《流體力學(xué)》土木工程專業(yè)教學(xué)大綱

1、流體力學(xué)課程教學(xué)大綱（Fluid Mechanics）一、課程概況課程代碼：0401009學(xué) 分：1.5學(xué) 時(shí)：24（其中：講授學(xué)時(shí) 20， 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)4，上機(jī)學(xué)時(shí)0）先修課程：高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)適用專業(yè)：土木工程建議教材：應(yīng)用流體力學(xué)，毛根海主編，高等教育出版社，2006年第一版課程歸口：土木建筑工程學(xué)院課程的性質(zhì)與任務(wù)：本課程是土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，也可作為工程管理類專業(yè)的選修課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握連續(xù)性方程、能量方程等基礎(chǔ)理論和畢托管實(shí)驗(yàn)、孔口管嘴出流等基本操作技能，為后續(xù)交通、市政相關(guān)課程及實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。二、課程目標(biāo)目標(biāo)1. 具備一般分析流體力學(xué)問(wèn)題的能力。目

2、標(biāo)2. 具備設(shè)計(jì)流體力學(xué)試驗(yàn)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。目標(biāo)3. 具備一般流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的操作能力。目標(biāo)4. 掌握流體平衡和流動(dòng)的基本規(guī)律。目標(biāo)5. 熟悉流體力學(xué)在實(shí)際孔口出流、管嘴出流、管流中的流動(dòng)規(guī)律。目標(biāo)6. 有較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)合作精神。本課程支撐專業(yè)人才培養(yǎng)方案中畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示。畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)目標(biāo)1目標(biāo)2目標(biāo)3目標(biāo)4目標(biāo)5目標(biāo)6畢業(yè)要求1畢業(yè)要求4畢業(yè)要求5畢業(yè)要求9三、課程內(nèi)容及要求（一）概述1. 內(nèi)容(1)流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展簡(jiǎn)史，流體力學(xué)的研究范圍、對(duì)象。(2)流體的連續(xù)介質(zhì)模型：連續(xù)介質(zhì)模型的提出，相應(yīng)引出的流體質(zhì)點(diǎn)和流體微團(tuán)的物理意義。(3)流體的主要物理性質(zhì)： 密度

3、和重度、粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律、壓縮性、表面張力、氣化壓強(qiáng)。(4)作用在流體上的力：表面力、質(zhì)量力。(5)工程流體力學(xué)的研究方法：理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值研究2. 要求(1)掌握：流體質(zhì)點(diǎn)和流體微團(tuán)的物理意義；流體的物理性質(zhì)：密度、重度、粘性、牛頓內(nèi)摩擦定律(2)熟悉：作用在流體上的力：表面力、質(zhì)量力(3)了解：流體力學(xué)的研究范圍、對(duì)象；連續(xù)介質(zhì)模型；壓縮性、表面張力、氣化壓強(qiáng)(4)了解：工程流體力學(xué)學(xué)的研究方法3. 重點(diǎn)(1)流體連續(xù)介質(zhì)模型(2)流體的物理性質(zhì)(3)作用在流體上的力4. 難點(diǎn)(1)連續(xù)介質(zhì)模型數(shù)學(xué)表述（二）流體靜力學(xué)1. 內(nèi)容(1)流體靜壓強(qiáng)及其特性壓強(qiáng)的定義、特性流體靜壓強(qiáng)

4、是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)(2)流體平衡的微分方程及其積分流體平衡的微分方程及積分；帕斯卡定律；等壓面(3)重力作用下流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律流體靜力學(xué)基本方程(質(zhì)量力僅為重力)：絕對(duì)壓強(qiáng)，相對(duì)壓強(qiáng)，真空值；流體靜壓強(qiáng)分布圖；側(cè)壓管高度、側(cè)壓管水頭及真空度(4)流體壓強(qiáng)的測(cè)量各類側(cè)壓管的構(gòu)造應(yīng)用(5)流體的相對(duì)平衡質(zhì)量力包含簡(jiǎn)單慣性力及重力的簡(jiǎn)單情況(6)靜止液體作用在平面上的總壓力解析法及圖解法兩種計(jì)算方法(7)靜止液體作用在曲面上的總壓力總壓力的大小、方向和作用點(diǎn)；壓力體的概念及應(yīng)用(8)潛體及浮體的平衡與穩(wěn)定性物體的沉浮一重力與浮力的關(guān)系；潛體的平衡及穩(wěn)定性；浮體的平衡及穩(wěn)定性2. 要求(1)掌握

5、：流體靜壓強(qiáng)的兩個(gè)特性；等壓面；絕對(duì)壓強(qiáng)，相對(duì)壓強(qiáng)，真空值；靜壓強(qiáng)分布圖的繪制；側(cè)壓管高度、側(cè)壓管水頭及真空度；靜止液體作用在平面及曲面上的總壓力(2)掌握：靜壓強(qiáng)的數(shù)學(xué)定義；側(cè)壓管，U形側(cè)壓計(jì)、U型壓差計(jì)的構(gòu)造、使用原理；(3)了解：流體平衡的微分方程及其積分；液體的相對(duì)平衡；潛體、浮體的平衡及穩(wěn)定性3. 重點(diǎn)(1)流體靜力學(xué)基本方程的推導(dǎo)及應(yīng)用；壓力體圖的繪制；靜止液體作用在平面上的總壓力4. 難點(diǎn)(1)流體平衡的微分方程及其積分；靜止液體作用在曲面上的總壓力（三）流體運(yùn)動(dòng)基本原理1. 內(nèi)容(1)描述流體運(yùn)動(dòng)的方法拉格朗日法；歐拉法(2)研究流體運(yùn)動(dòng)的若干基本概念：恒定流與非恒定流、一元流

6、、二元流與三元流、流線與跡線、流管元流、總流、過(guò)流斷面、流量與斷面平均流速、均勻流與非均勻、漸變流與急變流、系統(tǒng)與控制體。(3)流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程連續(xù)性微分方程；恒定不可壓縮總流的連續(xù)性方程(4)理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程；歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程的積分(5)伯努力方程理想流體恒定元流的伯努力方程；實(shí)際流體恒定元流的伯努力方程；實(shí)際流體恒定總流的伯努力方程(6)動(dòng)量方程歐拉型積分形式的動(dòng)量方程；恒壓不可壓縮總流的動(dòng)量方程；恒定不可樂(lè)縮總流的動(dòng)量方程應(yīng)用(7)動(dòng)量矩方程2. 要求(1)掌握：歐拉法：恒定流與非恒定流、一元流、二元流與三元流、流線與跡線、流管、元流、總流、過(guò)流斷面、流量

7、與斷面平均流速、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流、系統(tǒng)與控制體；實(shí)際流體恒定總流的伯努力方程。(2)了解：拉格朗日法；各類方程的微分公式的推導(dǎo)(3)了解：動(dòng)量矩方程；流體微團(tuán)的速度分解公式3. 重點(diǎn)(1)歐拉法：恒定流與非恒定流；流線與跡線；元流、總流、過(guò)流斷面；流量與斷面平均流速；連續(xù)性方程；實(shí)際流體恒定總流的伯努力方程。4. 難點(diǎn)(1)歐拉法：恒定不可壓縮總流的連續(xù)性方程：實(shí)際流體恒定思流的伯努力方程；恒定不可壓縮總流的動(dòng)量方程。（四）恒定總流基本方程1. 內(nèi)容（1）實(shí)際流體元流的伯努利方程實(shí)際流體元流的伯努利方程；實(shí)際流體元流的伯努利方程的物理意義和幾何意義（2）實(shí)際流體總流的伯努利方程

8、實(shí)際流體總流的伯努利方程；總流伯努利方程的應(yīng)用條件和應(yīng)用方法；文丘里管；有能量輸入和輸出的伯努利方程（3）總流的動(dòng)量方程總流的動(dòng)量方程；總流動(dòng)量方程的應(yīng)用條件和應(yīng)用方法2. 要求熟練掌握恒定總流能量方程的應(yīng)用條件和注意事項(xiàng)，用能量方程進(jìn)行水力計(jì)算；熟練掌握恒定總流動(dòng)量方程的應(yīng)用條件和注意事項(xiàng)，用恒定總流的連續(xù)方程、能量方程和動(dòng)量方程聯(lián)解，進(jìn)行水力計(jì)算。3. 重點(diǎn)能量方程及其應(yīng)用，動(dòng)量方程及其應(yīng)用。4. 難點(diǎn)能量方程、動(dòng)量方程以及與連續(xù)性方程的聯(lián)合應(yīng)用。（五）流體阻力及能量損失1. 內(nèi)容（1）流體的兩種流動(dòng)形態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)；層流和湍流；雷諾數(shù)（2）恒定均勻流基本方程均勻流基本方程；沿程損失的普遍表達(dá)

9、式（3）層流沿程損失的分析與計(jì)算哈根-泊肅葉公式；圓管層流的沿程阻力系數(shù)（4）湍流理論基礎(chǔ)湍流的脈動(dòng)和時(shí)均法；半經(jīng)驗(yàn)理論；粘性底層，光滑壁面，粗糙壁面（5）湍流沿程損失的分析與計(jì)算尼古拉茲實(shí)驗(yàn)；湍流不同區(qū)域沿程阻力系數(shù)的確定；實(shí)用管道沿程阻力系數(shù)的確定；非圓形管道沿程損失的計(jì)算；計(jì)算沿程損失的經(jīng)驗(yàn)公式（6）局部損失的分析與計(jì)算局部損失的分析；局部損失的計(jì)算2. 要求（1）知道雷諾實(shí)驗(yàn)過(guò)程，了解層流與紊流流態(tài)的特點(diǎn)，熟練掌握流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)。（2）知道邊界層理論。（3）理解流動(dòng)阻力的兩種形式，掌握沿程損失和局部損失的計(jì)算方法。（4）了解圓管中層流運(yùn)動(dòng)的流速分布，熟練掌握層流沿程損失的計(jì)算公式。（5）

10、知道紊流運(yùn)動(dòng)的分析方法，知道摩阻速度。（6）理解尼古拉茲實(shí)驗(yàn)，了解莫迪圖，掌握阻力系數(shù)的確定方法，會(huì)使用阻力系數(shù)計(jì)算公式解決工程問(wèn)題。（7）掌握管道流動(dòng)中局部阻力計(jì)算方法，知道局部阻力減阻措施。3. 重點(diǎn)(1)雷諾數(shù)，尼古拉茲實(shí)驗(yàn)，紊流的阻力系數(shù)，沿程損失，局部損失。4. 難點(diǎn)(1)紊流流速分布和紊流阻力分析。（六）孔口出流及管嘴出流1. 內(nèi)容（1）恒定薄壁孔口出流孔口出流分類；薄壁小孔口自由出流；薄壁大孔口自由出流；薄壁孔口淹沒(méi)出流（2）管嘴出流的水力計(jì)算圓柱形外管嘴自由出流；圓柱形外管嘴淹沒(méi)出流2. 要求（1）理解孔口自由、淹沒(méi)出流的概念，掌握恒定流孔口出流的計(jì)算方法。（2）了解管嘴出流。

11、（3）熟練掌握短管水力計(jì)算和相關(guān)工程問(wèn)題的計(jì)算方法。3. 重點(diǎn)(1)恒定流孔口出流、管嘴出流，短管、長(zhǎng)管水力計(jì)算。4. 難點(diǎn)(1)短管水力計(jì)算。教學(xué)內(nèi)容與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系及學(xué)時(shí)分配如表所示。序號(hào)教學(xué)內(nèi)容支撐的課程目標(biāo)支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)講授學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)1緒 論6、81、7、822流體靜力學(xué)1、2、3、4、6、7、82、3、4、5、6、9、10、12313流體運(yùn)動(dòng)基本原理3、4、6、7、82、3、4、5、6、9、10、12614恒定總流基本方程1、2、3、4、6、7、82、3、4、5、6、9、10、12315流體阻力及能量損失1、2、3、4、6、7、82、3、4、5、6、9、10、12316孔

12、口出流及管嘴出流1、2、4、5、7、82、3、4、5、6、10、123合計(jì)204四、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求學(xué)時(shí)對(duì)畢業(yè)要求的支撐類型備注1流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)利用U形管測(cè)量液體密度。測(cè)定矩形平面上的靜水總壓力等。12、3、9、10驗(yàn)證性必做2能量方程實(shí)驗(yàn)測(cè)量急變流、漸變流、均勻流過(guò)水?dāng)嗝鎵簭?qiáng)分布；繪制測(cè)壓管水頭線和總水頭線。12、3、9、10驗(yàn)證性必做3雷諾實(shí)驗(yàn)測(cè)定水流的雷諾數(shù)；判別層流紊流的流態(tài)。12、3、9、10驗(yàn)證性必做4沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)測(cè)定各種流態(tài)下管道的沿程水頭損失系數(shù)。 12、3、9、10綜合型必做五、課程實(shí)施（一）傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)手段相結(jié)合。隨著科技的發(fā)展，多媒體技

13、術(shù)在教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用并越來(lái)越受到重視。但是單純的多媒體課件教學(xué)效果并不理想，學(xué)生反映雖然課堂信息量大，但講課速度偏快，接受起來(lái)比較困難，尤其是公式推導(dǎo)和例題講解方面更加明顯。在傳統(tǒng)教學(xué)方式中，教師只能憑口述和板書進(jìn)行講解，對(duì)于抽象的概念學(xué)生很難理解。因此，根據(jù)不同教學(xué)方式的特點(diǎn)，進(jìn)行合理運(yùn)用，尋找最佳的結(jié)合方式，可以達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果。例如以傳統(tǒng)的板書形式來(lái)進(jìn)行公式推導(dǎo)和講解例題，而對(duì)理論部分和工程應(yīng)用部分較多地采用多媒體課件。在對(duì)自然界中的流體流動(dòng)現(xiàn)象分析、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面用多媒體課件講解將更加直觀、生動(dòng)和易于理解。（二）主動(dòng)學(xué)習(xí)與被動(dòng)傳授相結(jié)合。在課堂講授的基礎(chǔ)上，可以提出一些

14、當(dāng)前的熱點(diǎn)話題、學(xué)科前沿鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題和嘗試解決問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)和提升創(chuàng)造性思維能力。如提出學(xué)科前沿問(wèn)題“微尺度流動(dòng)問(wèn)題”，要求學(xué)生通過(guò)去圖書館查閱資料，學(xué)習(xí)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)科技文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索最新的科技論文，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。長(zhǎng)此以往有利于培養(yǎng)學(xué)生敢于獨(dú)立思考，敢于提問(wèn)，敢于猜想，敢于探索的精神，達(dá)到“授之以漁”的目的。（三）考核方式改革。合理的考核機(jī)制有利于客觀、公正地對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核。對(duì)于多數(shù)工科課程來(lái)說(shuō)，學(xué)生對(duì)大量無(wú)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式死記硬背是沒(méi)有意義的，是否能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決問(wèn)題才是考試的目的和核心。對(duì)于流體力學(xué)課程，傳統(tǒng)考核方式

15、是閉卷考試，對(duì)于教材中大量由實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式要求學(xué)生全部死記硬背是不切實(shí)際的，也是沒(méi)有意義的，而如果避開(kāi)這些內(nèi)容又會(huì)限制考核命題范圍。因此，采用“開(kāi)卷”（給出所有復(fù)雜公式）+閉卷相結(jié)合的方式是本院進(jìn)行考核方式改革的行總結(jié)。這樣有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高他們的表述能力，增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)自信心。（）主要教學(xué)環(huán)節(jié)質(zhì)量要求如表所示。主要教學(xué)環(huán)節(jié)質(zhì)量要求1備課（1）講授內(nèi)容明確（2）課件、教案準(zhǔn)備齊全（3）了解課程重點(diǎn)、難點(diǎn)（4）課程目標(biāo)明確2講授（1）目標(biāo)明確（2）講授清晰易懂（3）互動(dòng)頻繁（4）重點(diǎn)清晰3作業(yè)布置與批改（1）重點(diǎn)突出（2）內(nèi)容適量（3）考察明確4課外答疑（1）時(shí)間充裕（2）清晰

16、明確（3）詳細(xì)確切5成績(jī)考核（1）符合教學(xué)目標(biāo)（2）考核公平公正（3）突出重點(diǎn)、難點(diǎn)六、課程考核（一）課程考核包括期末考試、平時(shí)及作業(yè)考核和實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）考核等，期末考試采用閉卷方式。（二）課程總評(píng)成績(jī)=平時(shí)成績(jī)30% +實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）成績(jī)10%+期末考試成績(jī)60%。具體內(nèi)容和比例如表所示。成績(jī)組成考核/評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)權(quán)重考核/評(píng)價(jià)細(xì)則對(duì)應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)平時(shí)成績(jī)課堂出勤課后作業(yè)課堂互動(dòng)30 %課堂出勤考察次數(shù)不少于上課次數(shù)的50%，占平時(shí)成績(jī)的30%；課后作業(yè)重點(diǎn)考察學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和重點(diǎn)公式的使用，弱化最終答案的正確率，占平時(shí)成績(jī)的30%；課堂互動(dòng)主要考察學(xué)生上課的效率，對(duì)知識(shí)的掌握程度，占平時(shí)成績(jī)的40%。1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）成績(jī)實(shí)驗(yàn)出勤實(shí)驗(yàn)報(bào)告10% 實(shí)驗(yàn)課均考察學(xué)生出勤情況，占實(shí)驗(yàn)成績(jī)的