流体力学教学大纲

课程编号：081073A

课程类型：□通识教育必修课  □通识教育选修课

□专业必修课      □专业选修课

学科基础课

总 学 时： 48   讲课学时： 40  实验（上机）学时：8

学　　分：3

适用对象：环境工程

先修课程：高等数学、大学物理、理论力学

一、教学目标（黑体，小四号字）

流体力学是环境工程专业的一门主要技术基础课，其任务是使学生掌握流体运动的一般规律和有关的概念，基本理论、分析方法、计算方法和一定的实验技能；培养学生分析问题和解决问题的能力。为学习专业课，从事专业工作和进行科学研究打基础。

目标1：掌握流体力学的基本概念、基本理论、基本方法，并具有一定的流体力学实验技能（具有测量水位、压强、流量的操作技能和编写报告能力）。

目标2：掌握掌握流体力学的分析方法、计算方法，能在解决复杂工程问题时熟练运用，注重学生分析问题和解决问题能力的培养，注重学生探索精神和创新意识的培养。

目标3：为该课程在《水污染控制工程》、《大气污染控制I(防尘)》、《大气污染控制II(防毒)》、《排水管道系统》等课程中的应用奠定良好的基础。

二、教学内容及其与毕业要求的对应关系

本课程的重点内容包括平面上静水总压力的计算、曲面上静水总压力的计算、连续性方程、伯努利方程、动量方程的联合应用与计算，这些内容将细讲、精讲。对这部分内容，除了理论讲授课外，专门拿出一定时间作为习题课，带领学生精讲精练。粗讲的内容包括：液体的相对静止、潜体和浮体的平衡及稳定、流体微团运动分析、理想流体无旋流动、相似理论等。

为实现上述教学目标，教学过程将采用多媒体教学手段，课堂讲授为主、实验课、自习、练习为辅的教学方式。习题课讲解流体力学的解题思路、方法、步骤、注意的问题；分析习题中的错误、问题，在授课老师的引导下进行课堂讨论，并解决有关疑难问题。

实践教学环节主要是流体力学实验技能的训练，要求学生具有测量水位、压强、流量的操作技能和编写报告能力。

为巩固和加深学生对所学的基本概念、理论的理解，培养学生用流体力学的理论分析和解决问题的能力、培养计算技能，课后将布置作业30道左右题目，由学生完成，并针对性的进行作业题目讲解。通过课后作业提高学生对于重点、难点内容的掌握。

该课程可支撑一下两方面毕业要求的实现：

（1）掌握环境工程通识教育类、学科基础类、专业基础类、专业类知识及相关学科知识，并能将所学知识用于解释本专业领域及相关领域的现象和问题，了解本学科发展前沿，具有国际视野；

（2）能够应用环境工程基本原理、方法对本专业领域及相关领域问题进行判断、分析和研究，提出相应对策和建议，并形成解决方案；

考核方式

闭卷。平时成绩占30%，期末考试成绩占70%

三、各教学环节学时分配（黑体，小四号字）

教学课时分配

第一章 绪论

第一节 概述

流体力学定义、任务、研究方法；学习流体力学的意义；流体力学的发展简史

第二节 流体的连续介质模型

第三节 流体的主要物理性质

惯性、重力特性、粘性、压缩性。

液体表面张力；表面张力系数，量纲，单位；毛细现象

第四节 作用在液体上的力

表面力；质量力：总质量力、单位质量力

教学重点、难点：流体的粘滞性、流体力学力的分类

课程的考核要求：了解流体力学的定义、研究方法及发展简史；熟悉流体的连续介质模型；掌握牛顿内摩察力的计算及流体力学力的分类。

作业：习题：1-10、11、12、13

第二章 流体静力学

第一节 静止流体的应力特征

压强定义；静止流体压强特性

第二节 静止流体的平衡微分方程

欧拉平衡微分方程；欧拉平衡微分方程综合表达式；等压面

第三节 重力作用下的液体的压强分布

水静力学基本方程；有关压强的基本概念

第四节 压强的量测

绝对压强、相对压强、真空度；液体压强的表示法；水静力学基本方程的物理意义和几何意义；液体压强的量测

第五节 作用于平面上的静水总压力

大小；方向；压力中心

第六节 作用于曲面上的静水总压力

水平分力；铅垂分力，压力体；总压力；压力中心

教学重点、难点：平面上的静水总压力的计算、曲面上的静水总压力的计算

课程的考核要求：理解静止流体的应力特征，相对压强、绝对压强及真空压强的概念；掌握静水压强的计算方法，平面上的静水总压力的计算方法，曲面上的静水总压力的计算方法。

习题：2-9、10、17、20、23、24、25

第三章 流体动力学理论基础

第一节 描述液体运动的两种方法

拉格朗日法；欧拉法；欧拉变数；时变加速度；位变加速度

第二节 研究流体运动的若干基本概念

恒定流与非恒定流；迹线；流线：定义、微分方程、流线性质；质点与控制体概念；元流；总流；过水断面；流量与断面平均流速；均匀流与非均匀流，均匀流定义；均匀流过水断面动水压强特征

第三节 流体的连续方程

元流连续方程；总流连续方程

第四节 理想流体运动的微分方程

欧拉运动方程；欧拉运动方程与欧拉平衡方程比较

第五节 伯诺里方程

理想流体元流的伯诺里方程；实际流体元流的伯诺里方程；方程表示式的物理意义和几何意义；实际流体恒定总流的能量方程：总流的能量方程一般表示式；应用条件；几何意义和物理意义；能量方程应用

第六节 恒定总流的动量方程

动量方程表达式；动量方程应用：射流冲击垂直固体边壁、分岔流动、平面弯管流动、立面弯管流动

教学重点、难点：连续性方程、伯努利方程、动量方程平面上的静水总压力的计算、曲面上的静水总压力的计算

课程的考核要求：了解描述流体运动的两种方法；理解流体运动的基本概念，伯努利方程的物理意义、几何意义；熟练掌握连续性方程、伯努利方程、动量方程应用条件、注意事项和解题步骤，熟悉三大方程的联合应用。

习题3-11、12、19、23、25、26、28、29、32、34。

第四章  量纲分析

第一节 量纲分析基本概念

第二节 量纲分析法（瑞利法，π定理）

教学重点、难点：利用瑞利法、π定理法建立物理量间函数关系的方法

课程的考核要求：理解量纲、单位的概念；能把任一物理量的量纲写成基本量纲指数成绩的形式；掌握瑞利法、π定理法建立物理量间函数关系的方法和步骤

习题4-6、7（3）、8、9

第五章 流动阻力与水头损失

第一节 水头损失及其分类

水流阻力及其分类；沿程阻力；局部阻力；过水断面的水力要素；湿周；水力半径

第二节 均匀流沿程水头损失与水流阻力的关系

均匀流沿程水头损失与水流阻力的关系；达西公式

第三节 流动的两种形态

雷诺实验；两种流动形态：层流、紊流；水流雷诺数、临界雷诺数、下临界雷诺数、上临界雷诺数；水头损失与流速的实验关系曲线

第三节 层流运动

圆管层流运动；流速分布规律；水头损失与断面平均流速的关系；沿程阻力系数

第五节 紊流运动

紊流的产生机理；紊流运动要素的时均法；脉动现象、瞬时值、时均值、脉动值；紊流附加切应力；紊流结构；粘性底层；过渡区；紊流核心区；紊流过水断面的流速分布；流速分布的对数规律；流速分布的指数规律

第六节 紊流的沿程水头损失

尼古拉兹实验；沿程水头损失的一般规律：沿程阻力系数与雷诺数，粗糙度关系；紊流沿程水头损失系数的总公式；莫迪图；沿程水头损失系数的经验公式；谢才公式及其谢才系数曼宁公式

第七节 局部水头损失

管道突然扩大的局部水头损失；局部水头损失的一般表达；局部阻力系数

教学重点、难点： 水头损失的测定。

课程的考核要求：了解水头损失的定义、成因和分类；理解层流、紊流的本质区别、流动特征，分类标准；掌握实验室中水头损失的测量原理及方法，掌握沿程水头损失系数及局部阻力系数的计算方法。

习题：5-8、20、21、22。

第六章 孔口、管嘴和有压管道流动

第一节 孔口恒定出流

第二节 管嘴恒定出流

第三节 简单管道水力计算

简单管道的水力计算；自由出流；淹没出流；测压管水头线、总水头线绘制

第四节 虹吸管及水泵的水力计算

虹吸管；水泵：管径、最大允许安装高度、扬程、装机容量

第五节 串连管道和并联管道的水力计算

第六节 管网计算基础：枝状管网；环状管网。

第七节 有压管中的水击：水击产生的原因；减少直水击的措施。

教学重点、难点：短管的水力计算、长管的水力计算。

课程的考核要求：了解有压管流的分类，自由出流与淹没出流的概念、长、短管的概念；掌握有压管道测压管水头线、总水头线的绘制方法；熟练掌握长、短管的水力计算方法。

习题6-7、12、15、20、23、25、27、28

五、考核方式、成绩评定

闭卷。平时成绩占30%，期末考试成绩占70%

六、主要参考书（黑体，小四号字）

[1]禹华谦，莫乃榕．工程流体力学 第二版．北京：高等教育出版社．2011年1月

[2]赵毅山，程军．流体力学．上海：同济大学出版社．2004年5月

[3]莫乃榕、槐文信．流体力学、水力学题解．武汉：华中科技大学出版社．2002年9月

执笔人：许联锋     教研室主任：　　　　　系教学主任审核签名：