《流体力学》教学大纲

一、基本信息  

课程名称		流体力学				课程编号	ENSE3113
英文名称		Fluid Mechanics				课程类型	专业基础课
总学时	54	理论学时		54	实验学时	0	实践学时	0
学分	3	预修课程	高等数学，大学物理，工程力学			适用对象	环境工程
课程简介		课程的主要内容包括流体静力学，流体动力学，量纲分析与相似原理，流动阻力和能量损失，有压管流，明渠均匀流，孔口管嘴闸孔出流和堰流，渗流等。学生通过该课程的学习，掌握流体的基本力学性质；理解外力作用下，流体的静止与运动规律；掌握流体与边界的相互作用。课程的学习将有利于数理、力学基础知识的巩固与提高，培养分析、解决实际问题的能力，为后续专业课程学习及环境工程实践奠定基础。

二、教学目标及任务  

“流体力学”作为环境工程专业的专业基础课，是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。学生通过该课程的学习，掌握流体的基本性质，流体静止与运动的规律及流体与边界的相互作用、明渠流、管流、堰流等知识，具备流体计算（水力计算）的基本技能，为解决环境工程专业中的相关流体力学问题奠定基础。

本课程支撑环境工程专业毕业要求1、2、3、4、5和6。

三、学时分配

教学课时分配

章节	章节内容	讲课	实验	实践	合计
绪论	工程流体力学的任务及研究对象；流体的主要物理力学性质；作用在流体上的力；流体力学的研究方法	3			3
第一章	流体静力学	9			9
第二章	流体动力学基础	9			9
第三章	量纲分析与相似原理	3			3
第四章	流动阻力和能量损失	9			9
第五章	有压管流	6			6
第六章	孔口管嘴闸孔出流和堰流	6			6
第七章	明渠均匀流	6			6
第八章	渗流	3			3
合计		54			54

四、教学内容及教学要求 

绪论

第一节  流体力学的任务和发展简史

第二节  连续介质假定与流体的主要物理性质

1. 连续介质假设

2. 流体的主要物理性质

习题要点：牛顿内摩擦定律的理解与应用

第三节  作用在流体上的力

习题要点：质量力与表面力的概念

第四节  流体力学的研究方法

本章重点、难点：黏性、牛顿内摩擦定律、质量力、表面力、连续介质概念。

本章教学要求：了解流体力学的发展简史，了解本课程在专业及工程中的应用；掌握流体主要物理性质，特别是黏性和牛顿内摩擦定律；理解作用在流体上的力；掌握连续介质、不可压缩流体及理想流体的概念；了解研究流体运动规律的一般方法。

第一章  流体静力学

第一节  流体静压强特性

第二节  流体平衡微分方程

1. 流体平衡微分方程

2. 流体平衡微分方程的积分

3.等压面

习题要点：流体平衡微分方程的推导

第三节  流体静力学基本方程

1. 流体静力学基本方程

2. 压强的表示方法

3.      测压计

习题要点：流体静力学基本方程的应用，压强表示与计算

第四节  液体的相对平衡

1. 液体的相对平衡

2. 液体的相对平衡在生产中的应用

习题要点：等压面方程，压强分布规律

第五节  作用在平面上的液体总压力

1. 图解法

2. 解析法

习题要点：平面静水总压力的计算

第六节  作用在曲面上的液体总压力

习题要点：曲面静水总压力的计算

本章重点、难点：静压强及其特性，点压强的计算，静压强分布图，压力体图，作用于平面  壁和曲面壁上的液体总压力，流体平衡微分方程的建立与应用。

本章教学要求：理解流体静压强的概念；掌握静水压强的特性，压强的表示方法及计量单位；掌握流体微分方程及其物理意义；掌握液柱式测压仪的基本原理；熟练掌握平衡流体静压强的分布规律及点压强的计算方法；掌握作用于平面壁和曲面壁上的液体总压力的计算。

第二章  流体动力学基础

第一节  描述流体运动的二种方法

1. 拉格朗日法

2. 欧拉法

3.流线 迹线 脉线

习题要点：流线与迹线方程求解

第二节  描述流体运动的概念

习题要点：掌握流体运动的概念

第三节  流体运动的类型

习题要点：掌握流体运动类型及其特性

第四节  流体运动的连续性方程

1. 流体运动的连续性微分方程

2. 总流的连续性方程

3. 流体流量的测量

习题要点：连续性方程推导与应用；流量计的类型及原理

第五节  流体微元运动的基本形式

1. 流体微元运动形式的分析

2. 速度分解定理

习题要点：流动线变率、角变率、角转速计算

第六节  无涡流和有涡流

习题要点：流动无涡与有涡的判别

第七节  理想流体运动微分方程

1. 欧拉运动微分方程

2. 葛罗米柯（兰姆）运动微分方程

习题要点：运动微分方程的推导

第八节  理想流体元流能量方程

1. 理想流体运动微分方程的积分. 元流的伯努利方程

2. 功能原理推导理想流体元流伯努利方程

3. 理想流体元流伯努利方程的物理意义和几何意义

4. 皮托管

习题要点：皮托管的应用

第九节  实际流体的运动微分方程

1. 以应力表示的实际流体的运动微分方程

2. 流体质点的应力状态

3. 实际流体的运动微分方程-纳维-斯托克斯方程

习题要点：运动微分方程的推导

第十节  实际流体总流的伯努利方程

1. 渐变流过水断面上动水压强的分布规律

2. 恒定总流能量方程

3. 总流能量方程的应用条件和应用方法

4. 文丘里管

习题要点：总流能量方程的应用

第十一节  总流的动量方程

1. 总流的动量方程

2. 总流动量方程的应用条件和应用方法

习题要点：总流动量方程的应用

本章重点、难点：迹线与流线，流体流动的基本概念，无旋流与有旋流，连续性方程、伯努利方程、动量方程及其应用。

本章教学要求：了解描述流体运动的两种方法，建立以流场为对象的描述流体运动的概念；了解流体微团运动的基本形式，理解有势流动和有旋流动，能判别有涡流与无涡流；了解流体运动的微元分析法；掌握理想流体运动微分方程及其伯努利积分；了解纳维 — 斯托克斯方程及其各项的物理意义；掌握流体运动的总流分析法，能综合运用连续性方程、总流能量方程和动量方程计算总流问题。

第三章  量纲分析与相似原理

第一节  量纲分析

1. 量纲和单位

2. 量纲和谐原理

3. 瑞利法

4. π定理

习题要点：π定理的应用

第二节       流动相似的概念

1. 几何相似

2. 运动相似

3. 动力相似

4. 初始条件与边界条件相似

5.牛顿一般相似原理

习题要点：相似概念的理解

第三节  相似准则

1. 重力相似准则

2. 粘滞力相似准则

3.压力相似准则

4.相似准则

5.表面张力相似准则

习题要点：相似准则的应用

第四节  准数方程

习题要点：准数方程概念理解

第五节  模型试验

1. 雷诺模型

2. 弗劳德模型

习题要点：原型与模型的转换

本章重点、难点：量纲分析法，相似原理，相似准则。

本章教学要求：理解相似的概念、相似准则和对实验的指导意义；掌握量纲分析方法及其初步运用；了解模型实验方法及内容。

第四章  流动阻力和能量损失

第一节  流动的2种流动形态—层流和湍流

1. 雷诺实验—层流和湍流

2. 流态的判别准则—临界雷诺数

习题要点：流态的判别

第二节   恒定均匀流基本方程—沿程损失的表示式

1. 均匀流基本方程

2. 沿程损失的普遍表示式

习题要点：均匀流基本方程推导，切应力分布

第三节  层流沿程损失的分析和计算

习题要点：沿程阻力损失的计算

第四节  湍流理论基础

1. 层流向湍流的转变

2. 湍流的脉动与时均法

3. 湍流的基本方程—雷诺方程

4. 湍流的半经验理论

5. 粘性底层.光滑壁面.粗糙壁面

习题要点：湍流理论理解

第五节  湍流沿程损失的分析和计算

1. 尼古拉兹实验

2. 湍流光滑区沿程阻力系数的确定

3. 湍流粗糙区沿程阻力系数的确定

4. 实用管道沿程阻力系数的确定

5. 非圆形管道沿程损失的计算

6. 计算沿程损失的经验公式

习题要点：沿程损失的计算

第六节  局部损失的分析和计算

1. 局部损失的分析

2. 局部损失的计算

习题要点：局部损失的计算

本章重点、难点：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。

本章教学要求：了解流动阻力和水头损失的分类；雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；了解沿程水头损失与切应力的关系；掌握圆管过流断面上的流速分布、水头损失与平均流速的关系，沿程阻力系数与雷诺数的关系；了解紊流脉动与时均化，紊动附加切应力，混合长度理论；掌握阻力系数的确定方法；掌握管路沿程损失和局部损失的计算；了解边界层概念，边界层的分离，绕流阻力。

第五章  有压管流

第一节  简单短管中的恒定有压流

1. 自由出流

2. 淹没出流

3. 简单短管中有压流计算的基本问题和方法

习题要点：简单短管恒定有压流的计算

第二节  简单长管中的恒定有压流

习题要点：简单长管恒定有压流的计算

第三节   复杂长管中的恒定有压流

1. 串联管道

2. 并联管道

习题要点：复杂长管恒定有压流的计算

第四节  沿程均匀泄流管道中的恒定有压流

1. 沿程连续均匀泄流

2. 沿程多孔口等间距等流量出流

习题要点：沿程均匀泄流管道计算

第五节  管网中的恒定有压流计算基础

1. 枝状管网

2. 环状管网

习题要点：枝状管网计算、环状管网平差计算

本章重点、难点：重点：短管、长管水力计算。

本章教学要求：掌握短管(虹吸管、水泵吸水管、有压涵管等)的水力计算、简单长管、串联并联长管、沿程泄流、枝状管网的水力计算，理解环状管网的水力计算的原理与方法，了解有压管路中水击产生的原因及危害预防。

第六章  孔口、管嘴、闸孔出流和堰流

第一节  恒定薄壁孔口出流

1. 孔口出流分类

2. 薄壁小孔口自由出流

3. 薄壁大孔口自由出流

4. 薄壁孔口淹没出流

习题要点：孔口出流计算

第二节   管嘴出流

1. 圆柱形外管嘴出流

2. 其他类型管嘴的出流

习题要点：管嘴出流流量计算

第三节   闸孔出流

1. 无底坎闸孔出流流动现象的分析

2. 无底坎闸孔自由出流的基本公式

3. 无底坎闸孔淹没出流的基本公式

习题要点：闸孔流量的计算

第四节  堰流

1. 薄壁堰溢流

2. 实用堰溢流

3. 宽顶堰溢流

习题要点：堰流流量计算

第五节  水工建筑物下游的水流衔接与消能

1. 底流衔接的形式

2. 底流衔接的基本关系式

3. 消力池简介

习题要点：衔接方式的判别

第六节  小桥孔径的水力计算

习题要点：小桥孔径的水力计算

本章重点、难点：实际流体三大方程的应用与各种流动情况下的边界条件。

本章教学要求：掌握孔口、管嘴的基本公式及其应用；掌握闸孔出流、堰流的基本计算方法。

第七章  明渠流

第一节  恒定明渠均匀流

1. 明渠均匀流的特性与其发生条件

2. 明渠均匀流基本公式

3. 明渠的水力最优断面和允许流速

4. 明渠均匀流水力计算的基本问题和方法

习题要点：明渠均匀流水力计算

第二节  恒定明渠流的流动型态和若干基本概念

1. 缓流和急流

2. 微波的波速.弗劳德数

3. 断面单位能量.临界水深.临界底坡

习题要点：流动形态的判别，概念理解

第三节   恒定明渠流流态转换时的局部水力现象—水跃和跌水

1. 水跃

2. 跌水

习题要点：水跃能量损失和水跃长度计算

本章重点、难点：明渠的分类，水力计算的内容与方法，均匀流特征，水力最优断面。

本章教学要求：了解明渠流动的特点；掌握水力最优断面和允许流速的概念，掌握明渠均匀流各类问题的水力计算方法及复式断面、无压圆管的水力计算；了解明渠流动状态；了解水跃和跌水。

第八章  渗流

第一节  渗流模型

习题要点：渗流模型概念理解

第二节   渗流基本定律—达西定律

1. 达西定律

2. 达西定律的适用范围

3. 渗透系数及其确定方法

习题要点：达西定律的应用

本章重点、难点：达西定律、恒定渐变渗流的裘皮依公式。

本章教学要求：了解渗流现象、渗流模型，理解渗流达西定律；理解均匀渐变渗流断面流速均匀分布，了解渐变渗流基本微分方程及浸润面的概念；掌握地下水渐变渗流的裘皮依公式；掌握井的渗流计算；了解渗流对建筑物安全稳定的影响。

五、考核方式及要求  

期末闭卷考试（55-60%）、与平时考核（40-45%）相结合。平时成绩包括课后作业、课堂讨论、出勤等。作业内容以教材中的课后习题为主，通过习题练习，逐步加深对课程中各种概念的理解、熟悉分析和计算方法，达到掌握课程主要内容的目的。期末闭卷考试题型以计算题为主，均为各章应知应会的基本知识点。

六、推荐教材及教学参考书 

教  材：《工程流体力学》，闻德荪等编著，高等教育出版社，2004年第2版，标准书号：ISBN7-04-013084-X。

参考书：《流体力学》，刘鹤年主编，中国建筑工业出版社，2004年第2版，标准书号：ISBN9787112060573。

《水力学》，吴持恭编著，高等教育出版社，2008年第4版，标准书号：ISBN 978704022677。

《工程流体力学》，禹华谦、莫乃榕编著，高等教育出版社，2004年，标准书号：ISBN7-04-013086-X。

 

大纲修订人：杨新萍

大纲审定人：李荣

修订日期： 2015年4月30日