《流体力学Ⅲ》课程教学大纲

1、流体力学课程教学大纲Fluid mechanics 一、课程基本信息课程名称流体力学课程代码CB163035课程性质ð通识课程/ð学科（专业）基础课程/专业课/ð专业拓展课程/ð文化素质教育课程学 分2.0总学时32理论学时32实验学时 0先修课程高等数学工程力学 后续课程开课单位建筑工程学院适用专业环境工程主要教学资料选用的教材：1 刘鹤年，流体力学，中国建筑工业出版社，2004年07月，第二版。主要参考书：1 龙天渝，流体力学，中国建筑工业出版社，2004年05月，第一版。2 郭维东，流体力学，中国农业出版社，2008年05月，第一版。撰稿人审核人二

2、、教学目标（一）知识目标 ：流体力学是土木工程专业的一门专业课。主要使学生掌握流体力学的基本理论、基本计算方法、基本实验技能以及在工程实际中的初步应用。课程通过由浅入深的介绍流体基本概论及力学特性；并从整体设计出发全面介绍流体静力学、运动学和动力学特性及工程实际的力学分析方法和关键问题。（二）能力目标：通过本课程的系统学习，使学生掌握流体力学的基本概论，掌握流体运动过程中的力学特性及计算方法，并具有对土木工程学科中遇到的实际问题进行优化设计的初步能力。（三）素质目标：通过本课程的学习，为学生毕业后从土木工程、道路及桥梁建筑水工设计等工作打好理论基础。三、基本要求（一）了解本课程与其它相关课程之

3、间的关系；了解流体静力学、运动学及动力学的基本概论。（二）理解流体力学中恒定流和均匀流的的应用范围，理解流体空间力学分析方法及流体力学相似原理的应用条件。（三）掌握流体的能量方程及动量方程；掌握自由出流和淹没出流的计算方法；掌握短管和长管的水力计算；掌握工程实际中的明渠和堰流的设计方法。四、教学内容与学时分配第一章 概论 2学时第一节 流体力学及其任务 0.5学时知识点：流体力学的定义、分析方法及学科的发展方向。第二节 作用在流体上的力 0.5学时知识点：流体力学的作用力第三节 流体的主要物理性质 0.5学时知识点：流体的主要性质，如黏性、惯性及热涨性等。第四节 牛顿流体和非牛顿流体 0.5学

4、时知识点：工程实际中的牛顿流体和非牛顿流体。本章小结：本章主要介绍了流体力学的基本概念及力学性质，从整体上讲述流体的相关性质及工程中存在的实际流体的黏性。重点：流体力学及其任务、流体的主要物理性质、牛顿流体和非牛顿流体。难点：牛顿流体和非牛顿流体。思考题：牛顿流体和非牛顿流体的性质有哪些？建议教学方法：课堂讲授。 第二章 流体静力学 4学时第一节 静止流体中应力的特性 0.5学时知识点：流体在静止条件下的应力特性。第二节 流体平衡微分方程 0.5学时知识点：在重量场中流体达到平衡的微分方程及等压面特性。 第三节 重力场中流体静压强的分布规律 1学时知识点：流体静力学基本方程及计算方法；气体压强

5、分布及压强的度量方法；测压管水头特性。第四节 液体作用在平面上的总压力 1学时知识点：解析法和图解法。第五节 液体作用在曲面上的总压力 1学时知识点：压力体求法；液体作用在曲面上的总压力的受力分析及求解方法。本章小结：本章主要介绍了重力场中流体静压强的分布规律，重点讲述了流体作用在平面上和曲面上的总压力。重点：重力场中流体静压强的分布规律；连续性方程；液体作用在平面上的总压力。难点：流体的相对平衡；液体作用在曲面上的总压力。思考题：液体作用在曲面上与平面上的区别？建议教学方法：课堂讲授第三章 流体运动学 4学时第一节 流体运动的描述 1学时知识点：拉格朗日法及欧拉法；流体质点的加速度和质点导数

6、。第二节 欧拉法的基本概念 1学时知识点：流动的分类；流线、流管、过流断面元流及总流；流量及过流断面的平均流速。第三节 连续性方程 1学时知识点：连续性微分方程及实际工程中的应用。第四节 流体微团运动分析 1学时知识点：微团运动分析本章小结：本章主要介绍了运动流体的分析方法，重点讲述了流体的连续性方程，并对流体微团的运动进行了分析。重点：连续性方程难点：流体微团运动分析思考题：连续性方程适用条件？建议教学方法：课堂讲授第四章 流体动力学基础 4学时 第一节 流体的运动微分方程 1学时知识点：无黏性流体及黏性流体运动微分方程第二节 元流伯努利方程 1学时知识点：无黏性流体运动微分方程的伯努利积分

7、；元流伯努利方程的物理意义和几何意义；黏性流体元流伯努利方程。第三节 总流的伯努利方程 1学时知识点：渐变流及其性质；总流伯努利方程；总流伯努利方程的物理意义和几何意义。第四节 总流的动量方程 1学时 知识点：总流恒定流动动量方程计算。本章小结：介绍了无黏性流体及黏性流体运动微分方程、元流和总流伯努利方程的物理意义和几何意义，重点讲解总流恒定流动动量方程。重点： 总流的伯努利方程难点： 流体的运动微分方程及总流恒定流动动量方程思考题：总流的伯努利方程的总水头线的趋势是什么样的？建议教学方法：课堂讲授第五章 量纲分析和相似原理 2学时第一节 量纲分析的意义和量纲和谐原理 0.5学时 知识点：量纲

8、的概念；无量纲量；量纲和谐原理第二节 量纲分析法 0.5学时知识点：瑞利法；量纲分析方法的讨论。第三节 相似理论基础 0.5学时知识点：相似概念；相似准则第四节 模型实验 0.5学时知识点：模型的选择；模型设计。本章小结：介绍了量纲的概念及量纲和谐原理，重点讲解量纲的相似准则及模型试验。重点： 量纲分析的意义和量纲和谐原理难点： 相似理论基础思考题：量纲分析的意义建议教学方法：课堂讲授第六章 流动阻力和水头损失 4学时第一节 流动阻力和水头损失的分类 0.5学时知识点：水头损失的分类；水头损失的计算公式。第二节 粘性流体的两种流态 0.5学时知识点：流体的两种流态；雷诺数。第三节 沿程水头损失

9、与切应力的关系 1学时知识点：均匀流动方程式；圆管过流断面上剪应力分布；壁剪切速度。第四节 圆管中的层流运动 0.5学时知识点：流动特征；流速分布；沿程水头损失计算第五节 紊流运动 0.5学时知识点：紊流的特征与时均化第六节 紊流的沿程水头损失 1学时知识点：尼古拉兹实验；沿程损失系数半经验公式；非圆管的沿程损失；几种典型的局部水头损失系数。本章小结：介绍了流体的两种流态；，重点讲解均匀流动方程式、圆管过流断面上剪应力分布、壁剪切速度及尼古拉兹实验。重点： 粘性流体的两种流态；圆管中的层流运动；紊流的沿程水头损失。难点： 局部水头损失；边界层概念与绕流阻力。思考题：粘性流体的两种流态？建议教学

10、方法：课堂讲授第七章 孔口、管嘴出流和有压管流 4学时第一节 孔口出流 1学时知识点：薄壁小孔口恒定出流；孔口的变水头出流。第二节 管嘴出流 1学时知识点：圆柱形外管嘴恒定出流；收缩断面的真空；圆柱形外管嘴的正常工作条件。第三节 短管的水力计算 1学时知识点：短管的水力计算的基本公式及水力计算问题。第四节 长管的水力计算 0.5学时知识点：简单管道；串联管道及恒定均匀泄流管道。第五节 有压管道中的水击 0.5学时知识点：有压管道中的水击现象；防止水击危害的措施。本章小结：介绍了薄壁小孔口恒定出流及圆柱形外管嘴恒定出流，重点讲解短管和长管的水力计算的基本公式及水力计算问题。重点： 孔口出流；管嘴

11、出流；短管的水力计算；长管的水力计算难点： 有压管道中的水击思考题：水击现象产生的原因建议教学方法：课堂讲授第八章 明渠流动 2学时第一节 概述 0.5学时知识点：明渠流动的特点；底坡；棱柱形渠道与非棱柱形渠道。第二节 明渠均匀流 0.5学时知识点：明渠均匀流形成的条件及特征；过流断面的几何要素；明渠均匀流的基本公式；明渠均匀流的水力计算。第三节 无压圆管均匀流 0.5学时知识点：无压圆管均匀流特征；过流断面的几何要素；无压圆管的水力计算及输出性能最佳充满度。第四节 明渠流动状态 0.5学时知识点：微幅干扰波波速及弗劳德数本章小结：介绍了明渠流动的特点，重点讲解明渠均匀流形成的条件及特征；过流

12、断面的几何要素；无压圆管均匀流特征；过流断面的几何要素；无压圆管的水力计算及输出性能最佳充满度。重点： 明渠均匀流；无压圆管均匀流难点： 水跃和水跌思考题：明渠流动状态是怎样的？建议教学方法：课堂讲授第九章 堰流 2学时第一节 堰流及其特征 0.5学时知识点：堰和堰流；堰的分类。第二节 宽顶堰溢流 1学时知识点：宽顶堰溢流的基本公式；淹没对宽顶堰溢流的影响；侧收缩对宽顶堰溢流的影响。第三节 薄壁堰和实用堰溢流 0.5学时知识点：薄壁堰溢流；实用堰溢流；本章小结：介绍了堰流及其特征，重点讲解宽顶堰溢流的基本公式；淹没对宽顶堰溢流的影响；侧收缩对宽顶堰溢流的影响。重 点：宽顶堰溢流 难 点：薄壁堰

13、和实用堰溢流思考题：薄壁堰和实用堰的区别建议教学方法：课堂讲授五、课内实验项目设置序号实验项目名称学时开出要求实验项目类型必做选做验证综合设计创新1雷诺实验沿程阻力系数测定实验项目一：雷诺实验 2学时（一）实验目的要求（1）观察流体在管道中的流动状态；（2）测定几种状态下的雷诺数；（3）了解流态与雷诺数的关系。（二）实验材料和仪器设备 流体力学综合实验台（三）实验内容1实验原理实际流体有两种不同的运动型态，即层流和紊流。当流速较小时，各流层的流体质点是有条不紊运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。当流速较大时，各流层的流体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。水流的型

14、态是由其流动时的雷诺数决定的，即式中，v管中平均流速，d管径，运动粘滞系数。 （T水温）据前人实验资料得知，下临界雷诺数比较稳定，Re=2000。而上临界雷诺数变化很大，约在500020000之间。因此一般认为：Re<2000 为层流 Re>2000 为紊流2. 实验步骤（1）将实验台的各个阀门置于关闭状态。开启水泵，全开上水阀门，把水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不变。（2）用温度计测量水温。（3）观察状态到水箱里的水开始溢流后，轻轻打开尾阀，使管道通过小流量，再打开指示剂开关，使颜色水流入管道。反复缓慢增大（或减小）流量，仔细观察层流和紊流现象。（4

15、）测定几种状态下的雷诺系数全开出水阀门，然后再逐渐关闭出水阀门，直至能开始保持雷诺实验管内的颜料水流动状态为层流状态。按照从小流量到大流量的顺序进行实验，在每一个状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。（5）测定下临界雷诺数从大到小（或从小到大）缓慢调整流量，在临界流速时（即流态开始转换时），测定其雷诺数。（6）观察层流状态下的速度分布关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管二到三下，使颜料水在一小段管内扩散到整的断面。然后，在微微打开出水阀门，使管内呈层流流动状态，观察这时管内水流流速分布。3实验数据及其处理（1）根据实验数据进行计算，绘制出雷诺数与流量的关系曲线。（2）根据实验数据求出

16、下临界雷诺数。实验项目二：沿程阻力实验 2学时（一）实验目的要求1加深了解圆管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律。2掌握管道沿程阻力系数的量测技术。3将测得的关系值与莫迪图对比，分析其合理性，进一步提高实验结果分析能力。（二）实验材料和仪器设备 流体力学综合实验台（三）实验内容1实验原理列出1、2断面的能量方程：由于管道直径不变，所以两断面流速水头相等，于是有：即1、2两断面间的沿程水头损失等于两断面间的测压管水头差。根据公式，得：式中，管道沿程阻力系数，d实验管管径，hf1、2两断面间的沿程水头损失，L1、2两断面间的距离，v管中平均流速，g重力加速度。用体积法测定管道通过的流量Q，由

17、于管径已知，所以求得平均流速v。由此可以计算出沿程阻力系数。水流在不同的流区及不同的流态下，其沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。在层流状态下，沿程水头损失与断面平均流速成正比；在紊流状态下，沿程水头损失与断面的平均流速的1.752次方成正比。 2. 实验步骤（1）认真阅读实验指导书，熟悉实验目的和要求。（2）熟悉实验装置的结构。（3）接通电源，开启水泵给水箱供水，打开尾阀。（4）等到水开始溢流后，排除测压管中的气体。在关闭尾阀的条件下，检查两根测压管的液位是否在同一平面上，从而判断气体是否排完。（5）把尾阀开到最大，这时实验管道通过的流量最大，测压管的液位差最大（即压差最大）。水流稳定

18、后，开始测量流量和压差，并记录。（6）减小尾阀的开度，减小实验流量，压差的减小量控制在2cm左右（即压差比上次减小2cm）。水流稳定后，再开始测量水温、流量和压差，并记录。（7）重复实验，每次压差下降要均匀，直到流量为0。检查数据无误后，关闭电源,结束实验。3实验数据及其处理（1）整理记录，进行计算； （2）绘图分析绘制曲线，并确定指数关系值n的大小。将从图上求得的n值与已知各流区的n值（即层流，光滑管流区，粗糙管紊流，紊流过渡区）进行比较，确定流区。六、考核方式及成绩评定理论课程考核方式平时成绩：ð习题作业/课堂小测验/课堂提问/课堂讨论/ð课外作业/ð课程论文/ð其他；结课后考试：闭卷/ð开卷/ð其他；成绩构成：考勤10%/平时20%/考试70%。七、育人案例（一）育人案例一立足水利工程、勇于创新曹楚生是水利水电工程设计、水工结构专家。出生于湖北省武汉市（江苏省无锡市人），1948年7月毕业于上海交通大学土木系结构组。现任天津大学教授和水利部天津水利水电勘测设计研究院教授级高工、专家委员会主任。他长期从事工程设计，负责设计的工程有：佛子岭连拱坝、磨子潭大头坝、响洪甸重力拱坝、黄河干流上第一座发电的盐锅峡水电