《工程流体力学B》课程教学大纲

《工程流体力学B》课程教学大纲课程编码：412403课程名称：工程流体力学B英文名称：EngineeringFluidMechanics开课学期：5学时/学分：40/2（其中实验为8学时）课程类型：学科基础必修课开课专业：工科各专业本科生选用教材：于萍主编：《工程流体力学》，科学出版社2015年8月第二版。主要参考书：1、张也影：《流体力学》，高等教育出版社1998年第二版。2、孔珑主编.：《工程流体力学》，北京大学出版社1982年版。3、清华大学工程力学系编：《流体力学基础》，水利电力出版社1992年版。4、李诗久：《工程流体力学》，机械工业出版社1989年版。5.、A.J.Ward-Smith：《InternalFluidFlow》，1980版6.、王致清主编：《工程流体力学》，哈尔滨工业大学出版社1983年版。一．课程简介【课程名称】：《工程流体力学B》，（40学时/2学分，秋季）[CourseName]：EngineeringFluidMechanics(38studyhours/2credits,AutumnSemester)【教学目的】《工程流体力学》是我国高等院校工科各专业的一门主要专业基础课，作为研究流体力与运动的专业学科，本课程以高等数学、大学物理以及理论力学等基础课程为基础，目的培养学生认识流体运动规律，掌握流体流动基本理论，为学生学习后续课程及奠定初步的流体力学理论基础。[CourseObjects]“EngineeringFluidMechanics”isoneofthemajorbasiccourseofengineeringspecialtyinhighereducationinstitutionsinourcountry.Asaspecializeddisciplinetostudyflowandforceoffluid,thecourseisbasedonAdvancedmathematics,CollegePhysicsandTheoreticalmechanicsandsoon.Thepurposeistocultivatestudents'understandingofthelawoffluidmovement,masterthebasictheoryoffluidflow,andstudythefollow-upcourseforstudentsandlaytheinitialtheoreticalfoundationoffluidmechanics.【教学内容】本书共分八章。主要包括流体流动基本概念，牛顿内摩擦定律及应用；流体平衡状态的规律；流体流动的连续方程、伯努利方程及动量方程三大基本方程及在工程实际中的应用；流动过程中的损失及计算；简要介绍了气体流动基本规律。[TeachingContent]Thiscourseconsistsofeightchapters.Whichmainlyincludesthebasicconceptsoffluidflow,Newton'slawoffrictionandapplication;thelawoffluidequilibrium;thethreebasicequationsoffluidflow,Bernoulliequationandmomentumequationanditsapplicationinengineeringpractice;Andthebasiclawofgasflowisbrieflyintroduced.【授课对象】本课程的授课对象为机械工程、车辆工程、发动机、能源与动力工程、农业机械化与自动化和包装工程的专业本科生。本课程要求授课对象先修下列课程高等数学、大学物理、理论力学。[TargetStudents]Thetargetstudentsofthiscoursemainlyaretheundergraduatesinmechanicalengineering,automobileengineering,automobileengine，thermalenergyandpowerengineering,automobileapplicationengineering,agriculturalmechanizationandautomation,packagingengineering.ThepreliminaryrequirementcoursesincludeAdvancedmathematics,CollegePhysicsandTheoreticalmechanics.二、课程目标1、对本课程有总体了解，对流体流动现象及相关理论有初步掌握，掌握牛顿内摩定律及应用。（支撑毕业要求指标点2.1）2、掌握流体平衡状态的基本理论、基础知识，对静压强和真空度有清晰的概念，掌握静压分布规律，具有初步分析静压下流体与固体作用力的能力。（支撑毕业要求指标点2.1、3.2）3、掌握连续方程、能量方程、动量方程，能运用这些方程对与本专业有关的一般流体力学问题进行分析和计算。（支撑毕业要求指标点2.1、3.2）4、掌握流体流动损失规律，能选择相应的能量损失系数，进行管路计算及管路基本设计。（支撑毕业要求指标点2.1、3.2）5、能进行流体有关参量测试，具有分析实验数据和编写实验报告的能力。（支撑毕业要求指标点2.1）三、各章节内容及学时分配第一章绪论及流体的主要物理性质(2学时)教学目的与要求流体的平衡和运动规律与自身的物理性质紧密相关，本章主要对流体的物理性质进行阐述，使学生对流体力学的基本概念、流体的主要物理特性有基本了解。教学内容第一节绪论、连续介质的概念、流体的密度和相对密度第二节流体的粘性一、粘性产生的原因二、牛顿内摩擦定律第三节相关概念一、理想流体二、流体的膨胀性与压缩性三、不可压缩流体考核要求了解：流体的物理性质对流体的力学现象的影响。理解：理想流体、可压缩和不可压缩流体、流体质点、连续介质的概念。掌握：粘性概念，工程中常用的粘性单位，牛顿内摩擦定律及应用。第二章流体静力学（4学时）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生掌握流体静力学的有关基本知识、基本理论，学会分析流体的受力情况，掌握曲面受力的解题方法，了解流体在非惯性坐标系中的相对平衡。教学内容第一节平衡流体上的作用力质量力表面力流体静压强第二节流体平衡微分方程流体平衡微分方程的导出质量力的势函数等压面第三节重力场中的平衡流体不可压缩平衡流体的静压强基本公式可压缩流体的静压强分布公式静压强的计算与测量第四节平衡流体对于壁面的作用力作用在平面上的总压力作用在曲面上的总压力考核要求了解：流体静力学的基本知识，物体受力类型、流体平衡微分方程、静压强的计算、平面与曲面受力及计算，流体在非惯性坐标系中的相对平衡。理解：相对压强的概念及应用，曲面压力体的画法，潜体、沉体、浮体的概念掌握：静压强的计算及相对压强的应用，平面压力的分布状态，曲面压力体的画法及曲面的总压力计算，掌握流体平衡微分方程的推导及应用条件。第三章流体动力学基础（10学时）教学目的与要求本章是全课的重点，学生通过本章的学习，了解流体流动的一些基本规律，对流体动力学有初步的理解，掌握工程流体力学中最重要的三大基本方程连续方程、伯努利方程和动量方程及其应用。教学内容第一节研究流体流动的方法拉格朗日法欧拉法第二节基本概念定常流动与非定常流动一维流动、二维流动与三维流动均匀流与非均匀流缓变流与急变流流线与迹线流管、流束、过流断面流量、平均流速第三节连续方程概念应用第四节伯努利方程及应用伯努利方程的几何意义及物理意义伯努利方程在工程实际中的应用第五节沿流线主法线方向压强和速度的变化第六节粘性总流的伯努利方程第七节动量方程概念应用考核要求了解：拉格朗日、欧拉法、流线、缓变流等重要概念。理解：假设条件的应用，公式几何意义的概念，三个基本方程在流体力学中的重要作用。掌握：连续性方程、伯努利方程、动量方程的导出条件、假设条件及应用条件，掌握三个方程在工程实际中的应用，能运用方程解决简单的工程实际问题。对流体质点的变形和旋转运动有相当的了解。第四章流体在圆管中的流动（10学时）教学目的与要求本章主要讨论不可压缩流体在圆管中的流动及运动规律，其中流动过程中的能量损失是本章的重点，要求学生掌握应用莫迪图计算损失系数方法，对常见的流动损失的计算有熟练掌握，了解水击现象、产生原因及预防措施。教学内容第一节雷诺实验层流和湍流流动状态的判定沿程损失和速度的关系水力直径的概念第二节圆管中的层流流动速度分布和流量平均流速和最大流速层流的动能和动量修正系数层流的沿程损失管路进口起始段第三节圆管中的湍流流动时均流动与脉动混合长度理论湍流的速度分布第四节管路流动的沿程阻力产生原因计算方法尼古拉兹实验莫迪图第五节管路流动的局部阻力产生原因管路突然扩大的局部阻力常用的局部阻力系数局部阻力的相互干扰第六节管路计算简单管路串联管路并联管路管路特性第七节水击现象水击的物理过程水击压强防止水击危害的措施考核要求了解：能量损失是本章的重点，同时也是对伯努利方程的补充和完善。学生应了解流动有层流和湍流两种不同的形态，了解相应的特性和计算方法。对水击现象有初步了解。理解：湍流流动中时均速度的概念，管路特性的应用。掌握：雷诺实验、实验的原理、意义及解决的工程实际问题。层流及湍流的特性及相关的损失计算方法。尼古拉兹实验、莫迪图的应用；对不同的局部装置，相对的局部损失系数的确定，管路突然扩大的损失计算方法；串、并联管路的特性及计算公式。水击现象的危害及防止措施。第五章孔口出流及相似原理（6学时）教学目的与要求流体流经各种不同形式的孔口出流是一个应用广泛的问题。本章要求学生掌握工程中常用的孔口出流特征，分析影响孔口出流性能的主要因素，确定孔口出流的基本参数和主要系数，掌握简单的计算方法。同时掌握常用的相似原理。教学内容第一节孔口出流概述薄壁孔口和厚壁孔口自由出流和淹没出流三、完善收缩和不完善收缩第二节薄壁孔口出流出流的速度和流量计算孔口出流系数第三节厚壁孔口出流出流的速度和流量计算孔口出流系数不同孔口出流系数第四节机械中的气穴现象气穴与气蚀节流气穴泵进口处的气穴第五节相似原理流体的力学相似动力相似准则近似模型法了解：孔口出流的一些基本概念，相似原因的概念及应用理解：几种常见的孔口出流性能的比较，力学相似准则的应用。掌握：薄壁孔口、厚壁孔口的速度、流量和相关系数的计算公式，各种孔口的特点及应用。气穴与气蚀的形成及预防，相似原理的应用。四实验1实验目的与任务工程流体力学是一门基础科学，在工程技术领域，土木、交通、建筑、水利、机械、动力、环保、化工等领域中，涉及大量的流体力学问题。在实际的流体力学问题中，流动现象极为复杂，即使经过简化，也不一定能加以定量的理论分析。或者理论分析所得结果与实际相差太远。因此实验课是工程流体力学课程的重要环节。应用测试技术和实验方法来解决实际的流体力学问题，这就是流体力学实验研究的课题。流体力学实验的目的是研究流体运动中的新现象和相应的规律；通过观察流动现象，验证所学理论，学会解决工程实际问题；通过观察研究各种流动现象的本构关系，培养学生观测和分析流动现象的能力，更好地认识流体流动的基本概念和基本规律，从而研究新型测试仪器和测量方法。2实验教学基本要求（1）学习并掌握流体力学实验的基本原理及方法，具备查阅资料、制订实验方案、实施实验方案、数据处理、分析总结和撰写实验报告的能力。（2）熟悉有关仪器的使用方法和有关设备的用途，训练基本实验技能。（3）掌握基本的观测方法、仪器使用和数据分析方法，培养学生实验研究的兴趣和动手能力；同时学会如何整理流体力学实验数据，撰写实验报告，为学生今后独立进行类似工作打下坚实基础。（4）注意启发学生的创新思维，培养创新能力，根据条件安排一定的综合性实验，锻炼学生独立综合实验能力。3、实验指导书：《工程流体力学实验指导书》。4．实验项目一览表序号实验项目名称实验类型实验学时主要仪器设备实验地点备注1伯努力方程验证实验验证2伯努力实验台机械馆流体实验室2动量定律实验验证2动量实验台机械馆流体实验室3阻力系数测定验证2阻力系数测定实验台机械馆流体实验室4流量计校正实验综合2机械馆流体实验室仪器待买5雷诺实验演示雷诺实验台机械馆流体实验室6流动现象演示实验演示旋流仪机械馆流体实验室五、考核及成绩评定方法：全体笔试（闭卷）统考；流水作业评卷；平时成绩占20％，期末考试成绩占70％；实验成绩占10％。项目及比例评价环节毕业要求评估比例平时作业20%作业支撑毕业要求指标点2.14%作业支撑毕业要求指标点2