《流體力學3》課程教學大綱

流體力學3編碼：EM04032Code:EM04032課程名稱：流體力學CourseTitle:FluidMechanics課程類別：學類核心 Coursecategory:CoreCoursesinGeneralCategory學分：4 Credit（s）:4開課單位：機械與運載工程學院OfferingCollege/School:CollegeofMechanical&VehicleEngineering課程描述：本課程主要包括流體的平衡、流體力學的基本方程、不可壓縮無粘流動、渦旋運動、平面勢流等，強調(diào)應用這些基本概念及定律分析與流體力學相關(guān)的工程問題，學生需了解流體力學的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，理解流體力學中的基本概念、基本理論及基本定律，掌握流體力學的實驗、分析與數(shù)值計算的基本技能與基本方法，并能靈活運用這些基本概念及定律分析與流體力學相關(guān)的工程問題。通過學習本課程，讓學生學會流體力學基本理論，獲得解決流體工程問題的基本技能，鍛煉和提升對復雜的流體工程問題進行簡化，從而建立數(shù)學模型并進行求解的能力。Coursedescription:Thisisabasiccourseformajorsofengineeringmechanics,aimingatstudents’physicalconceptsandbasicprinciplescommonlyusedtoanalyzeengineeringproblemsrelatedtofluidmechanics,thuslayingasolidfoundationfortheirresearchanddesigninaerospace,mechanical,civil,chemical,environmentalandocean.Theapplicationsofthedimensionalandorderanalysismethodinengineeringareemphasizedinthiscourse.Thestudyofthiscoursedevelopsthestudents’abilitytosimplifythecomplexproblems,presentandsolvethemathematicmodelofrelatedengineeringproblems.Themaincontentsofthiscoursearethebasicequationsoffluidmechanics,incompressiblein-viscidflow,themotionofvortex,dimensionalanalysis,incompressibleviscidflow.Prerequisites:AdvancedMathematics,MathematicsPhysicsEquation,FieldTheory，TheoreticalMechanics，MechanicsofMaterials.課程內(nèi)容課程教學目標設置本課程是為了讓工程力學專業(yè)的學生對工程力學專業(yè)知識體系的重要組成板塊之一的流體力學進行較為系統(tǒng)的學習，并深度掌握與理解，具備應用流體力學的基本知識和基本理論分析解決生產(chǎn)實際工程問題的能力。本課程對學生達到畢業(yè)要求有如下貢獻：1.知曉流體力學的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，應用流體力學及其軟件在機械、土木、航空航天和材料等工程領域解決與流體相關(guān)的技術(shù)問題（畢業(yè)要求1）；2.具備對復雜的流體工程問題進行簡化、建立數(shù)學模型并進行求解的能力（畢業(yè)要求2）；3.具有針對復雜工程問題中的流體系統(tǒng)進行流體力學計算和技術(shù)設計的能力（畢業(yè)要求2）；4.具有針對復雜流體工程問題開展實驗研究的能力（畢業(yè)要求3）；5.了解和初步掌握流體力學現(xiàn)代計算技術(shù)，進行流體力學問題的仿真計算（畢業(yè)要求3）?；窘虒W內(nèi)容緒論教學目的：掌握流體力學的研究方法、流體力學中常用的數(shù)學基礎知識。教學重點：流體的三大研究方法：實驗方法、分析方法、數(shù)值計算；數(shù)學基礎知識。教學難點：三大研究方法之間的關(guān)系、數(shù)學基礎知識。相應畢業(yè)要求:1教學內(nèi)容：三大研究方法的主要特點、流體力學的研究對象、特點及學習方法、流體力學常用的數(shù)學知識。學時分配：2課時。第一章、流體的物理性質(zhì)和物理運動物理量的描述教學目的：掌握流體的定義和物理特性，用于流體力學研究的基本簡化假設；描述流體的兩者方法；流體的運動分解。教學重點：流體的三大特征；流體的連續(xù)介質(zhì)假設；描述流體運動的歐拉方法和拉格朗日方法。教學難點：連續(xù)介質(zhì)假設；牛頓內(nèi)摩擦定律；表面張力。相應畢業(yè)要求：2、3教學內(nèi)容：流體的定義與主要特征、流體的主要物理性質(zhì)、流體的連續(xù)介質(zhì)模型、流體運動分析及其描述流體的方法、跡線與流線、質(zhì)量力與表面力、應力張量。學時分配：6課時。第二章、流體的平衡教學目的：掌握流體力學的基本概念，流體靜壓強的分布規(guī)律，壓強的計量基準和計量單位，了解液柱測壓計的工作原理，掌握作用在平面和曲面上的流體總壓力的特性和計算、流體在慣性坐標系中平衡。教學重點：流體靜壓強及其特性、流體靜力學基本方程及其應用、液體在非慣性坐標系中的相對平衡、靜止液體作用在平面和曲面上的總壓力、歐拉平衡方程。教學難點：流體的相對平衡、平面和曲面上的流體總壓力計算、流體中物體所受壓強合力的計算。相應畢業(yè)要求：2、3教學內(nèi)容：作用在流體上的力、流體平衡微分方程、流體的靜力學基本方程、流體靜壓強特性及其分布規(guī)律、液體在非慣性坐標系中的相對平衡、靜止液體作用在壁面上的總壓力。學時分配：6課時。第三章、流體運動的基本方程組教學目的：掌握流體系統(tǒng)與控制體的概念、流體力學基本方程組。教學重點：應用六面體建立微分形式的流體力學基本方程組。教學難點：雷諾輸運定理、微分形式和積分形式的流體力學方程組。相應畢業(yè)要求：2、3教學內(nèi)容：系統(tǒng)與控制體、雷諾輸運方程、連續(xù)性方程、運動方程、能量方程、初始條件與邊界條件、流體力學的理論模型、基本方程組的工程應用。學時分配：8課時。第四章、流體的積分關(guān)系式及其應用教學目的：掌握積分形式的流體力學的基本方程：連續(xù)性方程、伯努利方程、拉格朗日積分、能量方程、動量方程和角動量方程的推導及其工程應用。教學重點：蘭姆----葛羅米柯方程簡化為伯努利與拉格朗日積分；積分形式流體力學方程組的應用。教學難點：無粘性流體運動方程的簡化、拉格朗日與伯努利積分及其應用、動量定理的應用、動量矩定理的應用。相應畢業(yè)要求：2、3教學內(nèi)容：無粘性流體運動方程的簡化、流體流動的連續(xù)性方程、拉格朗日與伯努利方程及其應用、動量定理、角動量定理積分形式的守恒方程、定常歐拉運動微分方程的積分求解。學時分配：8課時。第五章、流體的渦旋運動教學目的：掌握流體渦旋運動的基本概念和運動性質(zhì)、渦旋所感生的流體運動公式，產(chǎn)生渦旋的原因和與描述渦旋運動相關(guān)定理與理論。教學重點：渦旋運動的基本概念和渦量輸運方程、渦旋運動的性質(zhì)、渦對、卡門渦街、蘭金組合渦的分析。教學難點：渦旋運動的產(chǎn)生、擴散及衰減渦旋運動的速度場、以開爾文和亥姆霍茲表示的渦線、渦面和渦管的保持性。相應畢業(yè)要求：2、3教學內(nèi)容：渦旋運動的基本概念和運動性質(zhì)、渦旋運動的基本概念和渦量輸運方程、渦旋運動的性質(zhì)、渦線、渦面和渦管的保持性、渦對、卡門渦街、蘭金組合渦的分析。學時分配：8課時。第六章、無粘性不可壓縮粘性流體的無旋流動教學目的：掌握速度勢函數(shù)及基本方程組、平面運動的流函數(shù)、平面運動的復勢、掌握二種求復勢函數(shù)的方法：奇點法疊加法、鏡像法教學重點：平面運動的流函數(shù)、平面運動的復勢、求復勢函數(shù)的方法。教學難點：速度勢函數(shù)及基本方程組、求復勢函數(shù)的方法、平面運動的求解流函數(shù)的拉普卡斯方程、柱體的繞流的受力及其達朗伯佯謬。相應畢業(yè)要求：2、3教學內(nèi)容：速度勢函數(shù)及基本方程組、平面運動的流函數(shù)、平面運動的復勢、掌握二種求復勢函數(shù)的方法：奇點法疊加法、鏡像法、平面運動的求解流函數(shù)的拉普卡斯方程、柱體的繞流的受力及其達朗伯佯謬、粘性流體繞流物體的阻力。學時分配：8課時。第七章、量綱分析與相似原理教學目的：理解相似概念、相似準則及模型試驗，了解量綱分析法。教學重點：相似準則、相似準數(shù)、模型試驗。教學難點：流動的相似概念、五個相似準數(shù)、量綱分析及定理的應用。相應畢業(yè)要求：2、3教學內(nèi)容：量綱分析、相似原理、模型實驗。學時分配：4課時。第八章、不可壓縮粘性流體的內(nèi)部流動教學目的：掌握粘性流體的能量方程；正確理解沿程阻力和局部阻力的物理概念；掌握圓管層流運動規(guī)律，熟悉其流速、切應力分布、流量計算以及沿程損失系數(shù)的計算；掌握圓管湍流沿程阻力系數(shù)、速度分布與沿程損失計算；了解普朗特混合長度理論；熟悉尼古拉茲實驗及莫迪圖；理解局部阻力的理論推導及計算；掌握總能量損失與伯努利方程的聯(lián)合求解。教學重點：圓管層流，平板層流的運動規(guī)律，圓管湍流，普朗特混合長度理論，莫迪圖，沿程損失、局部損失，管流中能量損失規(guī)律。教學難點：圓管層流、圓管湍流的特點、計算；沿程損失、局部損失的理論推導計算及與守恒方程的聯(lián)合求解。相應畢業(yè)要求：2、3教學內(nèi)容：管內(nèi)流動的能量損失；流動阻力；圓管內(nèi)流層；平板間的層流；管內(nèi)湍流；沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)。學時分配：6課時?？己朔绞奖菊n程考核采用閉卷考試的形式期評成績占比：1.平時成績一（考勤、課堂討論）占20%2.平時成績二（作業(yè)、實驗）占30%3.期末考試成績（閉卷）占50%實驗成績由實驗老師評定給分。持續(xù)改進方法1、采用先進的教學手段、方法和教學理念。2、各章節(jié)布置一定量的習題。3、學生自學較容易理解的章節(jié)，分組準備材料并小組課堂派人主講，討論，章節(jié)自我總結(jié)。4、對重點、難點內(nèi)容安排小班討論課。5、課后對疑難問題安排答疑。6、教學環(huán)節(jié)中結(jié)合工程應用實例講授。教材及參考書教材：流體力學（周光坰），高等教育出版社參考書：流體力學（吳望一），北京大學出版社水力學（清華大學水力學教研組編），高等教育出版社工程流體力學（侯國祥、孫江龍等），機械工業(yè)出版社工程流體力學（孫文策），大連理工大學出版社工程流體力學（楊小龍、孫石等），中國水利水電出版社授課手段（教學方法）本課程的課堂教學以課堂多媒體演示和板書結(jié)合的方式進行講授。以課堂教學（含小班討論）為主，結(jié)合學生自學、章節(jié)自我總結(jié)、主題發(fā)言與討論、實驗教學等開展多種方式教學。課堂教學主要講解流體力學的基本概念、基本理論以及基本分析方法，并將自然現(xiàn)象、日常生活中遇到的流體力學問題以及工程中的流體力學問題等融入基本理論的教學，使學生更好地熟悉或掌握流體力學的基本理論，提高學生對流體力學的學習興趣、熟悉流體力學的理論體系、思維方式和研究方法。課堂教學盡量引入互動環(huán)節(jié)，使學生能更好地融入課堂教學，提高教學效果。小班討論主要是以與課堂教學重要內(nèi)容相關(guān)的工程問題為基礎，圍