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《流体力学》课程教学大纲
发布时间:2008-04-28 编辑: 浏览次数:

一、课程中文名称:流体力学

二、课程英文名称:Fluid Mechanics

三、课程编码:ZB0650425

四、课程性质:专业基础课

五、学时数、学分数、开课学期

   学时数:40    学分数:2.5学分    开课学期:第五学期

六、课程目的与要求:

《流体力学》是高等学校土木专业的一门专业技术基础课,通过本课程的学习,使员工掌握流体静力学、流体动力学的基本概念、基本原理、基本计算方法,理解相似理论与量纲分析的一般原理,掌握流动阻力与水头损失以及有压管路、孔口管嘴的分析与计算方法,掌握明渠均匀流与非均匀流的计算方法,理解堰流、闸孔出流、渗流、紊流射流与紊流扩散的基本概念与原理,并使同学们掌握一定的流体力学实验技术,学会分析、解决实际问题的方法,为学习专业课、从事技术工作、获取新知识和进行科学研究打下基础。

七、本课程与其它课程的联系:

   在学习《流体力学》之前,必须学完《高等数学》、《普通物理学》、《理论力学》、《材料力学》等学科。只有这样,员工们对有关内容,如偏导数、泰勒公式、微分方程、液体的物理特性、动能定律、动量定律、达朗贝尔原理、势函数、应力与应变等已有一定基础,在流体力学教学中主要是运用而不必再作详细讲解。

八、教学方法:

   课堂教学

九、考核方法:

   闭卷考试。平时成绩占20%,考试成绩占80%。

十、选用教材参考书目:

选用教材:刘鹤年,《流体力学》,中国建筑工业出版社,2004.7

参考书目:

1.施永生,徐向荣,《流体力学》,科学出版社,2005.9

2.赵毅山,程军,《流体力学》,同济大学出版社,2003.8

十一、教学进程安排表:

序号

章节教学内容

学时

理论

实践

合计

1

第一章 绪论

2

1

3

2

第二章 流体静力学

6

 

6

3

第三章 流体运动学

4

 

4

4

第四章 流体动力学基础

6

3

9

5

第五章 流动阻力与水头损失

4

 

4

6

第六章 孔口、管嘴出流和有压管流

4

 

4

7

第七章 明渠流动

7

 

7

8

第八章 堰流

1

 

1

9

课程总结

2

 

2

合计

 

36

4

40

 

十二、主要教学内容、重点和难点

第一章 绪论

一、学习目的

通过本章的学习,使员工了解流体力学的任务及应用领域,掌握流体的连续介质理论和流体的主要物理力学性质以及作用在流体上的力的两种形式。本章计划2学时。

二、课程内容

第一节 流体力学及其任务

(一)流体力学研究对象和方法

(二)连续介质假设

(三)流体力学与土木工程

第二节 作用在流体上的力

(一)表面力

(二)质量力

第三节 流体的主要物理性质

(一)惯性

(二)黏性

(三)可压缩性与热膨胀性

三、重点、难点提示和教学手段

(一)教学重点:

流体的连续介质模型、黏性、理想流体模型、牛顿内摩擦定律、压缩性与不可压模型、质量力与表面力。

(二)教学难点

连续介质模型、牛顿内摩擦定律、质量力与表面力。

(三)教学手段及教学环节

课堂讲授

注意问题:概念理解、记忆并能应用。

第二章 流体静力学

一、学习目的

通过本章的学习,使员工理解静水压强的特性、液体平衡微分方程,掌握水静力学的基本方程、压强的测量(相对压强),最终能熟练计算作用在平面、曲面上的静水总压力及总压力的大小、方向和作用点。本章计划6学时。

二、课程内容

第一节 静止流体中应力的特性

第二节 流体平衡微分方程

(一)流体平衡微分方程

(二)流体平衡微分方程的积分

第三节 重力场中流体静压强的分布规律

(一)液体静力学基本方程

(二)气体压强分布

(三)压强的度量

(四)测压管水头

第四节 流体的相对平衡

第五节 液体作用在平面上的总压力

(一)解析法

(二)图算法

第六节 液体作用在曲面上的总压力

(一)曲面上的总压力

(二)压力体

(三)液体作用在潜体和浮体上的总压力

三、重点、难点提示和教学手段

(一)教学重点:

静水压强的特性、液体平衡微分方程、水静力学的基本方程、作用在平面、曲面上的静水总压力及总压力的大小、方向和作用点。

(二)教学难点

液体平衡微分方程、压差计、作用在平面、曲面上的静水总压力。

(三)教学手段及教学环节

讲授——提问——讲授——习题

第三章 流体运动学

一、学习目的

通过本章的学习,使员工了解描述流体运动的两种方法,理解连续性微分方程、理想液体运动微分方程、实际流体的运动微分方程,掌握流线、迹线、过流断面、元流、总流等基本概念,恒定总流连续性方程。本章计划4学时。

二、课程内容

第一节 流体运动的描述

(一)拉格朗日法

(二) 欧拉法

(三)流体质点的加速度,质点导数

第二节 欧拉法的基本概念

(一)流动的分类

(二)流线与迹线

(三)流管、过流断面、元流和总流

(四)流量、断面平均流速

第三节 连续性方程

(一)连续性微分方程

(二)连续性微分方程对总流的积分

第四节 流体微团运动分析

(一)微团运动的分解

(二)微团运动的组成分析

(三)有旋流动和无旋流动

三、重点、难点提示和教学手段

(一)教学重点:

连续性微分方程,理想液体运动微分方程,总流连续性方程,有旋流动和无旋流动。

(二)教学难点

连续性微分方程。

(三)教学手段及教学环节

教师提问——员工思考——教师讲授

第四章 流体动力学基础

一、学习目的

通过本章的学习,使员工理解元流和总流伯努利方程的物理意义和几何意义,理解并掌握流体运动微分方程、元流的伯努利方程、恒定总流的伯努利方程、恒定总流的动量方程、无粘性流体的无旋流动。本章计划6学时。

二、课程内容

第一节 流体的运动微分方程

(一)无黏性流体的运动微分方程

(二)黏性流体的运动微分方程

第二节 元流的伯努利方程

(一)无黏性流体运动微分方程的伯努利积分

(二)元流伯努利方程的物理意义和几何意义

(三)黏性流体元流的伯努利方程

第三节 恒定总流的伯努利方程

(一)渐变流及其性质

(二)总流的伯努利方程

(三)总流的伯努利方程的物理意义和几何意义

(四)水头线

(五)总流伯努利方程应用的补充论述

第四节 恒定总流的动量方程

第五节 无粘性流体的无旋流动

(一)无黏性流体无旋流动的伯努利方程

(二)速度势函数

(三)平面流动与流函数

三、重点、难点提示和教学手段

(一)教学重点:

流体运动微分方程、恒定总流的伯努利方程、恒定总流的动量方程、无粘性流体的无旋流动。

(二)教学难点

流体的运动微分方程、元流的伯努利方程、恒定总流动量方程。

(三)教学手段及教学环节

课堂讲授

第五章 流动阻力与水头损失

一、学习目的

通过本章的学习,使员工了解实际液体的两种流动型态,流动阻力与水头损失的分类,掌握沿程损失、局部损失的分析和计算方法。本章计划4学时。

二、课程内容

第一节 流动阻力与水头损失的分类

(一)水头损失的分类

(二)水头损失的计算公式

第二节 黏性流体的两种流态

(一)两种流态

(二)雷诺数

第三节 沿程水头损失与剪应力的关系

(一)均匀流动方程式

(二)圆管过流断面上剪应力分布      

(三)壁剪切速度

第四节 圆管中的层流运动

(一)流动特征

(二)流速分布

(三)沿程水头损失的计算

第五节 紊流运动

(一)紊流的特征与时均化

(二)紊流的剪应力

(三)黏性底层

第六节 紊流的沿程水头损失

(一)尼古拉兹实验

(二)速度分布

(三)λ的半经验公式

(四)阻力区的判别

(五)工业管道和柯列勃洛克公式

(六)沿程摩阻系数的经验公式

(七)非圆管的沿程损失

第七节 局部水头损失

(一)局部水头损失的一般分析

(二)几种典型的局部水头损失系数

(三)局部阻碍之间的相互干扰

第八节 边界层概念与绕流阻力

三、重点、难点提示和教学手段

(一)教学重点:

实际液体的两种流动型态的判别,均匀流的基本方程,圆管层流与紊流的流速分布、沿程阻力系数及沿程水头损失的计算,局部水头损失的计算。

(二)教学难点

圆管层流与紊流的流速分布,紊流沿程阻力系数的计算。

(三)教学手段及教学环节

讲授——提问——讲授——习题

第六章 孔口、管嘴出流和有压管流

一、学习目的

通过本章的学习,使员工了解恒定孔口出流、管嘴出流、非恒定孔口管嘴出流的流量计算公式;掌握短管、简单长管、串联并联长管、沿程均匀泄流的水力计算方法,理解有压管路中水击产生的原因。本章计划4学时。

二、课程内容

第一节 孔口出流

(一)薄壁小孔口恒定出流

(二)孔口的变水头出流

第二节 管嘴出流

(一)圆柱形外管嘴恒定出流

(二)收缩断面的真空

(三)圆柱形外管嘴的正常工作条件

第三节 短管的水力计算

(一)基本公式

(二)水力计算问题

第四节 长管的水力计算

(一)简单管道

(二)串联管道

(三)并联管道

(四)沿程均匀泄流管道

第五节 有压管道中的水击

三、重点、难点提示和教学手段

(一)教学重点:

恒定孔口出流、管嘴出流、非恒定孔口管嘴出流的流量计算,短管、长管的水力计算。

(二)教学难点

串联、并联长管的水力计算。

(三)教学手段及教学环节

讲授——提问——讲授

第七章 明渠流动

一、学习目的

通过本章的学习,使员工理解水力最优断面及允许流速的基本概念,掌握明渠均匀流各类问题的水力计算方法。理解明渠非均匀流中断面单位能量、临界水深等的基本概念,掌握恒定明渠流其流动状态的判别方法,能进行水面曲线的分析与绘制。本章计划8学时。

二、课程内容

第一节 概述

(一)明渠流动的特点

(二)底坡

(三)棱柱形渠道与非棱柱形渠道

第二节 明渠均匀流

(一)明渠均匀流形成的条件及特征

(二)过流断面的几何要素

(三)明渠均匀的基本公式

(四)明渠均匀流的水力计算

(五)水力最优断面和允许流速

第三节 无压圆管均匀流

(一)无压圆管均匀流的特征

(二)过流断面的几何要素

(三)无压圆管的水力计算

(四)输水性能最优充满度

(五)最大充满度、设计流速

第四节 明渠流动状态

(一)微幅干扰波波速,弗劳德数

(二)断面单位能量,临界水深

(三)临界底坡

第五节 水跃和水跌

第六节 棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线的分析

(一)棱柱形渠道非均匀渐变流微分方程

(二)水面曲线的分析

(三)水面曲线的分析总结

三、重点、难点提示和教学手段

(一)教学重点:

明渠均匀流的基本计算公式及水力计算,水力最优断面及允许流速,无压圆管均匀流的水力计算。断面单位能量、临界水深、恒定明渠流其流动状态的判别方法,水面曲线的分析与绘制。

(二)教学难点

水力最优断面条件,无压圆管均匀流水力计算。临界水深、恒定明渠流其流动状态的判别方法,水面曲线的分析与绘制。

(三)教学手段及教学环节

讲授——提问——讲授

第八章 堰流

一、学习目的

通过本章的学习,使员工了解薄壁堰、实用堰、宽顶堰的基本功能与用途。本章计划1学时。

二、课程内容

第一节 堰流及其特征

(一)堰和堰流

(二)堰的分类

第二节 宽顶堰溢流

第三节 薄壁堰和实用堰溢流

三、重点、难点提示和教学手段

(一)教学重点:

堰是如何分类的。

(二)教学难点

堰的流量系数的计算。

(三)教学手段及教学环节

课堂讲授

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