《水利水电工程学科的前沿问题》读书报告

1《水利水电工程学科的前沿问题》读书报告水利水电工程专业的主要课程包括：工程力学、水力学、河流淌力学、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、钢筋混凝土构造和钢构造、建设工程评估与治理等。211、固体力学方面面临的课题：固体力学如今不仅限于计算微小应变和应力，而且要求推断变形局部化、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，以实现有用所要求的某种考虑如比重、刚度、强度、韧性、功能乃至工技术，如塑性成形、粒子束加工等工艺，也到达机理性的生疏和优化把握。到那时，整个材料和制造业，将从所谓的“厨房中的化学”变为节约资源，节约能源，优化合理优化的。带来的问题是火箭、飞机屡有失事；多数构造依靠过大的安全系数(如飞机为1.5)来换取安全，不必要地消耗了很多材料。即使如此，桥梁等建筑物的坍塌仍时有发生。如何优化设计各类简洁构造(如高速运输工具)，使其在各类载荷环境(冲击、循环载荷、潮湿、低温等)下牢靠、舒适地运行，既是格外实际的工程问题，也属简洁系统响应这类前沿科学问题。地震是怎样发生的，泥石流和滑坡能否推想预报，作为大型土学问题，仅靠目前的连续介质力学也是难以解决的，必需针对地学特点构筑的力学模型，以作为地球动力学和工程地质学的根底。进展趋势：经典的连续介质力学将可能会被突破。的力学模型和体系，将会概括材料(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生疏之上。固体力学将融汇力-热-电-磁等效应。机械力与热、电、磁等效应的相互转化和把握，目前大深入的争论。以“Mechronics”为代表的微机械、微工艺、微把握等方面的进展，将会极大地推动对力-热-电-磁耦合效应的争论。固体力学中压杆变形的分叉，曾是促进非次的简洁系统，并争论它在外载荷下的演化过程，可以预期非线性动力学，非平衡统计它曾极大地推动了本世纪工程科学的进展。过去，限于计算机的速度和容量，很多非线性问题不能很好解决。分子动力学模拟目前离有用还有很大距离。但在本世纪初，这种2、流体力学方面第一个大问题是湍流。经过几代人的努力，对这一问题的生疏已大为深化，这才有上述各项成就。绝大多数状况下，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阅历的成分，因此计算结果不格外有把握，各种方法的普适性和推想力气均差，特别是对于超声速、超群声速流中的湍流，状况尤其如此。随着高技术的进展，觉察过去的阅历局限性太大，因而亟待在湍流的争论上有所突破。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，会产生格外简洁的流场。其核心问题是各种涡系的生成、消长和流淌分别的产生。有关机理的很多问题尚未弄清，由于其中包响。本世纪初，空天飞机和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H2，O2超声速流边界层的把握、减阻以及降噪把握等也带来一系列问题。船舶除了向更大、更快的方向进展外，还提出了很多型船舶，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。8010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，而它是天气预报这的计算问题，包括多相流及非牛顿流。由于流淌的简洁性，不少重要化工装置的设计带有很多阅历因素，以致不能发挥最大效益。因而针对假设干典型化工装置进展深入争论，将为化工设计供给方法，实现可观的经济效益。在将来生物技术产业化的过程中，会遇到类似或更简洁的状况，因而这方面的争论是真正形成生物技术工业不行缺少的基础。由于简洁流场计算的需要，各种计算方法和理论还需大大进展，以期能准确捕获激波和区分旋涡运动、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，必需进展的计算机硬件和软件，特别是并行机及其软件，并行计算软件的进展，也必需结合具体计算对象来研制。因而计算流体力学的进展，既是解决具体问题所需，也将对计算科学作出重要奉献。3、水力学方面字当头的争论内容比没有“非”字的要简洁得多。现代水力学理论的进展，又消灭了一些以“非”字起头的理论，如非经典介质理论，非线性理论，非确定性理论等。经典力学一般将所争论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。无论是从进展力学理论的角度，还是解空化与空蚀，河流泥沙运动，污染物在水体中的运动等流淌现象，它们都属于二相流，但过去往往不考虑相间作用力，而是承受确定假设，使问题得以简化。现代水力学应当着眼于实际流淌现象，引进多相流体动力学理论，建立全的学问体系。例如，争论高速掺气水流，其关键是如何确定水与气二相流体之间的相互作用力，而单相流体的假设根底上，因此，必需突破传统水力学的均匀连续介质的假定。非线性理论。N-S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进展。非线性理论是工具。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，紊流过程则具有混沌的特性。混沌确定性的水流现象，对于随机性水力参数，往往承受统计平均的方法加以处理，从而抹用，风险分析的概念将作为规划、设计的重要理论根底。紊流力学。〔水力学中的习惯称谓为‘紊流’〕。湍流是自然科学中的八大难题之一，由于其简洁性，全世界同行学者协力争论，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简洁流淌，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构造上往往具有自相像性，最近觉察的标度律，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，湍流争论都是21归纳为以下几类问题：第一，边壁切变紊流；其次，漩涡与分别流；第三，分别再附流淌；第四，流淌稳定性问题。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试验。细观水力学。破传统水力学的常规尺度，从自然尺度向细观尺度延长，进展细观水力学。一般地说，物理、化学的争论对象往往在其物质分子的尺度上，可称之为微观尺度，细观水力学的争论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。传统水力学常承受总流的概念，它属于自然尺度，细观水力学深入争论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，使水力学的争论深度与现代科学技术相连接。流场的精细数值的学科方向，界面力学就是其中之一。界面力学以界面的力学建模、界面区域应力分布水力学数学模型的进展数值方法争论。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，为了提高计算精度，求解更简洁的水流现象，数值方法有很大进展。具有突变现象的流淌，其解是连续的。不同连续现象的数值方法各有特点，这方面还有很多问题需要解决。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，都有很多需要深入争论的课题，也已消灭了很多算法。流场可视化技术。流场可视化在工程应用中有重要意义。呈现争论成果，无论是理论成果、试验成果，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较低，需要大力进展。水力信息学。需要引进现代信息论的理论和方法。由此产生了一个的穿插学科方向，水力信息学。水力信息学的争论内容和应用目标可简述如下：水力学数学模型与系统治理、把握方面21息的猎取、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学问的络，但也可借助已有的信息网络。水力学试验争论需解决的问题水力学模型相像率。目前，我国工程设计中的多数重大水力学问题仍是通过水力学模型试验解决。试验模型通常按重力相像准则设计。大量模型试验证明，水工模型能够预演大多数原型工程的简洁三元水流现象。但对高速水流问题，除重力相像外，还须考虑其他物理量的相像性。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，其模型相像率至今尚未解决。空化初生试验一般在减压箱内进展，以空化数相等为准。但最争论说明，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，空化初生现象也不愿定相像。高速水流的模少争论，如掺气与通气的相像性，水流脉动压强的相像性，雾化的相像性等，但至今尚，而原型观测与模型试验进展比照则是更为实际、有效的方法。借鉴已有同类工程的阅历，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200原型观测需消耗大量的人力、物力和财力，需要周密的预先设计和现场组织，也需要借观测工作。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争论，但工程中仍有很多技术难题，因其机理简洁，目前的方法仍难以准确推想实际状况，尚待进一步争论：①多股漂移射流流态构造与水垫消能机理。拦河筑坝必需保证洪水的正常下泄，为了防止高速水流的冲刷破坏，泄洪必需满足消能要求。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〕有格外亲热的关系。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，流态构造。消能机理的争论是制造型消能工的源泉。为此，既要加强泄洪消能机理的根底理论争论，也要在消能工体型优化方面做出创性的有用成果。②水流淌力荷载与流固耦合振动。脉动压强争论的根本问题有：脉动压力产生气理，脉动压力随机分析方法，脉动压力的模型相像率，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分。尽管过去对上述问题都做过争论，但其学问的系统性、牢靠性都还不能满足工程应用的需要。水流诱发的构造振动，工程实例很多。但由于构造和有很多困难。争论问题主要有：振动形成机理及鼓舞力的分析，水弹性模型试验的理论与技术，工程流弹振动的仿真争论等。③高速水流的掺气与雾化。近年来，在减蚀掺气算，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安全有严峻威逼，雾化问刷、空蚀与磨损破坏。挑流消能冲刷坑深度及大小的推想有重要工程意义，几十年来虽做过大量争论，但至今仍无成熟、牢靠的解决方法。我国近年争论提出的能量法和岩块砌的水垫塘，关于混凝土水垫塘的冲刷破坏模式问题，尚待进展深入争论。高水头泄水修理造成很大困难。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、构造工程方面施工可以节约大量的投资，并可缩短建设时间。面对二十一世纪，构造工程提出了很多(1)不同载荷作用下钢筋砼构造工况分析，构造抗振与减振措施争论，构造测试与牢靠性分析；(2)钢构造形式、载荷与抗力模型、设计计算理论与方法争论，钢(3)以不同工程中的构造受力及其响应分析为背景，争论各种构造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、大型简洁工程的施工技术、施工工艺的争论，现代治理理论、方法在工程施工组织与治理中的应用争论；(5)争论运用计算机软件、硬件和自动把握技术进展土建工程的工程设计、检测分析、过程把握、信息治理等争论，进展相关软件与自动化、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争论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。当前争论的重点及前沿主要集中在：①长时间尺度上的物种多样性——生态系统功能关系，②非生物因素与多样性——生产力的交互关系，③养分级相互作用对于多样性——生态系统功能关系的影响，④物种共存机制在多样性——生态系统功能关系形成中的作用等方面。生态效应的渐渐显现使水利工程的长期生态环境影响受到高度重视。争论的前沿重点包括：①径流变化对水生生态系统及生物多样性的影响，②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，③拦河筑坝导致生态系统扩大的次生环境效应，④流域梯级开发的累积效应，⑤减免水利工程对生态系统影响的措施，⑥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。河流生态系统安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，其生态系统的安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安康的内涵达成共识，但是国外众多评价方法已经在实际中得到运用。目前国际上的争论前沿包括河道萎缩形成和演化机理、河流生态安康评价指标体系、河流生态安康评价的尺度效应等。在国内，河流生态系统安康方面的(973)工程“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”探究了黄河水资源可更和可再生性维持问题，为更系统深入地开展黄河安康生命争论奠定了根底。水利水电规划环境影响评价与河流生态系统安康评价亲热相关。在这两方面我国目前还缺乏系统的理论、技术、方法以及标准体系。将来我国水电工程规划的生态环境影响评价迫切需从末端单项评价转向源头评价、从微观进展为微观与宏观相结合、从局部进展到局部与整体相结合、从单个要素进展到系统的综合性评价。为此，河流生态系统安康理论、自然资源价值核算理论与方法，生态影响评价方法、累积生态影响评价方法以及水资源开发生态环境风险