流體力學(xué)教學(xué)大綱

1、流體力學(xué)教學(xué)大綱課程編號：140135課程名稱：流體力學(xué)英文名稱：Fluid Mechanics學(xué)分：2.5學(xué)時：42適用年級專業(yè)（學(xué)科類）：土木工程一、課程概述（一）課程性質(zhì)流體力學(xué)是一門土木工程專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握水流宏觀運(yùn)動的基本規(guī)律、基本理論與分析方法，理解不同水流的特點(diǎn)，學(xué)會常見土木工程中的水力計(jì)算方法，并具備初步的試驗(yàn)量測技能，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和從事專業(yè)技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。（二）教學(xué)目標(biāo)與要求1、具有較為完整的理論基礎(chǔ),包括：掌握流體力學(xué)的基本概念；熟練掌握分析流體運(yùn)動的總流分析方法,熟悉量綱分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,了解求解簡單平面勢流的方法；掌握流體運(yùn)動

2、能量轉(zhuǎn)化和水頭損失規(guī)律,對繞流流阻力有一定了解；具有對一般流動問題的分析和計(jì)算能力,包括：水力荷載的計(jì)算；管道、渠道和堪過流能力的計(jì)算,井的滲流計(jì)算；.水頭損失的分析和計(jì)算。2、掌握測量水位、壓強(qiáng)、流速、流量的常規(guī)方法。具有觀察水流現(xiàn)象,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和編寫報告的能力。（三）重點(diǎn)和難點(diǎn)該課程中牛頓內(nèi)摩擦定律，流體靜壓強(qiáng)及作用在平面和曲面上的總壓力的計(jì)算，描述流體運(yùn)動的的歐拉法，連續(xù)性方程、伯努利方程和動量方程的建立及其工程應(yīng)用，流體力學(xué)的相似準(zhǔn)則、無量綱數(shù)和量綱齊次性原理，兩種水頭損失計(jì)算、沿程阻力系數(shù)和紊流的特征，短管和長管的水力計(jì)算，明渠均勻流的水力計(jì)算、明渠非均勻流水面曲線的定性分析及定量

3、計(jì)算，小橋（涵）孔徑的水力計(jì)算，達(dá)西滲流定律、集水廊道和單井產(chǎn)水量計(jì)算等是本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。（四）與其他課程的關(guān)系前修課程：高等數(shù)學(xué)，普通物理，理論力學(xué)和材料力學(xué)（基礎(chǔ)部分）。流體力學(xué)課程在專業(yè)教學(xué)中將為水文學(xué)、土力學(xué)、工程地質(zhì)、土木工程施工、建筑設(shè)備等多門專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程闡釋所涉及的流體力學(xué)原理,幫助學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系。（五）教材及教學(xué)參考書1、劉鶴年，流體力學(xué)（第二版），中國建筑工業(yè)出版社，2004年7月。2、丁祖榮，流體力學(xué)，高等教育出版社。3、胡敏良主編，流體力學(xué)，武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2002年7月第1版。二、學(xué)時分配章課程內(nèi)容學(xué)時1緒論42流體靜力學(xué)4

4、3流體運(yùn)動學(xué)64流體動力學(xué)基礎(chǔ)65量綱分析和相似原理46流動阻力和水頭損失67孔口、管嘴出流和有壓管流48明渠流動49堰流210滲流2三、課程內(nèi)容第一章 緒論教學(xué)的目的和要求：使學(xué)生了解流體力學(xué)的任務(wù)及應(yīng)用領(lǐng)域，掌握流體的連續(xù)介質(zhì)理論和流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)以及作用在流體上的力的兩種形式。掌握流體的連續(xù)介質(zhì)模型、流體的主要物理性質(zhì)：易流動性、密度與重度、粘性與理想流體模型、壓縮性與不可壓模型、表面張力特性、汽化壓強(qiáng)特性；掌握作用在流體上的力的兩種形式：質(zhì)量力與表面力。主要內(nèi)容：1.流體力學(xué)的研究對象和任務(wù)。2.流體的連續(xù)介質(zhì)模型、質(zhì)點(diǎn)。3.作用在流體上的力:表面力和質(zhì)量力。4.流體的主要物理性

5、質(zhì):慣性、粘性、壓縮性。5.牛頓流體和非牛頓流體。重點(diǎn)：流體的連續(xù)介質(zhì)模型、密度與重度、粘性與理想流體模型、牛頓內(nèi)摩擦定律、壓縮性與不可壓模型、質(zhì)量力與表面力 難點(diǎn)：連續(xù)介質(zhì)模型、牛頓內(nèi)摩擦定律、質(zhì)量力與表面力主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講授，配合多媒體課件。注意問題：概念理解、記憶并能應(yīng)用。思考題： 1-1 液體與氣體有哪些不同性質(zhì)？1-2 何謂連續(xù)介質(zhì)？引入的目的意義何在？1-3 密度、重度和比重的定義以及它們之間的關(guān)系如何？1-4 流體的壓縮性和膨脹性如何去度量？溫度和壓力對它們怎樣影響？1-5 何謂流體的粘性？如何度量流體粘性的大??？液體和氣體的粘性有何區(qū)別？其原因何在？1-6 作用在流體上的

6、力，包括哪些力？在何種情況下有慣性力？何種情況下沒有摩擦力？第二章 流體靜力學(xué)教學(xué)的目的和要求：理解靜水壓強(qiáng)的特性，理解液體平衡微分方程，壓強(qiáng)的表示方法、壓強(qiáng)的計(jì)量單位、液體的相對平衡；掌握水靜力學(xué)的基本方程，掌握液柱式測壓計(jì)的基本原理，掌握并能熟練計(jì)算作用在平面、曲面上的靜水總壓力。主要內(nèi)容：1.靜止流體中應(yīng)力的特性。2.流體平衡微分方程、等壓面。3.重力場中液體靜壓強(qiáng)的分布。絕對壓強(qiáng)、相對壓強(qiáng)、真空度。測壓管水頭。4.液體作用在平面上的總壓力。壓力中心。壓強(qiáng)分布圖法。5.液體作用在曲面上的總壓力。壓力體。6.浮力。浮體的平衡。重點(diǎn)：靜水壓強(qiáng)的特性、液體平衡微分方程、液體的相對平衡、水靜力學(xué)

7、的基本方程、液柱式測壓計(jì)、作用在平面、曲面上的靜水總壓力。 難點(diǎn)：液體平衡微分方程、液體的相對平衡、差壓計(jì)、作用在平面、曲面上的靜水總壓力。主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講授，配合多媒體課件。注意問題：概念、原理、計(jì)算方法的理解、記憶，復(fù)習(xí)高等數(shù)學(xué)中的泰勒公式、理論力學(xué)中的合力之矩原理、材料力學(xué)中的靜面矩、慣性矩。思考題：2-1 流體靜壓力有哪些特性？如何證明？2-2 試述流體平衡微分方程式的推導(dǎo)步驟，其物理意義和適用范圍是什么？2-3 什么樣的函數(shù)稱為力函數(shù)？力函數(shù)與壓力全微分有什么關(guān)系？2-4 等壓面及其特性如何？2-5 靜力學(xué)基本方程說明哪些問題？它的使用條件是什么？2-6 絕對壓、表壓和真空度的

8、意義及其間的相互關(guān)系如何？2-7 何謂相對靜止流體？分析的方法如何？它們和靜止流體有什么共性？2-8 如何確定平面、曲面上液體總壓力大小、方向、作用點(diǎn)，它們之間有什么共性和特性？2-9 何謂壓力中心？何謂壓力體？確定壓力體的方法步驟如何？2-10 怎樣確定潛體和浮體所受浮力的大小和作用點(diǎn)？潛體和浮體的平衡條件是什么？第三章 流體運(yùn)動學(xué)教學(xué)的目的和要求：了解描述流體運(yùn)動的兩種方法，建立描述流場的軌跡線和流線的方程式的意義。了解流體運(yùn)動的微元分析法，了解流體微團(tuán)運(yùn)動的基本形式。理解有勢流動和有旋流動。主要內(nèi)容：1.描述流體運(yùn)動的兩種方法:拉格朗日法和歐拉法。流場。質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)。2.恒定流和非恒定流。一

9、元、二元和三元流動。均衡流和非均衡流。3.流線、元流和總流。流量。平均流速。4.流體微團(tuán)運(yùn)動分析。有旋運(yùn)動和無旋運(yùn)動。5.連續(xù)性微分方程及其對總流的積分。重點(diǎn)：描述流體運(yùn)動的兩種方法。 難點(diǎn)：流體運(yùn)動的微元分析法。主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講授，配合多媒體課件。注意問題：概念、原理、計(jì)算方法的理解、記憶。思考題：3-1 拉格朗日法和歐拉法在分析流體運(yùn)動上有什么區(qū)別？為什么常用歐拉法？3-2 歐拉法中流體的加速度如何表示？3-3 何謂穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動？試舉例說明其區(qū)別。3-4 何謂流線？流線有什么特點(diǎn)？流線與跡線有什么不同？3-5 引入斷面平均流速有什么好處？它和實(shí)際流速有什么關(guān)系？3-6 重量流

10、量與體積流量之間的關(guān)系如何？常用的單位是什么？第四章 流體動力學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)的目的和要求：了解質(zhì)量守恒定律表現(xiàn)形式連續(xù)性方程。了解不可壓縮平面流動流函數(shù)的定義和性質(zhì)。了解從動量守恒原理導(dǎo)出的納維斯托克斯方程及其各項(xiàng)的物理意義。了解理想流體運(yùn)動的歐拉方程、蘭姆方程及歐拉方程的邊界條件。了解定常流動的歐拉方程積分伯努利定理的物理意義及其應(yīng)用實(shí)例和不定常流動的歐拉方程積分拉格朗日柯西積分。了解定常流動的動量定律及動量矩定律。主要內(nèi)容：1.流體運(yùn)動微分方程:理想流體運(yùn)動微分方程。粘性流體運(yùn)動微分方程(不推導(dǎo))。2.理想流體運(yùn)動微分方程的伯努利積分。伯努利方程的能量意義和幾何意義。3.總流的伯努利方程。4.

11、總流的動量方程。5.理想流體的無旋流動。流速勢函數(shù)與流函數(shù)?；酒矫鎰萘?。勢流疊加原理。重點(diǎn)：連續(xù)性微分方程，理想液體運(yùn)動微分方程，實(shí)際流體的運(yùn)動微分方程，恒定總流連續(xù)性方程，理想液體元流的能量方程與實(shí)際流體總流的能量方程、恒定總流動量方程以及恒定平面勢流。難點(diǎn)：連續(xù)性微分方程，實(shí)際液體的運(yùn)動微分方程，實(shí)際液體總流的能量方程、恒定總流動量方程以及恒定平面勢流。主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講授，配合多媒體課件。注意問題：1）概念、原理、計(jì)算方法的理解、掌握。注意實(shí)際流體能量方程和動量方程計(jì)算斷面的選取，以及解題步驟與方法；注意有渦流與勢流；2）注意復(fù)習(xí)高等數(shù)學(xué)的導(dǎo)數(shù)、微分與曲線積分等基本方法概念、原理、

12、計(jì)算方法的理解、記憶。思考題：4-1 連續(xù)性方程的物理意義如何？4-2 歐拉運(yùn)動微分方程式的物理意義如何？適用于什么情況？4-3 流束和總流的伯諾利方程式有何區(qū)別？其適用條件如何？各項(xiàng)的物理意義又如何？4-4 運(yùn)動坐標(biāo)系的伯諾利方程式如何表示？其物理意義如何？4-5 應(yīng)用伯諾利方程時要注意哪些問題?4-5 為何伯諾利方程可以用圖表示出來？如何表示？何謂水力坡降？第五章 量綱分析和相似原理教學(xué)的目的和要求：使學(xué)生理解幾何、運(yùn)動、動力、初始與邊界條件相似的基本概念，掌握各種動力相似準(zhǔn)則，特別是重力相似準(zhǔn)則、粘性力相似準(zhǔn)則，能靈活應(yīng)用模型律進(jìn)行模型設(shè)計(jì)；理解量綱與單位的基本概念，量綱的和諧原理，掌握

13、量綱的基本分析方法：瑞利法與 定理。理解量綱分析法、力學(xué)相似概念和主要相似準(zhǔn)則的意義及應(yīng)用。主要內(nèi)容：1.量綱分析的意義和量綱和諧原理。2.量綱分析方法：瑞利法和定量。3.相似概念。相似準(zhǔn)則:雷諾準(zhǔn)則、佛勞德準(zhǔn)則、歐拉準(zhǔn)則、柯西準(zhǔn)則。重點(diǎn)：重力相似準(zhǔn)則、粘性力相似準(zhǔn)則，模型設(shè)計(jì)；量綱的和諧原理，瑞利法與 定理。難點(diǎn)：動力相似準(zhǔn)則，量綱分析：瑞利法與 定理主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講授，配合多媒體課件。注意問題：物理量的量綱單位的記憶；注意觀察實(shí)際工程的模型實(shí)驗(yàn)。思考題：5-1 因次分析方法有什么用處？何為定理？用因次分析方法處理問題的步驟如何？5-2 何謂相似原理？動力相似基于哪些前提條件？為什么不

14、易做到完全的動力相似？5-3 常用的相似準(zhǔn)數(shù)有哪些？其物理意義各如何？第六章 流動阻力和水頭損失教學(xué)的目的和要求：使學(xué)生了解實(shí)際液體的兩種流動型態(tài)，流動阻力與水頭損失的兩種型式，流動阻力與水頭損失產(chǎn)生原因，以及邊界層概念及繞流阻力概念。掌握均勻流的基本方程、圓管層流與紊流沿程阻力系數(shù)及沿程水頭損失、局部水頭損失的計(jì)算方法。1.流動阻力和水頭損失的分類。2.粘性流體的兩種流態(tài):層流和紊流。流態(tài)的判別。3.沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系。圓管過流斷面上切應(yīng)力分布。4.圓管中的層流。過流斷面上的流速分布。水頭損失與平均流速的關(guān)系。沿程摩阻系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。5.紊流運(yùn)動。紊流脈動與時均化。紊動附加切應(yīng)力

15、?；旌祥L度理論。6.紊流的沿程水頭損失。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)。當(dāng)量粗糙。工業(yè)管道沿程摩阻系數(shù)的曲線圖(穆迪圖)。沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式。7.局部水頭損失。圓管突然擴(kuò)大的局部水頭損失。局部水頭損失系數(shù)。8.邊界層概念。邊界層的分離。繞流阻力。重點(diǎn)：實(shí)際液體的兩種流動型態(tài)的判別，均勻流的基本方程，圓管層流與紊流的流速分布、沿程阻力系數(shù)及沿程水頭損失的計(jì)算，局部水頭損失的計(jì)算。 難點(diǎn)：圓管層流與紊流的流速分布，紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算。主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講授，配合多媒體課件。注意問題：紊流與層流的判別，圓管紊流的速度分布、切應(yīng)力分布與紊流阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的選取。思考題：6-1 液流阻力是怎樣產(chǎn)生的？表現(xiàn)為哪

16、些形式？怎樣分類？6-2 為什么可用水力半徑表示斷面對阻力的影響？6-3 兩種流態(tài)各有何特點(diǎn)？如何判斷流態(tài)？6-4 為什么用雷諾數(shù)判別流態(tài)能夠說明流動阻力的物理本質(zhì)？6-5 試說明絕對粗糙度、平均粗糙度和相對粗糙度的區(qū)別？6-6 何謂層流邊層？其大小與哪些因素有關(guān)？6-7 水力光滑和水力粗糙如何劃分？6-8 怎樣進(jìn)行阻力實(shí)驗(yàn)來確定沿程水力摩阻系數(shù)和局部阻力系數(shù)值？6-9 何謂當(dāng)量直徑和當(dāng)量長度？有什么用處？第七章 孔口、管嘴出流和有壓管流教學(xué)的目的和要求：使學(xué)生理解恒定孔口出流、管嘴出流、非恒定孔口管嘴出流的基本計(jì)算方法，能熟練計(jì)算短管、簡單長管、串聯(lián)并聯(lián)長管、沿程泄流、枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算，理

17、解環(huán)狀管網(wǎng)的水力計(jì)算原理與方法，了解有壓管路中水擊產(chǎn)生的原因。1孔口、刊出流的基本公式。2.短管(虹吸管、水泵吸水管、有壓涵管等)的水力計(jì)算。水頭線的繪制。3.長管的水力計(jì)算：簡單管路、串聯(lián)管路、并聯(lián)管路、沿程均勻泄流管路。4.水擊現(xiàn)象。水擊波的傳播過程。直接水擊和間接水擊。水擊壓強(qiáng)的計(jì)算。5.離心泵的原理。工作性能曲線。管道特性曲線。運(yùn)行工作點(diǎn)。重點(diǎn)：恒定孔口出流、管嘴出流；短管、簡單長管、串聯(lián)并聯(lián)長管、沿程泄流、枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算；環(huán)狀管網(wǎng)的水力計(jì)算原理與方法；有壓管路中水擊產(chǎn)生的原因 難點(diǎn)：串聯(lián)并聯(lián)長管、沿程泄流、枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算；環(huán)狀管網(wǎng)的水力計(jì)算原理與方法；直接水擊壓強(qiáng)與間接水擊壓

18、強(qiáng)主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講授，配合多媒體課件。注意問題：能量方程在短管中的應(yīng)用，沿程阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的選取與計(jì)算。思考題：7-1 何謂壓力管路？長管和短管如何劃分？7-2 何謂管路特征曲線？有何用途？7-3 長管的水力計(jì)算通常有哪幾類問題？計(jì)算方法何步驟各如何？7-4 選擇管徑應(yīng)該注意哪些問題？為什么？7-5 串連管路和并聯(lián)管路各有何特點(diǎn)？7-6 分支管路應(yīng)如何進(jìn)行水力計(jì)算？計(jì)算中要注意哪些問題？7-7 沿程均勻泄流管路有何特點(diǎn)？怎樣進(jìn)行計(jì)算其流量和水頭損失？7-8 孔口和管嘴各有何特點(diǎn)？有什么區(qū)別？流量系數(shù)、流速系數(shù)、收縮系數(shù)的 物理意義如何？它們之間成怎樣的關(guān)系？第八章 明渠流動教學(xué)的目的和

19、要求：使學(xué)生理解水力最優(yōu)斷面及允許流速、明渠非均勻流中斷面單位能量、臨界水深等的基本概念，掌握明渠均勻流各類問題的水力計(jì)算方法及復(fù)式斷面、無壓圓管的的水力計(jì)算，恒定明渠流其流動狀態(tài)的判別方法，能進(jìn)行水面曲線的分析與繪制1.明渠均勻流。明渠均勻流的水力計(jì)算。水力最優(yōu)斷面。允許流速。2.明渠流動狀態(tài)。微波波速。緩流、急流、臨界流。斷面單位能量。臨界水深。臨界底坡。3.水躍現(xiàn)象。水躍方程。共輒水深。水躍長度。水躍的能量消耗。水躍現(xiàn)象。4.明渠非均勻漸變流微分方程。棱柱形渠道恒定漸變流水面曲線的定性分析。明渠漸變流水面曲線計(jì)算:逐段試算法。重點(diǎn)：明渠均勻流的基本計(jì)算公式，水力最優(yōu)斷面及允許流速，明渠均勻流的水力計(jì)算，無壓圓管均勻流的水力計(jì)算。難點(diǎn)：水力最優(yōu)斷面條件，無壓圓管均勻流水力計(jì)算。主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講授，配合多媒體課件。注意問題：概念、原理、計(jì)算方法的理解、記憶。第九章 堰流教學(xué)的目的和要求：使學(xué)生了解薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰的基本功能與用途，掌握堰流基本的水力計(jì)算公式。1. 堰的形式:薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰。2. 堰流的基本公式。流量系數(shù)及其影響因素。重點(diǎn)：堰流基本的水力計(jì)算公式難點(diǎn)：堰的流量系數(shù)的計(jì)算。主要教學(xué)環(huán)節(jié)的組織：講