《流体力学》课程教学大纲

流体力学（FluidMechanics）课程基本信息课程编号：04021203课程总学时：40实验学时：4学时课程性质：必修课程属性:专业类开设学期：第4学期适用专业：农业建筑环境与能源工程对先修的要求：学习完高等数学、大学物理、理论力学、材料力学后，熟练掌握微积分计算、动量定理、能量守恒和转换定律，质量守恒定律、惯性坐标系和非惯性坐标系、牛顿第二定理、飞轮半径概念、达郎贝尔定理、静面矩、惯性矩等知识点。对后续的支撑：流体力学中层流和紊流判别、雷诺数和粘性底层的概念以及连续方程、动量方程和能量方程的理解和熟练掌握会对后面传热学、风能工程和热能设备的学习产生支撑。一、课程的教学理念、性质、目标和任务流体力学的教学秉承关注学生进步和发展、关注教学效益、关注可测性和量化、教师具备反思意识的教学理念。《流体力学》是农业建筑环境与能源工程专业的一门重要的专业基础必修课程，是专业课中必不可少的先修课程。《流体力学》是流体工程实践中有关固体壁面受力、管路计算及摩擦磨损问题的理论基础，本课程的目的就是要通过各个教学环节，使学生掌握流体力学的基本知识（基本概念、原理和研究方法）、有关的计算方法和必要的实验技能，具备应用流体力学知识对实际问题进行分析和计算的能力，为后续专业课的学习和将来从事专业技术工作打下良好的基础。同时在课程的教学中灵活穿插思政教育，结合我们国家航空航天、石油钻探的发展，激发学生的民族自豪感，同时在某些方面找出国内外发展差距，让学生意识到学习科学技术的重要性，意识到他们肩上有振兴祖国的责任，达到好的素质教育目标。二、课程教学的基本要求1.理论知识方面：学生学完本课程后应达到下列基本要求：正确理解流体力学中的一些基本概念和流动的基本特征；掌握研究流体运动的一些基本方法；熟练掌握平衡流体的压强分布规律以及流体作用在壁面上的总压力的计算；熟练掌握连续性方程、伯努利方程、动量方程，对工程中的一般流体流动问题具有分析和计算的能力；掌握流体在圆管中层流、紊流运动阻力和水头损失的计算与实验研究方法，能够运用基本公式和图表对简单串、并联管路进行分析和计算；.熟练掌握孔口出流的基本理论。2.实验技能方面：掌握一定实验技能与方法，具有测量流动参数、分析实验数据和编写实验报告的能力。实验课可以加强学生对理论的认识，帮助理解理论知识的意义。三、课程的教学设计1.教学设计说明流体力学课程整体采用线上线下混合式教学，其中线上36学时，线下36学时。线上视频主要是学生预习和复习用，线下的36个学时是正常授课。线上是录制视频上传中国大学慕课，学生观看视频学习；线下是课堂授课，课堂授课采用板书和多媒体结合，也会在总结课中插入翻转课堂，理论教学中根据内容模块采用教授式、问题探究式、练习讨论式等教学方法。实验教学采用教师先讲解实验原理与步骤，学生在教师的指导下再进行实际操作的教学方法。2.课程目标及对毕业要求的支撑序号课程目标毕业要求1目标1：使学生掌握流体力学的基本知识（基本概念、原理和研究方法）。工程知识2目标2：使学生具备有关的计算方法和必要的实验技能。研究3目标3：通过课程的学习，使学生具备应用流体力学知识对实际问题进行分析和计算的能力。问题分析四、理论教学内容及学时分配（36学时）第一章绪论学时数：4教学目标：了解流体力学的任务、流体力学与科学及技术的关系、在推动社会发展中的作用，了解流体力学的研究方法。掌握连续介质的性质；理解流体的主要物理性质；熟练掌握牛顿粘性定律和粘度计算；掌握质量力和表面力的定义及表达式。教学重点和难点：流体的黏性、牛顿内摩擦定律、质量力、表面力、连续介质概念为重点内容。牛顿内摩擦定律的具体应用为难点。主要教学内容及要求：了解：流体力学发展史简介，流体力学的研究内容、研究方法和应用；作用在流体上的力（质量力和表面力）。理解：流体的定义和特征，连续介质模型，作用在流体上的力，流体的主要物理性质。掌握：黏性、压缩性、膨胀性等主要物理性质，理解流体微团及质点的概念、连续介质模型及建立的条件。熟练掌握：牛顿粘性内摩擦定律的应用。教学组织与实施：本章内容采用线上和线下结合起来的教学方式。其中牛顿粘性内摩擦定律及其应用采用线下课堂讲授，其余内容采用线上观看视频和线下讨论的混合教学方式。第二章流体静力学学时数：8教学目标：掌握流体平衡的条件以及压强分布规律、流体与固体间的相互作用以及工程应用。教学重点和难点：静力学基本方程、方程的物理意义及应用。主要教学内容及要求：了解：流体平衡微分方程式，理解其物理意义。理解：流体静压强及其特性。掌握：流体静压强的分布规律及点压强的计算（利用等压面）；流体静压强的量测和表示方法；对平衡原理，解决等压面的形状特别是自由液面的形状问题，会计算旋转液体中各点的压强。熟练掌握：作用于平面壁和曲面壁上流体总压力的计算。教学组织与实施：本章内容采用线下授课的方式。线下课堂采用板书和多媒体结合的方式，教学方法采用教授式、问题探究式、练习讨论式等教学方法，也会在总结课中采用翻转课堂。第三章流体运动学和动力学基础学时数：8教学目标：了解流体运动的描述方法，掌握流体运动的基本概念和有关运动量，熟练应用连续方程、动量方程和能量方程，并能运用到工程技术中。教学重点和难点：重点：流体流动中的几个基本概念，连续性方程，伯努利方程及其应用，动量方程及其应用。难点：连续性方程、伯努利方程以及与动量方程的联立应用。主要教学内容及要求：了解：动量矩方程及其应用。理解：关于流体流动的基本概念。掌握：连续性方程、伯努利方程、动量方程；伯努利方程的工程应用--测量流速与流量的仪表，虹吸原理，孔口、管嘴出流问题。熟练掌握：连续性方程、伯努利方程、动量方程应用于求解工程实际问题。教学组织与实施：本章内容采用线下授课的方式。线下课堂采用板书和多媒体结合的方式，教学方法采用教授式、问题探究式、练习讨论式等教学方法，也会在总结课中采用翻转课堂。第四章相似原理和量纲分析学时数：4教学目标：了解相似理论有关理论。教学重点和难点：重点是相似理论，难点是量纲分析及其应用。主要教学内容及要求：了解：相似原理有关理论。理解：相似理论内涵。掌握：使用量纲分析方法对简单问题加以分析。教学组织与实施：本章内容采用线上和线下结合起来的教学方式。线上观看教学视频，慕课堂发布测试和讨论，教师为学生答疑。第五章管流损失和水力计算学时数：8教学目标：运用学习到的流体运动学和动力学基础，特别是工程上最常用到的一维流动的连续方程、动量方程和能量方程解决粘性流体管内流动的能量损失和水力计算。教学重点和难点：重点：雷诺数及流态判别，圆管层流运动规律，沿程阻力系数的确定，沿程损失和局部损失计算。难点：紊流流速分布和紊流阻力分析。主要教学内容及要求：了解：雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点；紊流的机理和脉动、时均化以及混合长度理论；尼古拉兹实验和莫迪图的使用；边界层概念、边界层分离和绕流阻力。理解：流动阻力的两种形式。掌握：圆管层流基本规律；阻力系数的确定方法；管路沿程损失和局部损失的计算；简单管路和复杂管路的水力计算。教学组织与实施：本章内容采用线上和线下结合起来的教学方式。其中雷诺实验部分和尼古拉兹实验部分采用线上视频方式，水力计算部分采用线下课堂。线下课堂采用板书和多媒体结合的方式，教学方法采用教授式、问题探究式、练习讨论式等教学方法。第六章液体出流学时数：4教学目标：利用连续方程和伯努利方程联合解决液体经孔口和管嘴出流的流量和流速问题。教学重点和难点：重点：薄壁小孔口定常出流。难点：外伸管嘴缩颈处真空的作用；淹没出流为什么没有大小孔口之分。主要教学内容及要求：了解：自由出流和淹没出流的区别。理解：外伸管嘴（厚壁孔口）定常出流出流流量比同等条件下薄壁小孔口出流流量大的原因。掌握：薄壁小孔口定常出流的流速计算方法和流量计算方法。教学组织与实施：本章内容采用线上和线下结合起来的教学方式。课程学习采用线上，应用部分采用线下课堂讲授，课堂讲授采用板书和多媒体结合的方式。教学方法采用教授式、问题探究式、练习讨论式等教学方法。五、实验教学内容及学时分配（4学时）（一）实验课程简介实验在《流体力学》学科及教学中占有重要位置。从学科发展看，流体力学是一门技术科学，实验方法是促进其发展的重要研究手段。近年来，流体力学与古典流体力学日益兼容渗透，理论分析、实验研究和数值计算相结合成为流体力学的主要研究方法。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系，实验方法仍是检验与深化研究成果的重要手段，现代实验技术的迅猛进展，更促进了现代流体力学的蓬勃发展。总之，流体力学实验是流体力学课程中一个不可缺少的重要教学环节。（二）实验教学目的和基本要求流体力学实验的教学目的是：1.在实验中观察水流现象，增强感性认识，巩固理论知识的学习。2.通过量测实验验证所学流体力学原理，提高理论分析的能力。3.学会量测水力要素和使用基本仪器的方法，掌握一定的实验技能，了解现代量测技术。4.培养分析实验数据、整理实验成果和编写实验报告的能力。5.培养严谨踏实的科学作风和融洽合作的共事态度以及爱护国家财产的良好风尚。流体力学实验的基本要求是：1.实验课前必须阅读实验指导书，明确实验目的、内容、原理和方法。了解实验设备的基本构造、工作原理和使用方法。2.严格按照约定的时间进行实验，做到不迟到，不早退。3.实验分小组进行，由课代表根据教师的要求分组，并指定组长。实验时要有指挥，有分工，做到有条不紊。4.要遵守实验室的规章制度，爱护实验室的设施，非实验仪器设备不得随意动用，因非实验造成的损坏由当事人赔偿。5.实验过程中，如果仪器设备发生故障，应立即向指导教师报告，以便及时排除故障，保证实验的正常进行。6.实验完毕后，关闭电源，整理好使用后的仪器、设备、工具。将实验原始记录交指导教师审阅。7.要认真做好并及时完成实验报告，按时交给指导教师批阅。不交者，该次实验按零分计。8.因病、事假缺习者可以凭病、事假条找指导教师安排补做。无故缺席者一律不安排补做。9.未完成全部实验报告者按学院的有关规定处理。（三）实验安全操作规范1.实验前做好预习，明白实验过程与操作注意事项。2.严格遵守实验室的规章制度，严格遵守安全操作要求。3.实验过程中，如果仪器设备发生故障，应立即向指导教师报告，以便及时排除故障。4.实验完毕后，关闭电源，整理好使用后的仪器、设备、工具。（四）实验项目名称与学时分配序号实验名称学时类型实验要求每组人数04021224+01雷诺实验2基础性必做1504021224+02能量方程实验2基础性必做15（五）实验方式及基本要求所有实验内容均要求学生在实验教师指导下独立完成，实验结果在规定误差范围内。（六）实验内容安排【实验一】雷诺实验1.实验学时：2学时2.实验目的：通过层流、湍流的流态观测和临界雷诺数的测量分析，掌握圆管流态转化规律；进一步掌握层流、湍流两种流态的运动学特性与动力学特性；学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。3.实验内容：改变管道阀门开启度，变换不同的流量，观察当流量变化时，颜色水形态的变化。通过颜色水直线的变化观察层流转变到湍流的水力特征，待管中出现完全湍流后，再逐步关小调节阀，观察由湍流转变为层流的水力特征。4.实验要求：记录管径、水温，并由此计算出运动粘度，并通过流量和管径计算出流速，从而计算出雷诺数，发现雷诺数变化和颜色水形态变化的规律，并分析原因。5.实验设备及器材：温度计、秒表、流体力学综合试验台【实验二】能量方程实验1.实验学时：2学时2.实验目的：掌握流速、流量、压强等动流体力学水力要素的实验量测技术；验证流体定常流的能量方程；通过对流体力学诸多水力现象的实验分析研究，进一步掌握有压管流中动流体力学的。3.实验内容：通过测压管测量4个不同管道断面的测压管水头、并利用流量和管道断面的直径计算出对应截面的平均流速，从而得出4个管道截面的总水头，分析总水头线的变化规律和测压管水头线的变化规律，验证粘性总流的伯努利方程。4.实验要求：学会利用测量流体流动过程体积流量的测定，理解测压管水头线和总水头线的几何意义，协作测量各种需要的数据，并独立完成实验数据的处理，思考实验过程中出现的问题。5.实验设备及器材：秒表、流体力学综合试验台(七)考核方式及成绩评定对学生实验报告进行评定，评定结果作为平时作业的重要组成部分，占作业成绩的30%。六、课程思政课程的教学中灵活穿插思政教育，结合我们国家航空航天、石油钻探的发展，激发学生的民族自豪感，同时在某些方面找出国内外发展差距，让学生意识到学习科学技术的重要性，意识到他们肩上有振兴祖国的责任，达到好的素质教育目标。七、教材及教学参考书1.选用教材：（1）理论课教材：流体力学，李明主编，中国农业出版社，2018（2）实验课教材：自编实验指导书2.参考书：（1）流体力学.孔珑.北京：高等教育出版社，2004（2）工程流体力学泵与风机.侯文纲.北京：水利电力出版社，1984（3）流体力学（第二版）.张也影.北京：高等教育出版社，1999（4）流体力学.林建忠.北京：清华大学出版社，2005（5）流体力学.李玉柱.北京：高等教育出版社，1998（6）流体力学.罗惕乾.北京：机械工业出版社，2016（7）流体力学.李玉柱，贺五洲.北京：清华大学出版社，20173.推荐网站（线上资源）：（1）流体中文网，/（2）上海交通大学流体力学精品课程，/jingpin/xiaoguo/content_xiaoguo.htm（3）大连理工大学工程流体力学中国大学慕课，/八、教学条件流体力学线上线下混合式教学由老教师和青年教师形成的教学团