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流体力学

流体力学

英文名称:Fluid Mechanics

课程编号】:ENV12001 所属模块】学科基础课
学分数】3 适用专业】环境科学与工程、水文水资源及其他理工科专业
学时数】48 开设学期】春季
【已开设次数】12 【建议选课人数】40-80……(需配备助教)
授课教师姓名】陈家军 授课教师职称】教授
授课教师联系方式】Email:chenjiajun@bnu.edu.cn手机:13621322655
【先修课要求】数学分析、普通物理学

一、课程简介

流体力学是研究以水为代表的不可压缩粘性流体运动的基本运动规律以及工程应用的科学。流体力学课程的特点是理论性强、概念多、公式多。课程内容包括:流体静力学,流体运动学,理想流体动力学和平面势流,流体阻力和能量损失,有压管流、明渠流等。流体力学密切联系工程实际,其内容直接渗透到很多专业课程中,对后续课程知识网络的构建起着中间桥梁的作用。通过该课程的学习,可以培养学生分析问题和解决问题的能力,为后续专业课程的学习奠定理论基础。

二、课程目标

通过本课程学习,使学生系统地掌握流体运动的基本概念、基本理论与基本流体力学计算方法,具备一定的分析问题和解决问题的能力,为后续专业课程的学习做必要准备,并初步具备流体力学实验技能及工程中理论联系实际的能力。

三、教学内容和学时分配

(一)第-章……绪论4学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、流体力学的任务及发展史;

2、连续介质假设、流体的主要物理性质

包括:流体易流动性,质量和密度,重量和重度,粘性(粘滞性),流体的压缩性和膨胀性,表面张力,汽化压强等。

3、作用在流体上的力

包括:质量力和表面力。

4、流体力学的研究方法

分为理论分析法、实验法、数值计算法。

教学要求:

熟悉流体的主要物理性质,掌握作用在流体上的力,了解流体的连续介质模型概念。

重点、难点:

重点是使学生了解该课程的教学目的、基本内容及学习本课程应注意的问题;

难点是流体的流动性,连续介质模型,粘滞性和牛顿内摩擦定律。

其它教学环节:(如实验、习题课、讨论课、其它实践活动)习题讲解

(二)第二章……流体静力学6学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、流体的静压强特性

2、流体平衡微分方程(欧拉平衡微分方程)

包括:流体平衡微分方程(欧拉平衡微分方程),流体平衡微分方程的积分,等压面及其性质,帕斯卡定律等部分。

3、流体静力学基本方程(只有重力作用)

包括:重力作用下的流体平衡方程,等压面,压强的计量单位和表示方法,物理意义和几何意义,静压强分布图,测压计(测量流体静压强的仪器)。

4、流体的相对平衡

包括:绕容器中心铅垂轴作等角转速度旋转运动,等加速水平(直线)运动容器中液体的相对平衡。

5、作用在平面上的液体总压力

包括:图解法(大小、方向、作用点),解析法。

6、作用在曲面上的液体总压力

7、浮力和潜体、浮体的稳定

包括:阿基米德原理(浮力的计算),潜体及浮体维持平衡的条件,潜体及浮体维持平衡的稳定。

教学要求:

掌握流体静压强的概念及性质,并掌握点压强和总压力的计算方法,熟悉流体平衡微分方程及其在相对平衡中的应用。

重点、难点:

重点是使学生掌握点压强与总压力的计算方法;

难点是压强的度量方法,运用连通器内等压面的原理求解点压强以及总压力的铅垂分力中压力体的确定;作用在曲面上液体总压力的计算,受压形心和压力作用中心的区分。

其它教学环节:习题讲解和实验课。

(三)第三章……流体运动学6学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、描述流体运动的两种方法

包括:拉格朗日方法,欧拉法(流场法),欧拉法与拉格朗日法的区别与比较,迹线与流线。

2、描述流体运动的一些基本概念

包括:流管、流束、元流、过流断面、总流,流量、断面平均速度(流速)。

3、流体运动的分类

包括:恒定流和非恒定流,均匀流与非均匀流(渐变流和急变流),有压流、无压流、射流,三维流动(三元流),二维流动(二元流,平面流动),一维流动(一元流)。

4、流体运动的连续性方程

包括:流体运动的连续性微分方程,总流的连续性方程(恒定流),汇流、分流情况,流体流量的测量。

5、流体微元运动的基本形式

包括:流体微元运动的基本形式,二维情况下的流体微元运动的基本形式,二维情况(平面情况)下流体微元运动的基本形式与速度变化之间关系,速度分解定理(亥姆霍兹速度分解定理)。

6、无涡流(无旋流),有涡流(有旋流)

包括:无涡流(速度势,势函数),有涡流(有旋流)。

教学要求:

掌握描述流体运动的拉格朗日法和欧拉法,熟悉流体运动的一些基本概念、流体微元运动的基本形式及表述方法,理解恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流之间的区别和联系,了解无涡流(速度势,势函数)和有涡流(有旋流)的区别。

重点、难点:

重点是使学生掌握用拉格朗日法和欧拉法研究流体运动的不同;

难点是用拉格朗日法和欧拉法进行流体运动的求解,正确区分不同的流体运动类型。

其它教学环节:习题讲解和实验课。

(四)第四章……理想流体动力学和平面势流6学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、理想流体的运动微分方程(欧拉运动微分方程)

包括:理想流体运动微分方程(欧拉运动微分方程),葛罗米柯(兰姆)运动微分方程,理想流体运动微分方程的积分、伯努力方程。

2、理想流体元流的伯努利方程

包括:方程(不可压缩均质、理想流体、恒定元流),理想流体元流伯努利方程的物理、几何意义。

3、恒定平面势流

包括:速度势的性质,流函数及其性质,流函数与速度势的关系,简单平面势流,势流叠加原理和举例。

教学要求:

掌握理想流体的运动微分方程,了解流体微团运动的基本形式,熟悉速度势函数和流函数,了解势流叠加原理,具有运用理想流体的运动微分方程、伯努利方程求解流体运动的能力。

重点、难点:

重点是使学生具有灵活运用理想流体的运动微分方程、伯努利方程求解流体运动的能力;

难点是理解欧拉法及其基本概念、明确伯努利方程断面平均的意义,掌握动量方程的投影关系及流动有势的含义。

其它教学环节:习题讲解

(五)第五章……实际流体动力学基础8学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、实际流体的运动微分方程(N-S方程)

包括:以应力表示的实际流体的运动微分方程,实际流体的运动微分方程(纳维-斯托克斯方程),N-S方程的积分(沿流线积分)。

2、实际流体元流的伯努利方程

包括:实际流体元流的伯努利方程,物理意义、几何意义。

3、实际流体总流的能量方程(伯努利方程)

包括:实际流体总流的伯努利方程,文丘里(Venturi)管(流量计)。

4、恒定总流的动量方程

5、总流的动量矩方程

教学要求:

理解实际流体与理想流体质点应力的区别,掌握实际流体运动微分方程(N-S方程)向平衡欧拉微分方程或理想流体运动微分方程的转化,具有运用伯努利方程的能力及区别各项的物理意义。

重点、难点:

重点是使学生深入理解实际流体运动微分方程(N-S方程),具有灵活运用流体运动连续性方程、能量(伯努利)方程和动量方程流体动力学三大方程求解实际问题的能力;

难点是明确伯努利方程断面平均的意义,应用伯努利方程时断面及基准面的选取,掌握动量方程的投影关系及流动有势的含义。

(六)第六章……流体阻力和能量损失8学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、流体的两种流动形态:层流和湍流

包括:雷诺实验(圆管、恒定流实验)——层流和湍流,流态的判别准则--临界雷诺数。

2、恒定、均匀流沿程水头损失的表达式

包括:沿程损失与切应力的关系——均匀流基本方程,切应力分布,沿程水头损失hf的表达式。

3、层流沿程损失的分析和计算

包括:流速分布,最大流速umax在管轴处,断面平均流速,动能修正系数、动量修正系数,沿程水头损失hf,沿程阻力系数λ。

4、湍流理论基础

包括:湍流运动的基本特征,层流向湍流转变的条件,湍流的脉动性与时间性,湍流的分类,湍流的基本方程——雷诺方程,湍流半经验理论,粘性底层、光滑壁面、粗糙壁面。

5、湍流沿程损失的分析和计算

包括:尼古拉兹实验(1933),湍流光滑区沿程阻力系数的确定,湍流粗糙区沿程阻力系数的确定,湍流过渡区沿程阻力系数的确定,实用管道沿程阻力系数的确定,计算沿程损失的经验公式。

6、局部损失的分析和计算

包括:局部损失分析,局部损失的计算。

教学要求:

掌握流体运动的两种形态及其判别方法,熟悉圆管中层流运动规律,熟悉湍流特征、湍流时均化概念,了解附加切应力及混合长度的概念,熟悉沿程水头损失的成因和阻力系数的变化规律,掌握沿程水头损失的计算方法,熟悉局部水头损失的成因,掌握局部水头损失的计算方法,了解无限空间紊动射流的规律以及湍流扩散的基本概念,并了解湍流扩散方程。

重点、难点:

重点是使学生掌握层流与湍流概念及其流态判别方法,圆管层流的运动规律,沿程水头损失及局部水头损失的计算方法,沿程阻力系数的变化规律以及影响因素;

难点是对流动中不同流态的理解、对湍流特征与湍流时均化概念的理解以及沿程水头损失的成因。

(七)第七章……边界层理论基础和绕流运动4学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、边界层基本概念

2、绕流运动

包括:绕流阻力的概念,二维物体的绕流阻力,三维物体的绕流阻力。

绕流阻力的组成部分:磨擦阻力和压差(形状)阻力。

教学要求:

理解边界层概念与边界层分离现象,了解绕流阻力的计算。

重点、难点:

重点是使学生理解边界层的概念、能够确定出绕流的阻力系数;

难点是对绕流阻力的正确分析,以及确定出绕流阻力系数。

其它教学环节:实验流动现象观察。

(八)第八章……有压管流3学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、简单短管中的恒定有压流

包括:简单短管水力计算的基本公式,简单短管水力计算的基本类型。

2、简单长管中的恒定有压流

3、复杂长管中的恒定有压流

包括:串联管道,并联管道。

4、沿程均匀泄流管道中的恒定有压流

包括:沿程连续均匀泄流,沿程多孔口、等间距、等流量出流。

5、管网中的恒定有压流计算基础

包括:枝状管网,环状管网。

教学要求:

掌握孔口、管嘴基本公式及其应用,掌握有压管流的水力计算和水头线绘制方法,了解掌握枝状管网的水力计算方法和环状管网的计算原理。

重点、难点:

重点是使学生掌握有压管流,特别是复杂长管的水力计算和水头线绘制方法;难点是并联管路系统中各支管与总系统间水头损失、流量以及阻抗的关系,各支管的流量分配。

其它教学环节:习题讲解。

(九)第九章……明渠流3学时(课堂讲授学时+课程实验学时

主要内容:

1、恒定明渠均匀流

包括:明渠均匀流的特性及其产生条件,明渠均匀流的计算公式,明渠的水力最优断面和允许流速,明渠均匀流水力计算的基本问题和方法。

2、恒定明渠流的流动型态和基本概念

包括:缓流和急流,流态的判别标准,断面单位能量、临界水深、临界底坡。

3、恒定明渠流流态转换时的局部水力现象——水跃和跌水。

教学要求:

掌握明渠均匀流产生的条件、特征及其水力计算方法,掌握明渠非均匀渐变流的特征、断面单位能量、临界水深、临界底坡以及急、缓流的判别方法,了解水跃现象及其基本方程;掌握棱柱型渠道中的恒定非均匀渐变流水面曲线定性分析方法,了解分段求和法计算水面曲线方法。

重点、难点:

重点是明渠均匀流的水力计算,明渠非均匀渐变流的特征,断面单位能量、临界水深、临界底坡等概念,急、缓流态的判别方法;

难点是明渠均匀流的水力最优断面与允许流速,临界水深的计算方法。

其它教学环节:习题讲解。

四、教材与学习资源

教材:《工程流体力学》(第二版,上、下册),闻德荪主编。

参考资料:《流体力学》上课课件PPT,流体力学习题解答与分析,流体力学实验课指导材料,流体力学概念与原理的动画软件。

五、考核方式

包括:平时成绩(40%)和期末终考成绩(60%,闭卷)。平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告撰写情况及一次期中考试的成绩。