《流体力学》课程教学大纲

《流体力学》教学大纲课程英文名FluidMechanics课程代码B0801Z00学分4总学时64理论学时56实验/实践学时8课程类别学科基础课课程性质必修先修课程高等数学、物理学、工程力学适用专业工程力学开课学院计量测试工程学院注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业课；课程性质是指必修/限选/任选。一、课程地位与课程目标（一）课程地位流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动规律的一门学科，是力学的一个分支；是工程力学专业的专业必修课，是工程力学专业本科培养方案中的核心课程，同时也是机械、环境、石油、化工、土木等工程技术类专业的主要基础课，是连接基础课和专业课之间的重要桥梁和纽带。该课程支撑毕业要求1和毕业要求2的达成。毕业要求1：1-1能将数学与自然科学的基础知识用于复杂工程问题的表述中；1-2能将机、电、算等工程基础知识用于描述复杂工程问题；1-3能将工程和专业知识用于信息的获取、处理和解析；1-4能将工程和专业知识用于工程力学相关应用领域中。毕业要求2：2-1能够识别工程力学问题的关键环节和参数；2-2能够建立复杂工程问题的数学或物理模型；2-3能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理分析工程力学领域相关问题，通过文献研究来分析需要解决的问题；2-4能够求解模型或者完成实验，并获得有效结论。（二）课程目标课程目标1.掌握流体质点的概念，进而掌握流体连续介质模型假说的合理性；掌握流体的流动性、可压缩性、黏滞性、表面张力特性等流体的基本的力学特性；掌握牛顿流体与非牛顿流体的基本特征和划分标准。思政目标：学习我国科学家钱学森、郭永怀、周培源等，在力学发展中的贡献和爱国情怀。课程目标2.掌握流场的概念、流动的分类；掌握描述流体运动的两种方法，即拉格朗日方法和欧拉法，以及两种方法的关系；掌握质点导数的概念及其物理意义；掌握迹线、流线、流管与管流连续方程，掌握微元流体线、微元流体团的变形速率，掌握涡量与有旋流动、无旋流动（势流）等流体的运动与变形知识；掌握流体流动的推动力、层流与湍流的基本概念、流场边界对流动的影响、流动阻力与阻力系数的计算表达式。思政目标：介绍我国古代著名水利工程，包括郑国渠、灵渠、都江堰、它山堰。课程目标3.掌握质量力、表面力（应力与压力）、静止流场中的表面力、压力的表示方法及单位；掌握流体静力学基本方程、静止流场的基本特性；掌握重力场中的静止流体的压力分布、U形管测压原理、静止液体中固体壁面的受力、理解静止液体中物体的浮力与浮力矩；掌握非惯性坐标系中的质量力，重点掌握直线匀加速运动和匀速旋转容器中的静止液体的压力分布，理解高速回转圆筒内流体的压力分布。课程目标4.掌握系统与控制体的基本概念，重点掌握雷诺输运公式的推导及其含义，在此基础上，推导出质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，并掌握在一定条件下进行简化应用。思政目标：介绍我国航空航天、航海深潜成果。课程目标5.掌握建立流动微分方程的基本方法，在此基础上建立狭缝流和管内流动的微分方程，在一定条件下求解，并对结果进行相应的分析。了解降膜流动的分析方法。课程目标6.在课程目标5的基础上，掌握连续性方程、黏性流体运动方程的建立方法，并在一定条件下进行简化、应用。课程目标7.掌握流体微团平面运动的分解、有旋流动与无旋流动的判别方法；掌握速度势函数与流函数的基本概念、性质，以及二者之间的关系；掌握不可压缩理想流体平面流动的基本方程的建立方法，推导出不可压缩平面势流的基本方程——拉普拉斯方程、速度势函数与流函数的全微分方程；掌握平等直线等速度、角形区域内的流动、点涡与点汇等流动的势流分析方法，掌握复合流动的基本求解方法，理解理想流体绕固定圆柱体的流动、了解理想流体绕转动圆柱体的流动的势函数研究方法。课程目标8.掌握几何相似、运动相似和动力相似的基本概念及流动相似原理，掌握相似准则及其分析方法，理解工程模型研究方法，了解常用的流场测试技术。劳动教育目标：了解我国第一颗原子弹研制的背景条件。课程目标9.掌握层流与湍流的基本概念及其产生机理；通过雷诺实验，明确流动状态对沿程阻力的影响规律；掌握圆管内充分发展的层流流动的求解方法，掌握湍流的基本理论，掌握雷诺方程、湍流假说（普朗特混合长度理论）、通用速度分布（壁面律）；掌握圆管内充分发展的湍流流动的速度分布与切应力分布的求解方法，以及圆管内流动的阻力损失计算方法；理解圆管进口流动分析，掌握非圆形截面管内的流体流动的研究方法；了解弯曲管道内的流体流动。劳动教育目标：了解人工天河——红旗渠水利工程，培养学生自力更生、艰苦奋斗精神。课程目标10.掌握边界层的基本概念和基本理论、边界层厚度的定义与计算方法；理解平壁边界层流动的基本规律性。二、课程目标达成的途径与方法以课堂教学为主，结合自学、课堂提问、课堂讨论、课外作业等。自学内容：需要补充的相关知识，如矢量分析与场论、相关的应用软件；课堂教学：主要内容采用课堂教学来完成，利用自制的PPT课件，结合板书来完成；课堂提问：将重要的知识点、容易混淆的概念或知识，采取课堂提问的方式，加深学生的认识与理解；课堂讨论：将课程中具有共性的研究方法、理论及核心内容，采取课堂讨论的方式，以提高学生宏观上分析问题与解决问题的能力；课外作业：为了巩固所学知识，每章精选一些具有代表性知识点的问题，布置成课外作业，通过批改作业，以发现学生在课程学习中存在的问题，以及时解决。三、课程目标与相关毕业要求的对应关系课程目标课程目标对毕业要求的支撑程度（H、M、L）1-11-21-31-42-12-22-32-4课程目标1HMMHHHHM课程目标2HMMHHHHM课程目标3HMMHHHHM课程目标4MMMMMMML课程目标5HMMHHHHM课程目标6HMMHHHHM课程目标7MMMMMMML课程目标8HMMHHHHM课程目标9HMMHHHHM课程目标10MLLMMMML四、课程主要内容与基本要求章次主要内容基本要求第1章流体的力学性质学习我国科学家钱学森、郭永怀、周培源等，在力学发展中的贡献和爱国情怀。理解流体质点的概念熟练掌握流体连续介质模型熟练掌握流体的流动性熟练掌握流体的可压缩性熟练掌握流体的黏滞性熟练掌握表面张力特性掌握牛顿流体与非牛顿流体熟练掌握非牛顿流体及其黏度特性掌握第2章流体流动的基本原理流场的概念熟练掌握流动分类掌握拉格朗日方法熟练掌握欧拉方法熟练掌握两种方法的关系熟练掌握质点导数熟练掌握迹线熟练掌握流线熟练掌握流管与管流连续性方程掌握微元流体线的变形速率熟练掌握微元流体团的变形速率熟练掌握无旋流动——势流熟练掌握流体流动的推动力掌握层流与湍流熟练掌握流场边界对流动的影响理解流动阻力与阻力系数熟练掌握介绍我国古代著名水利工程，包括郑国渠、灵渠、都江堰、它山堰。理解第3章流体静力学质量力熟练掌握表面力——应力与压力熟练掌握静止流场中的表面力熟练掌握压力的表示方法及单位熟练掌握流体静力学基本方程熟练掌握静止流场基本特性熟练掌握重力场中静止流体的压力分布熟练掌握U形管测压原理熟练掌握静止液体中固体壁面的受力熟练掌握静止液体中物体的浮力与浮力矩掌握非惯性坐标系中的质量力熟练掌握直线匀加速运动中的静止液体熟练掌握匀速旋转容器中的静止液体熟练掌握高速回转圆筒内流体的压力分布掌握第4章流体流动的守恒原理系统与控制体熟练掌握输运公式熟练掌握控制面上的质量流量熟练掌握控制体质量守恒方程熟练掌握多组分系统的质量守恒方程了解控制体动量守恒方程熟练掌握动量守恒方程的简化形式熟练掌握动量矩定律了解控制体动量矩守恒方程了解运动流体的能量熟练掌握控制体能量守恒方程熟练掌握化工流动系统的能量方程了解伯努利方程及期应用说明熟练掌握小孔流动问题掌握管流中的液体汽化问题掌握驻点压力与皮托管熟练掌握管道局部阻力损失分析熟练掌握介绍我国航空航天、航海深潜成果。理解第5章不可压缩流体的一维层流流动建立流动微分方程的基本方法熟练掌握常见边界条件掌握流动条件说明掌握狭缝流动的微分方程掌握狭缝流动的切应力与速度分布掌握水平狭缝压差流的流动阻力掌握圆管内的层流流动熟练掌握圆形套管内的层流流动熟练掌握倾斜平板上的降膜流动了解竖直圆管外壁的降膜流动了解第6章流体流动微分方程直角坐标系中的连续性方程熟练掌握柱坐标和球坐标系中的连续性方程理解作用于微元体上的力熟练掌握动量流量及动量变化率熟练掌握以应力表示的运动方程熟练掌握牛顿流体的本构方程掌握流体运动微分方程——Navier-Stokes方程熟练掌握柱坐标和球坐标系中的N-S方程理解N-S方程应用概述掌握N-S方程应用举例掌握第7章不可压缩理想流体的平面流动流体微团平面运动的分解熟练掌握有旋流动与无旋流动熟练掌握线流量与速度环量熟练掌握速度势函数、势流熟练掌握流函数及其性质熟练掌握速度热函数与流函数的关系熟练掌握连续性方程与运动微分方程掌握不可压缩平面势流的基本方程——拉普拉斯方程掌握速度势函数丐流函数的全微分方程掌握平等直线等速流熟练掌握角形区域内的流动熟练掌握点源与点汇熟练掌握点涡熟练掌握复合流动熟练掌握理想流体绕固定圆柱体的流动掌握理想流体绕转动圆柱体的流动掌握第8章流体力学的实验研究方法几何相似熟练掌握运动相似熟练掌握运动相似熟练掌握微分方程分析法掌握量纲分析法熟练掌握模型与原型的相似掌握参数测试及实验结果整理理解模型研究应用举例理解了解我国第一颗原子弹研制的背景条件。理解第9章管内流体流动雷诺实验熟练掌握管内充分发展的层流流动熟练掌握湍流及其基本特性掌握湍流理论简介理解雷诺方程熟练掌握湍流假说——普朗特混合长度理论掌握通用速度分布——壁面律熟练掌握光滑管内的湍流速度与切应力熟练掌握粗糙管内的湍流速度分布熟练掌握圆管阻力损失与阻力系数定义熟练掌握光滑圆管的阻力系数掌握粗糙圆管的阻力系数掌握进口段流动状态与进口段长度理解进口段阻力理解非圆形截面管内的流体流动熟练掌握弯曲管道内的流体流动了解了解人工天河——红旗渠水利工程，培养学生自力更生、艰苦奋斗精神。理解第10章流体绕物流动边界层理论掌握边界层的厚度与流态掌握普朗特边界层方程掌握平壁层流边界层的精确解掌握冯·卡门边界层动量积分方程理解平壁层流边界层的近似解理解平壁湍流边界层的近似解了解五、课程学时安排章节号教学内容学时数学生任务（作业、自学、讨论等任务要求）对应课程目标第1章流体的力学性质61.完成1-2，1-3，1-5作业；2.课后自学Mathtype、Origin应用软件。课程目标1第2章流体流动的基本概念61.完成2-1，2-2，2-4,2-6作业；2.课后自学MathCAD应用软件。课程目标2第3章流体静力学61.完成3-2,3-5，3-11,3-13,3-15作业；2.课后自学Mathematic应用软件。3．专题讨论：浮力定律课程目标3第4章流体流动的守恒原理61.完成4-4,4-9，4-22,4-23作业；2.课后自学Maple应用软件。课程目标4第5章不可压缩流体的一维层流流动61.完成5-2,5-4,5-8作业；2.课后自学Matlab应用软件。课程目标5第6章流体流动微分方程101.完成6-1,6-2，6-6作业；2.课后自学Solidworks应用软件。课程目标6第7章不可压缩理想流体的平面运动81.完成7-1，7-3，7-7作业；2.课后自学Profili应用软件。课程目标7第8章流体力学的实验研究方法41.完成8-1,8-2作业；2.课后自学Fluent应用软件。课程目标8第9章管内流体流动61.完成9-1，9-3，9-4，9-6作业；2.课后自学Tecplot应用软件。课程目标9第10章流体绕物流动61.课后自学Mathtype、Origin应用软件；2.专题讨论：圆柱绕流问题课程目标10六、实践环节及基本要求序号实验项目名称学时基本要求学生任务实验性质实验类别1雷诺实验2观察流动形态，测定雷诺数数据分析、撰写实验报告验证性必做2文丘里实验2测定压差、流量，计算流量系数数据分析、撰写实验报告验证性必做3流动阻力实验2测定雷诺数和阻力系数数据分析、撰写实验报告验证性必做4毕托管测速实验2测定压差、流速，计算流速