绪论
本论文集对现代水力学的波与波力、湍流流动与传热、湍流流动与传质的湍流模式的规律性进行了研究，并将此模式联系实际运用到海洋工程、冷却水工程及生态工程中去，以便取得波力载荷、温度效应、水质浓度、污染物浓度、冲淤效应及生态效应良好的定量结果，同时作者还开拓和改进了原有的湍流理论模式。
鉴于我国石油事业迅猛发展，1966年由国家科学技术委员会组织了“海上大会战”，钻井平台圆柱体上波浪作用力的现场试验就是大会战的内容之一。由于波浪力的剪切作用，可使输油钻井管道破裂，造成了严重的泄油事件，污染了受纳水域，破坏了生态环境。所以，波力的研究具有十分重大的意义。我们对前进波、击瓶波及其爬高进行了统计分析，建立了前进波高与击瓶波高具有的相关关系，于是便可间接地求得与前进波高相对应的波力关系。根据现场观测到的波高、波力及绕射现象等资料，建立了波压、单位高度波力及波的总水平推力的经验公式。钻井平台圆柱体上波浪作用力的现场试验成果获得了1978年全国科技大会的奖励。
湍流现象普遍存在：上至茫茫宇宙，下至滚滚熔岩，远至波涛汹涌的海洋、奔腾不息的河流，近至日常可见的锅炉、反应器、涡轮、水泵中流动，到处可以看到湍流。湍流研究不仅与工农业生产、国防建设密切相关，而且是一个饶有兴味又困难重重的基础理论课题。百余年来，世界上不少著名科学家为了探索其中的奥秘，花费了巨大的精力，创造了一些实际可用的湍流理论和湍流统计理论，特别值得指出的是，我国著名科学家周培元教授研究湍流已逾60多年，为之作出了举世公认的突出贡献。早在20世纪30年代末、40年代初，他就提出了剪切湍流著名的17方程理论，把湍流理论大大推进了一步，开创了模式理论的新领域。即在世界上他首先建立了一般湍流的雷诺应力的输运方程，在国际上产生了重大影响，同时也获得高度评价，他由此被公认为湍流模式的奠基人。1951年联邦德国的Rotta发展了周培元所开创的工作，提出了现代雷诺应力湍流理论模式。这一类模式的优点是可以准确地考虑各向异性效应、旋转效应、曲率效应、两相流效应等。可以预测，随着计算技术的发展及模式的改进，在今后的若干年内，工程解决湍流问题主要依靠雷诺应力湍流的模式。另一类是有效性模式，最具有代表性和广为人们所接受的首推k-ε双方程湍流模式，这个模式先后由周培元（1954）、Davidov（1961）、Harlow-Nakayama（1969）、Jonas-Launder（1972）提出，近年来已得到广泛的应用。大量预报结果及其与实验的对照，已证明该模式可以完成或基本上成功地用于以下几种状况：无浮力平面射流，无旋及弱旋的二维及三维回流流动。k-ε双方程模式试用于以下几种情况则遇到较大问题或者说不成功：强旋流（旋流数大于1），浮力流，重力分层流，曲壁边界流，低雷诺数Re数流动，圆射流。W.Rodi（1978）对雷诺应力湍流输运方程作了简化的近似，即直接假定应力（热流）的产生与耗散达到局部平衡、对流与扩散也达到局部平衡。因此，便可得到介于前两类模式之间的代数应力模式（ASM）。显然，ASM模式反映了浮力及旋流效应有关的各向异性的基本特征，也无需分别给出应力及通量的分量的进口边界条件，同时与雷诺应力模式相比大大削减了方程数目，这是当前最为热门的一种模式。
本论文集作者从20世纪80年代中期至今，根据水流运动的特点，在上述的湍流模式理论的基础上提出了扩展的k-ε、双流体和简化的代数应力（热流）的湍流模式，并建立了深度平均的k-ε、深度平均的代数应力的湍流全场模式、明渠弯道模式、悬沙冲淤问题的液—固两相模式及水环境中的生态水力学模式。现将其模拟特色分别简介如下。
（1）明渠温差异重流中湍浮力回流的数学模式（1986年9月）。通过计算发现标准的各向同性的k-ε模式所预报的温度分布不具有温跃层特点亦即是不存在温差异重流，或在浮力作用下，不存在冷热水上下分层流。本文提出了扩展的k-ε湍流模式，亦即对湍流传热系数提出一个半经验的处理方法，假设温跃层中热交换系数σT与U、T的垂向梯度有关，再据量纲分析，取
其中CTJ为经验系数，通过模拟计算取0.2，作先修正后预报所得的明渠温差分层流形成与消失过程和实验中物理现象完全一致。1980年Hossain，M.S.和Rodi也曾应用k-ε标准方程来模拟分层流，未获成功，并摒弃了过去沿用的1953年Schijf和Schoenfeld建立的上下层异重流方程。本文集中提出的扩展的k-ε模式或湍流代数应力模式来确定分层流问题是成功的，这为冷却水运动研究奠定了理论基础，也是国内外分层流研究中的重大突破。
（2）浮力回流中双流体湍流模式（1989年1月）。Spalding（1984年）提出了浮力射流中双流体湍流模式，1988年1月本文作者提出了湍浮力回流中双流体模式，异于前者，第一，对双流体模型基本方法作出了新的改进，其中对相间质量交换提出了新的规律；第二，在数值解法上提出了由无滑移模型初步收敛解，再过渡到双流体的初特解法，从而大大加速收敛，节约了计算时间并容易得到稳定的解；第三，首次对浮力回流中的温跃层模拟成功。浮力回流中双流体湍流模式不仅对冷、热水而对油、水掺混的输移规律研究均有广泛应用价值。所取得预报成果与实验资料附合较好，温跃层模拟是成功的。
（3）简化的代数应力模式（1987年7月）。作者提出了与Roid不同的简化的代数应力模式，即
对浅水渠道中有水平热水出流的各向异性湍浮力回流模式进行了数值模拟，所得预报成果和实验结果较为接近。该论文中指出，代数应力模式是能较好地反映分层流和温差异重流的这类各向异性的湍流流动现象，计算简单，经济易行，是一种较为实用的模型。
（4）深度平均的k-ε及深度平均的代数应力的湍流全场水环境新模式（1991年1月、2010年9月）。作者提出的全场模式，突破了40多年来美国List.E.J.，Jirka，G.H.，德国Hossian.M.S.，Roid.W.等所研究的近区模型界限。本成果首创的论点。在于计及了速度、温度垂向分布不均匀影响的流散效应，更全面地建立了模拟热水或污染物注入大水体中掺混、扩散和输移的全场模式，成功地对陡河电厂大水域冷却水池实例进行了精细的模拟计算，其结果与原体、模型进行对比，得到了较为一致的结果。最近发展起来的这种全场模式，据流场各点当地的湍流特性确定湍流输运系数，直接解流体力学偏微分方程组，这样就不存在积分模式及扩散模式衔接等困难。据查新文献来看，堪称是一项首创性工作，对浅水域冷却水的计算也有较大实用价值。
（5）水面石油蒸发过程，有蒸发的气—水二维湍流流动的模式（1992年2月、1994年2月）。过去水面蒸发、石油蒸发的研究在水利电力工程界一直是仅仅依赖实验手段，本文用多流体模式理论及Stefan流概念开辟了油、水蒸发过程理论模拟计算新途径。将数值模拟的结果与物理模型实验资料进行对比，得到了较为满意的结果。这对海洋环境石油污染评价、冷却水水域表面散热系数计算均有重要应用价值。
（6）明渠弯道湍流流动模式（1994年5月）。本文作者根据浮力、离心力及非各向同性的雷诺应力三者间相互作用建立的明渠弯道三维环流新湍流模式。模拟计算结果与弯道实验资料作了对比，两者趋势一致。明渠弯道温差异重环流的湍流模式，在国内外同类研究中罕见，特别是通过实验与数值模拟计算，都证实了在有浮力的弯道流动中所产生的三个二次环流的形态，是属首创，这在弯道内的传热、热污染、传质、冲刷及其水环境评价方面均有重要作用。
（7）悬沙冲淤问题的代数应力湍流两相模式（2006年4月）。这是从河口悬沙冲淤问题的k-ε型湍流两相模式发展起来的，考虑了浮力、回流及旋流等影响，建立了代数应力的液—固两相流模式，适用于河口悬沙冲淤及水库泥沙异重流等工程问题的模拟计算。
（8）水环境中的生态水力学模式（2005年8月）。这模式实质上是污染物质在水环境中因物理、化学、生物作用及影响因素之间相互关系的数学描述，所以在污染物的浓度方程源项中增加了一项反应率，以研究污染物物质的降解作用，这对水环境容量的确定富有十分重要的理论和经济价值。
衷心感谢十多年来清华大学工程力学系周力行、林文漪两位教授，在模式理论及其模拟计算技术方面给予的紧密合作和真诚相助。感谢我的学生沈永明教授、王能家博士、阳昌陆博士、李振海教授级高工、邹志军博士、付云飞教授、周俊洋教授，他们在本论文集第一作者指导下为发展工程湍流的数值模拟计算作出了贡献，他们的工作充实了本论文集的内容。
真挚地感谢我国水利水电工程界老前辈、工程湍流研究的倡导者与支持者林秉南院士、教授。
最后，我要以最诚挚的态度，感谢中国水利水电科学研究院原冷却水所所长、教授陈惠泉，他以二元温差出流局部掺混实验成果，提供给“近代湍流全场的理论模式”进行验证。验证表明：所得流态、速度及温度分布与二元水槽试验结果完全一致；这种全场模式所预报的输移扩散规律，用于大水域的实际工程是可行的，也是成功的。
限于作者学识与水平，书中定会有不少疏误与不当之处，真诚期待读者指正。