展中将发挥重要作用.信息资源化的主要手段是建立专业化的信息网络,但也可借助已有的信息网络.水力学实验研究需解决的问题(1)水力学模型相似率.目前,我国工程设计中的多数重大水力学问题仍

18、是通过水力学模型试验解决.试验模型通常按重力相似准那么设计.大量模型试验证实,水工模型能够预演大多数原型工程的复杂三元水流现象.但对高速水流问题,除重力相似外,还须考虑其他物理量的相似性.如高速水流的掺气与雾化、脉动压力与流体激振现象、输水道通气、岩基冲刷等问题,其模型相似率至今尚未解决.空化初生试验一般在减压箱内进行,以空化数相等为准.但最新研究说明,初生空化数和模型的大小与水流速度有关,不同的模型,既使水流空化数相等,空化初生现象也不一定相似.高速水流的模型相似率问题困惑着模型实验,是工程水力学急待解决的技术难题.在这方面已做了不少研究,如掺气与通气的相似性,水流脉动压强的相似性,雾化的相

19、似性等,但至今尚无可靠的理论与方法.解决高速水流的相似率问题,一方面有赖于更深入的根底理论研究,而原型观测与模型试验进行比照那么是更为实际、有效的方法.借鉴已有同类工程的经验,对解决待建工程问题具有重大意义.目前所开展的原型观测,已大量应用现代化的理论、方法及观测仪器,如应力、应变、位移、速度、掺气浓度等各种类型的传感器,当代最先进的信号分析测试仪器,卫星定位、遥感遥测技术等.据不完全统计,我国已在100多个大、中型水利枢纽中的近200个泄水建筑物上进行了原型观测,已积累了较丰富的观测成果,主要集中在泄洪雾化、空化空蚀、脉动压力、水流掺气与通气等方面.原型观测需消耗大量的人力、物力和财力,需要

20、周密的预先设计和现场组织,也需要借助许多现代化的先进测试仪器.但为了提升水力学的研究水平,今后仍需大力开展原型观测工作.(2)高速水流关键技术问题的根底研究.我国待建的大型水利水电工程多具有水头高、流量大、河谷狭窄的特点,高坝大流量泄洪消能是各项工程共有的技术难题.在这方面虽已做了大量研究,但工程中仍有许多技术难题,因其机理复杂,目前的方法仍难以准确预测实际情况,尚待进一步研究：多股淹没射流流态结构与水垫消能机理.拦河筑坝必须保证洪水的正常下泄,为了预防高速水流的冲刷破坏,泄洪必须满足消能要求.泄洪水流的多余能量,绝大多数是在大坝下游的消能水体中(挑流消能水垫塘或底流消能消力池)通过水流的紊动

21、混掺而消耗掉的.坝身多股泄洪在水垫塘内形成多股淹没射流.水垫塘内的流态结构与水垫消能效率及水流作用于水垫塘边壁动水荷载的大小有十分密切的关系.高速强紊动水流的消能效率高,但对固体边壁的冲刷破坏力也大,既要实现高效消能,又要预防冲刷破坏,其根本途径是优化消能水体中多股淹没射流的流态结构.消能机理的研究是创造新型消能工的源泉.为此,既要增强泄洪消能机理的根底理论研究,也要在消能工体型优化方面做出创新性的实用成果.水流动力荷载与流固耦合振动.脉动压强研究的根本问题有：脉动压力产生机理,脉动压力随机分析方法,脉动压力的模型相似率,点、面脉动压强的转换等.不同的过水建筑物,其脉动压强的动力特性也有所区别

22、.尽管过去对上述问题都做过研究,但其知识的系统性、可靠性都还不能满足工程应用的需要.水流诱发的结构振动,工程实例很多.但由于结构和水流条件的复杂性和多变性,振动型式和种类也非常复杂,实验模拟和数学模型计算都有很多困难.研究问题主要有：振动形成机理及鼓励力的分析,水弹性模型试验的理论与技术,工程流弹振动的仿真研究等.高速水流的掺气与雾化.近年来,在减蚀掺气设施的掺气特性方面作了大量研究,如掺气空腔的水力特性、卷吸空气量、保护长度等.掺气对脉动压强及消能的影响至今说法不一,尚无定论.关于水气二相流的数值模拟计算,现已建立起理论严密的二相流运动方程式,但由于水和空气的密度相差悬殊,加之对水气两相之间

23、的相间作用力尚无深入研究,成功的数值模拟结果很少.最近的大量原型观测说明,挑流泄洪的雾化问题对水工建筑物及河岸岸坡的平安有严重威胁,雾化问题的预测研究越来越受到重视.关于雾化问题的研究力度将会增强.泄水建筑物的冲刷、空蚀与磨损破坏.挑流消能冲刷坑深度及大小的预测有重要工程意义,几十年来虽做过大量研究,但至今仍无成熟、可靠的解决方法.我国近年研究提出的能量法和岩块放大法使这方面的研究有了新的进展.对于高水头大流量工程,一般都要修建混凝土衬砌的水垫塘,关于混凝土水垫塘的冲刷破坏模式问题,尚待进行深入研究.高水头泄水建筑物的空蚀破坏在工程中屡见不鲜,含沙水流对过水建筑物的磨损给许多工程的运行维修造成

24、很大困难.空蚀和磨损往往同时发生并相互促进,使破坏程度急剧增加.随着我国大量高水头泄水建筑物的建成运行,冲蚀、空蚀与磨蚀问题将会越来越多,并不断受到重视.4、结构工程方面结构工程学科的开展可直接为国家和地方经济建设效劳,合理而经济的工程设计和施工可以节省大量的投资,并可缩短建设时间.面向二十一世纪,结构工程提出了很多新课题.1不同载荷作用下钢筋硅结构工况分析,结构抗振与减振举措研究,结构测试与可靠性分析；2钢结构新形式、载荷与抗力模型、设计计算理论与方法研究,钢结构疲劳损伤理论、计算方法及其工程应用研究,钢结构无损检测技术研究与工程应用；3以不同工程中的结构受力及其响应分析为背景,研究各种结构

25、形式静态与动态应力与变形计算的数学模型、数值分析方法、计算机算法及软件开发应用；4现代工程、大型复杂工程的施工技术、施工工艺的研究,现代治理理论、方法在工程施工组织与治理中的应用研究；5研究运用计算机软件、硬件和自动限制技术进行土建工程的工程设计、检测分析、过程限制、信息治理等研究,进行相关软件与自动化、智能化产品开发.5、水生态与水环境学科方面应用根底前沿研究1生物多样性与水利工程长期生态学效应.随着全球物种灭绝速度的加快,物种丧失可能带来的生态学后果备受人们关注,生物多样性与生态系统功能的关系成为当前生态学领域内的一个重大科学问题.当前研究的重点及前沿主要集中在：长时间尺度上的物种多样性一

26、一生态系统功能关系,非生物因素与多样性一一生产力的交互关系,营养级相互作用对于多样性一一生态系统功能关系的影响,物种共存机制在多样性一一生态系统功能关系形成中的作用等方面.生态效应的逐渐显现使水利工程的长期生态环境影响受到高度重视.研究的前沿重点包括：径流变化对水生生态系统及生物多样性的影响,大坝拦截与调蓄对下游洪泛区生态系统及渔业生态系统的影响,拦河筑坝导致生态系统扩大的次生环境效应,流域梯级开发的累积效应,减免水利工程对生态系统影响的举措,失衡生态系统的修复与重建、水利工程对局地生态系统及其功能的长期影响等.其中涉及的难点是生态效应定量评估方法.(2)河流生态系统健康与水利水电规划的生态环境影响评价.河流作为一种重要的生态系统,其生态系统的健康越来越受到国际上的广泛重视.尽管生态学家至今尚未就河流生态系统健康的内涵达成共识,但是国外众多评价方法已经在实际中得到运用.目前国际上的研究前沿包括河道萎缩形成和演变机理、河流生态健康评价指标体系、河流生态健康评价的尺度效应等.在国内,河流生态系统健康方面的研究还刚起步,代表性研究一一国家重点根底研究开展规划(973)工程“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理探索了黄河水资源可更新和可再生性维持问题,为更系统深入地开展黄河健康生命研究奠定了根底.水利水电规划环境影响评价与河流生态系统健康评价密切