《流體力學(xué)4》課程教學(xué)大綱

流體力學(xué)4編碼：ME04014Code:ME04014課程名稱(chēng)：流體力學(xué)CourseTitle:FluidMechanics課程類(lèi)別：學(xué)類(lèi)核心 Coursecategory:CoreCoursesinGeneralCategory學(xué)分：3 Credit（s）:3開(kāi)課單位：機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院OfferingCollege/School:CollegeofMechanical&VehicleEngineering課程描述：本課程是為能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。前導(dǎo)課程包括高等數(shù)學(xué)，大學(xué)物理等。本課程的任務(wù)是系統(tǒng)介紹流體的力學(xué)性質(zhì)、流體力學(xué)的基本概念、基礎(chǔ)理論和常用分析方法、有關(guān)的工程應(yīng)用等，為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程，如汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)、泵與風(fēng)機(jī)、汽車(chē)空調(diào)等，打下必不可少的基礎(chǔ)。本課程主要內(nèi)容包括流體的定義與性質(zhì)，流體靜力學(xué)，流體運(yùn)動(dòng)學(xué)，流體動(dòng)力學(xué)，相似原理與量綱分析，理想流體運(yùn)動(dòng)分析，不可壓縮粘性流體的內(nèi)部流動(dòng)，不可壓縮粘性流體的外部流動(dòng),可壓縮流體的流動(dòng)，水力管道分析等。學(xué)生需要了解基本的流體力學(xué)概念，掌握流體力學(xué)基本理論和基本控制方程，了解粘性流動(dòng)的特殊性，了解流體力學(xué)在工程方面的應(yīng)用，學(xué)會(huì)利用基礎(chǔ)理論去解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單流體力學(xué)問(wèn)題的分析和求解能力，掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能，為今后學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程，從事相關(guān)的工程技術(shù)和科學(xué)研究工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；Coursedescription:ThiscourseisoneofthecorecoursesinSpecializedEducationforstudentswhomajorinEnergyandPowerengineering.Thepre-requiredcoursedincludeAdvancedMathmatics,AdvancedPhysicsetc.Thedutiesofthiscoursearetosystematicintroducethemechanicalcharacteristicsoffluid,basicconceptsandtheories,commonanalysismethodandengineeringapplicationoffluid,,thuslayingasolidfoundationfortheirstudyoffollow-upcoursessuchasaerodynamicsofgroundvehicle,pumpsandfans,vehicleairconditionetc.Themaincontentsofthiscoursearethedefinitionandcharacteristicsoffluid,fluidstatics,fluidkinematics,fluiddynamics,similaritytheoryanddimensionalanalysis,idealfluidanalysis,internalflowofuncompressibleviscousflow,externalflowofuncompressibleviscousflow,compressibleflow,hydraulicpipeanalysisetc.Thestudentsisneededtoknowthebasicconceptsoffluid,understandthebasictheoryandcontrolequationsoffluid,knowthespecialviscousflow,knowtheapplicationoffluidinengineeringproblemandsolvetheproblem.Thestudyofthiscoursedevelopsthestudents’abilitytoanalyzeandsolvepracticalfluidproblems,tograspnecessaryexperimentskills,andtoapplythebasicfluidknowledgeinengineeringpracticeandscientificresearch.課程內(nèi)容（一）課程教學(xué)目標(biāo)工程流體力學(xué)是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其研究?jī)?nèi)容是流體處于平衡及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律，以及這些規(guī)律在工程實(shí)際中的應(yīng)用。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備以下能力：1、具備解決復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題所需的流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基礎(chǔ)理論及應(yīng)用能力（畢業(yè)要求1）。2、具備解決復(fù)雜工程流動(dòng)問(wèn)題所需的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)技能、分析數(shù)據(jù)和解決問(wèn)題的能力（畢業(yè)要求2）。3、通過(guò)分析復(fù)雜工程問(wèn)題的影響因素，利用所學(xué)基礎(chǔ)理論，設(shè)計(jì)合理的流道結(jié)構(gòu)，論證方案的可行性，降低阻力提高效率。（畢業(yè)要求3）。（二）基本教學(xué)內(nèi)容緒論教學(xué)目的：緒論主要介紹流體力學(xué)的研究對(duì)象、研究?jī)?nèi)容和應(yīng)用、研究方法，流體力學(xué)的發(fā)展史與現(xiàn)代科學(xué)中的應(yīng)用。通過(guò)本章的教學(xué)，要求學(xué)生了解流體力學(xué)在本學(xué)科及相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的地位和作用，流體力學(xué)的發(fā)展歷史、趨勢(shì)及新興學(xué)科，培養(yǎng)同學(xué)們對(duì)流體力學(xué)的興趣與愛(ài)好，明確本課程的學(xué)習(xí)目的與學(xué)習(xí)要求。教學(xué)重點(diǎn)：用生動(dòng)的圖例、動(dòng)畫(huà)展示流體力學(xué)的實(shí)際運(yùn)用，使同學(xué)們總體了解流體力學(xué)的魅力。相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3教學(xué)內(nèi)容：1流體力學(xué)研究的內(nèi)容和方法；2流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史；3流體力學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)中的應(yīng)用；4課程的性質(zhì)、目的與學(xué)習(xí)要求。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)1學(xué)時(shí)第一章流體及其物理性質(zhì)教學(xué)目的：第一章主要涉及到流體的力學(xué)定義和特征、流體的基本物理性質(zhì)和液體的表面性質(zhì)。通過(guò)本章的教學(xué)，要求學(xué)生了解流體力學(xué)在本學(xué)科及相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的地位和作用，培養(yǎng)同學(xué)們對(duì)流體力學(xué)的興趣與愛(ài)好，掌握流體與固體的典型區(qū)別，深刻理解連續(xù)介質(zhì)模型，了解流體的主要物理性質(zhì)，掌握不可壓縮流體和可壓縮流體的定義，流體粘性的定義，理想流體與粘性流體的區(qū)別，了解流體的表面張力及毛細(xì)現(xiàn)象，能夠正確應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律分析解決液膜條件下流體的運(yùn)動(dòng)及及其與固體間的相互作用問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)：正確理解流體的定義、特征及連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)；把握液體的特性及主要物理參數(shù)（密度、比體積等）；重點(diǎn)掌握粘性和牛頓內(nèi)摩擦定律的有關(guān)概念；了解液體的表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象。教學(xué)難點(diǎn)：連續(xù)介質(zhì)的模型；流體的粘性的定義、原因及影響因素；牛頓內(nèi)摩擦定律；表面張力等以前未曾接觸的新概念。相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3,教學(xué)內(nèi)容：1-1流體的定義和特征；1-2流體的連續(xù)介質(zhì)模型；1-3流體的密度、重度、比體積與相對(duì)密度；1-4流體的熱膨脹性和可壓縮性；1-5流體的粘性；1-6表面張力及毛細(xì)現(xiàn)象。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)3學(xué)時(shí)第二章、流體靜力學(xué)教學(xué)目的：本章主要講授的是流體靜力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。通過(guò)本章的教學(xué)，要求同學(xué)要學(xué)會(huì)分析作用在流體上的力，理解流體的靜壓強(qiáng)及特性；掌握流體平衡微分方程、靜力學(xué)基本方程的推導(dǎo)過(guò)程，會(huì)使用重力作用下流體靜壓強(qiáng)的基本公式求解任意點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)；了解等壓面，絕對(duì)壓強(qiáng)與相對(duì)壓強(qiáng)，水頭與單位勢(shì)能等基本概念；了解壓強(qiáng)測(cè)量的計(jì)式及測(cè)量方法；掌握流體在非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中液面等壓面的形狀和內(nèi)部的壓強(qiáng)分布的規(guī)律；能利用基本公式求解作用于平面上和曲面上的靜水總壓力的大小，方向及其作用點(diǎn)（總力矩）。教學(xué)重點(diǎn)：流體處于平衡狀態(tài)的條件和靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律、流體平衡微分方程式、流體靜力學(xué)基本方程式；流體在等加速水平運(yùn)動(dòng)和等角速度旋轉(zhuǎn)下自由表面方程的計(jì)算和壓強(qiáng)分布；靜流體對(duì)壁面的壓力計(jì)算（包括任意平面和曲面用公式的計(jì)算及矩形平面用圖解法的計(jì)算）。教學(xué)難點(diǎn)：靜止流體平衡微分方程的建立；靜力學(xué)基本方程的推導(dǎo)和應(yīng)用；靜止流體對(duì)壁面的壓力計(jì)算，壓力體的概念。相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3教學(xué)內(nèi)容：2-1作用在流體上的力和流體靜壓強(qiáng)及其特性；2-2流體平衡微分方程式；2-3流體靜力學(xué)基本方程式；2-4液柱式測(cè)壓計(jì)；2-5流體在非慣性坐標(biāo)系中的相對(duì)平衡；2-6靜止流體對(duì)壁面的壓力。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)6學(xué)時(shí)，小班討論2學(xué)時(shí)第三章、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)目的：本章主要討論流體運(yùn)動(dòng)的描述方法即流體運(yùn)動(dòng)的一些基本概念。以及粘性流體的流動(dòng)形態(tài)即分類(lèi)和流體的流動(dòng)分類(lèi)等基本概念。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，同學(xué)們要能夠了解流場(chǎng)的概念及其描述方法；了解流體運(yùn)動(dòng)的基本概念及其區(qū)別；能夠根據(jù)雷諾數(shù)來(lái)對(duì)流體流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行判定；了解流體的定常、非定常和不同維度的流動(dòng)狀態(tài)的劃分。教學(xué)重點(diǎn)：歐拉法、拉格朗日法描述流體運(yùn)動(dòng)的思想；流線和跡線的概念；恒定流與非恒定流、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流的定義及其區(qū)別；根據(jù)雷諾數(shù)來(lái)對(duì)流體層流和湍流的兩種不同流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行判定；教學(xué)難點(diǎn)：運(yùn)用歐拉法、拉格朗日法對(duì)流體進(jìn)行描述；流線、跡線的定義、聯(lián)系與區(qū)別。相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3教學(xué)內(nèi)容：3-1流場(chǎng)及其描述方法；3-2流體流動(dòng)的基本參數(shù)；3-3粘性流體的流動(dòng)形態(tài)；3-4流體的流動(dòng)狀態(tài)。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)2學(xué)時(shí)第四章、流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)目的：本章講述流體動(dòng)力學(xué)的基本理論及工程應(yīng)用，涉及到較多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，概念多，容易混淆，而且與實(shí)際聯(lián)系密切，是本課程的重中之重。所以，同學(xué)們必須講清楚每一概念及各概念之間的聯(lián)系和區(qū)別，掌握三大守恒定律在流體上的應(yīng)用。要求能夠理解系統(tǒng)與控制體的區(qū)別，掌握雷諾輸運(yùn)定理；掌握連續(xù)性方程、理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程式及其積分（歐拉運(yùn)動(dòng)方程式）的推導(dǎo)及物理意義；牢固掌握流體運(yùn)動(dòng)的總流分析法，能夠比較靈活地綜合運(yùn)用連續(xù)方程式，能量方程式（伯努利方程式）和動(dòng)量方程式計(jì)算總流問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)：系統(tǒng)與控制體的概念，雷諾輸運(yùn)定理的推導(dǎo)；流體三大守恒方程式（質(zhì)量、能量、動(dòng)量）的微觀、積分表達(dá)式、物理意義及應(yīng)用，特別是伯努利方程，要徹底理解方程式的推導(dǎo)、存立條件、各項(xiàng)的流體力學(xué)意義，即其幾何和物理意義。教學(xué)難點(diǎn)：雷諾輸運(yùn)定理；準(zhǔn)確理解連續(xù)方程、動(dòng)量方程與動(dòng)量矩方程、能量方程的推導(dǎo)過(guò)程；熟練掌握伯努利方程及其應(yīng)用。相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3教學(xué)內(nèi)容：4-1系統(tǒng)與控制體；4-2輸運(yùn)公式；4-3流體流動(dòng)的連續(xù)性方程；4-4理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程；4-5理想流體微元流束的努伯利方程；4-6努伯利方程的應(yīng)用；4-7動(dòng)量方程；4-8動(dòng)量矩方程；4-9實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)微分方程。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)8學(xué)時(shí)，小班討論2學(xué)時(shí)第五章、量綱分析與相似原理教學(xué)目的：量綱分析與相似原理是知道和分析實(shí)驗(yàn)的重要方法，通過(guò)量綱分析和相似原理可以合理的、正確的組織實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)以及整理實(shí)驗(yàn)成果。因此，通過(guò)本章的學(xué)習(xí)同學(xué)們要達(dá)到：理解基本量綱、導(dǎo)出量綱、無(wú)量綱量、量綱的和諧原理及其分析方法；掌握π定理；掌握流動(dòng)相似的基本概念；動(dòng)力相似準(zhǔn)則及理解模型設(shè)計(jì)的基本方法；能應(yīng)用量綱和諧原理進(jìn)行量綱分析；理解幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、初始與邊界條件相似的基本概念；掌握各種動(dòng)力相似準(zhǔn)則，特別是重力相似準(zhǔn)則、粘性力相似準(zhǔn)則；能靈活應(yīng)用相似原理進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。教學(xué)重點(diǎn)：量綱的概念，基本量綱及導(dǎo)出量綱；量綱分析法及π定理；流體流動(dòng)的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似及動(dòng)力相似準(zhǔn)則；流動(dòng)相似原理；基本相似準(zhǔn)則數(shù)。教學(xué)難點(diǎn)：相似原理和量綱分析法是以前未曾接觸過(guò)的，但它們是最基本的試驗(yàn)研究的理論處理方法，必須熟練掌握。相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3教學(xué)內(nèi)容：5-1量綱分析；5-2相似的概念；5-3相似原理及相似準(zhǔn)則數(shù)；5-4近似?；瘜?shí)驗(yàn)。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)2學(xué)時(shí)第六章、不可壓縮流體的理想流動(dòng)教學(xué)目的：本章主要講解不可壓縮流體的理想流動(dòng)中的優(yōu)選流動(dòng)的一些基本概念。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)同學(xué)們要掌握理想流體運(yùn)動(dòng)有旋運(yùn)動(dòng)的基本概念（渦線，渦管，渦束等）；能正確判斷理想流體的二維和三維流體流動(dòng)中的有旋與無(wú)旋問(wèn)題；掌握速度勢(shì)函數(shù)、流函數(shù)及兩者關(guān)系；明確幾種基本平面勢(shì)流及勢(shì)流的疊加方法。教學(xué)重點(diǎn)：有旋無(wú)旋的概念；渦線、渦管的概念；流函數(shù)的定義及特性，勢(shì)函數(shù)的定義及特性；勢(shì)函數(shù)的疊加求解。教學(xué)難點(diǎn)：勢(shì)函數(shù)、流函數(shù)的定義及流場(chǎng)的求解相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3教學(xué)內(nèi)容：6-1理想流體的有旋運(yùn)動(dòng)；6-2速度勢(shì)，流函數(shù)，流網(wǎng)；6-3基本平面勢(shì)流；6-4基本平面勢(shì)流的疊加。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)4學(xué)時(shí)第七章、不可壓縮粘性流體的內(nèi)部流動(dòng)教學(xué)目的：通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，同學(xué)需要確定粘性流體的能量方程（如粘性流體總流能量方程，分流與合流時(shí)粘性流體的能量方程等）；正確理解沿程阻力和局部阻力的物理概念；掌握?qǐng)A管層流，平板層流公式的推導(dǎo)，熟悉其流速、切應(yīng)力分布、流量分析以及沿程損失系數(shù)的計(jì)算；掌握?qǐng)A管湍流沿程阻力系數(shù)的函數(shù)關(guān)系式、它的速度分布與沿程損失計(jì)算；了解普朗特混合長(zhǎng)度理論；熟悉尼古拉茲實(shí)驗(yàn)及莫迪圖；理解局部阻力的理論推導(dǎo)及計(jì)算；掌握總能量損失與伯努利方程的聯(lián)合求解。教學(xué)重點(diǎn)：圓管層流，平板層流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圓管湍流，普朗特混合長(zhǎng)度理論，莫迪圖，沿程損失、局部損失，管內(nèi)流動(dòng)能量損失的計(jì)算。教學(xué)難點(diǎn)：圓管層流、圓管湍流的特點(diǎn)、計(jì)算；沿程損失、局部損失的理論推導(dǎo)計(jì)算及與守恒方程的聯(lián)合求解。相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3教學(xué)內(nèi)容：7-1管內(nèi)流動(dòng)的能量損失；7-2流動(dòng)阻力；7-3圓管內(nèi)流層；7-4平板間的層流；7-5管內(nèi)湍流；7-6沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)6學(xué)時(shí)，小班討論2學(xué)時(shí)第八章、不可壓縮粘性流體的外部流動(dòng)教學(xué)目的：本章主要針對(duì)自然界和工程實(shí)際中存在著的大量的流體繞物體流動(dòng)現(xiàn)象，在邊界層的基本概念的基礎(chǔ)上對(duì)粘性流體繞流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析討論。要求學(xué)生要了解邊界層的定義與基本特征；重點(diǎn)掌握邊界層的動(dòng)量積分方程，掌握繞平板流動(dòng)邊界層的近似計(jì)算與曲面流動(dòng)邊界層的分離現(xiàn)象；了解繞流阻力與升力。教學(xué)重點(diǎn)：邊界層動(dòng)量積分方程；平板流動(dòng)（層流動(dòng)，湍流動(dòng)，混合）邊界層的近似計(jì)算；邊界層的分離；形狀阻力、摩擦阻力及總阻力。教學(xué)難點(diǎn)：繞平板流動(dòng)邊界層的近似計(jì)算，邊界層的分離，形狀阻力。相應(yīng)畢業(yè)要求：1,2,3教學(xué)內(nèi)容：8-1邊界層；8-2邊界層的動(dòng)量積分方程；8-3繞平板流動(dòng)邊界層的近似計(jì)算；8-4繞曲面流動(dòng)及邊界層的分離；8-5繞流阻力及升力。學(xué)時(shí)分配：課堂教學(xué)4學(xué)時(shí)第九章、可壓縮流體的流動(dòng)教學(xué)目的：本章主要介紹可壓縮流體動(dòng)力學(xué)的一些最基本知識(shí)，要求同學(xué)掌握可壓縮流體一元恒定流動(dòng)的基本方程；正確理解壓力波的傳播、聲速和馬赫數(shù)的概念；掌握完全氣體一元等熵恒定流動(dòng)、滯止?fàn)顟B(tài)、臨界狀態(tài)及極限速度；了解可壓縮流體在變截面管中的流動(dòng)。教學(xué)重點(diǎn)：音速、馬赫數(shù)的概念，氣體一元等熵流動(dòng)的特性，滯止參數(shù)、臨界參數(shù)；激波。教學(xué)難點(diǎn)：氣體一元等熵流動(dòng)的特性、激波及相關(guān)計(jì)算。相應(yīng)