《流體力學(xué)Ⅲ》課程教學(xué)大綱

1、流體力學(xué)課程教學(xué)大綱Fluid mechanics 一、課程基本信息課程名稱流體力學(xué)課程代碼CB163035課程性質(zhì)ð通識課程/ð學(xué)科（專業(yè)）基礎(chǔ)課程/專業(yè)課/ð專業(yè)拓展課程/ð文化素質(zhì)教育課程學(xué) 分2.0總學(xué)時32理論學(xué)時32實驗學(xué)時 0先修課程高等數(shù)學(xué)工程力學(xué) 后續(xù)課程開課單位建筑工程學(xué)院適用專業(yè)環(huán)境工程主要教學(xué)資料選用的教材：1 劉鶴年，流體力學(xué)，中國建筑工業(yè)出版社，2004年07月，第二版。主要參考書：1 龍?zhí)煊?，流體力學(xué)，中國建筑工業(yè)出版社，2004年05月，第一版。2 郭維東，流體力學(xué)，中國農(nóng)業(yè)出版社，2008年05月，第一版。撰稿人審核人二

2、、教學(xué)目標(biāo)（一）知識目標(biāo) ：流體力學(xué)是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)課。主要使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本理論、基本計算方法、基本實驗技能以及在工程實際中的初步應(yīng)用。課程通過由淺入深的介紹流體基本概論及力學(xué)特性；并從整體設(shè)計出發(fā)全面介紹流體靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)特性及工程實際的力學(xué)分析方法和關(guān)鍵問題。（二）能力目標(biāo)：通過本課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本概論，掌握流體運動過程中的力學(xué)特性及計算方法，并具有對土木工程學(xué)科中遇到的實際問題進行優(yōu)化設(shè)計的初步能力。（三）素質(zhì)目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，為學(xué)生畢業(yè)后從土木工程、道路及橋梁建筑水工設(shè)計等工作打好理論基礎(chǔ)。三、基本要求（一）了解本課程與其它相關(guān)課程之

3、間的關(guān)系；了解流體靜力學(xué)、運動學(xué)及動力學(xué)的基本概論。（二）理解流體力學(xué)中恒定流和均勻流的的應(yīng)用范圍，理解流體空間力學(xué)分析方法及流體力學(xué)相似原理的應(yīng)用條件。（三）掌握流體的能量方程及動量方程；掌握自由出流和淹沒出流的計算方法；掌握短管和長管的水力計算；掌握工程實際中的明渠和堰流的設(shè)計方法。四、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配第一章 概論 2學(xué)時第一節(jié) 流體力學(xué)及其任務(wù) 0.5學(xué)時知識點：流體力學(xué)的定義、分析方法及學(xué)科的發(fā)展方向。第二節(jié) 作用在流體上的力 0.5學(xué)時知識點：流體力學(xué)的作用力第三節(jié) 流體的主要物理性質(zhì) 0.5學(xué)時知識點：流體的主要性質(zhì)，如黏性、慣性及熱漲性等。第四節(jié) 牛頓流體和非牛頓流體 0.5學(xué)

4、時知識點：工程實際中的牛頓流體和非牛頓流體。本章小結(jié)：本章主要介紹了流體力學(xué)的基本概念及力學(xué)性質(zhì)，從整體上講述流體的相關(guān)性質(zhì)及工程中存在的實際流體的黏性。重點：流體力學(xué)及其任務(wù)、流體的主要物理性質(zhì)、牛頓流體和非牛頓流體。難點：牛頓流體和非牛頓流體。思考題：牛頓流體和非牛頓流體的性質(zhì)有哪些？建議教學(xué)方法：課堂講授。 第二章 流體靜力學(xué) 4學(xué)時第一節(jié) 靜止流體中應(yīng)力的特性 0.5學(xué)時知識點：流體在靜止條件下的應(yīng)力特性。第二節(jié) 流體平衡微分方程 0.5學(xué)時知識點：在重量場中流體達到平衡的微分方程及等壓面特性。 第三節(jié) 重力場中流體靜壓強的分布規(guī)律 1學(xué)時知識點：流體靜力學(xué)基本方程及計算方法；氣體壓強

5、分布及壓強的度量方法；測壓管水頭特性。第四節(jié) 液體作用在平面上的總壓力 1學(xué)時知識點：解析法和圖解法。第五節(jié) 液體作用在曲面上的總壓力 1學(xué)時知識點：壓力體求法；液體作用在曲面上的總壓力的受力分析及求解方法。本章小結(jié)：本章主要介紹了重力場中流體靜壓強的分布規(guī)律，重點講述了流體作用在平面上和曲面上的總壓力。重點：重力場中流體靜壓強的分布規(guī)律；連續(xù)性方程；液體作用在平面上的總壓力。難點：流體的相對平衡；液體作用在曲面上的總壓力。思考題：液體作用在曲面上與平面上的區(qū)別？建議教學(xué)方法：課堂講授第三章 流體運動學(xué) 4學(xué)時第一節(jié) 流體運動的描述 1學(xué)時知識點：拉格朗日法及歐拉法；流體質(zhì)點的加速度和質(zhì)點導(dǎo)數(shù)

6、。第二節(jié) 歐拉法的基本概念 1學(xué)時知識點：流動的分類；流線、流管、過流斷面元流及總流；流量及過流斷面的平均流速。第三節(jié) 連續(xù)性方程 1學(xué)時知識點：連續(xù)性微分方程及實際工程中的應(yīng)用。第四節(jié) 流體微團運動分析 1學(xué)時知識點：微團運動分析本章小結(jié)：本章主要介紹了運動流體的分析方法，重點講述了流體的連續(xù)性方程，并對流體微團的運動進行了分析。重點：連續(xù)性方程難點：流體微團運動分析思考題：連續(xù)性方程適用條件？建議教學(xué)方法：課堂講授第四章 流體動力學(xué)基礎(chǔ) 4學(xué)時 第一節(jié) 流體的運動微分方程 1學(xué)時知識點：無黏性流體及黏性流體運動微分方程第二節(jié) 元流伯努利方程 1學(xué)時知識點：無黏性流體運動微分方程的伯努利積分

7、；元流伯努利方程的物理意義和幾何意義；黏性流體元流伯努利方程。第三節(jié) 總流的伯努利方程 1學(xué)時知識點：漸變流及其性質(zhì)；總流伯努利方程；總流伯努利方程的物理意義和幾何意義。第四節(jié) 總流的動量方程 1學(xué)時 知識點：總流恒定流動動量方程計算。本章小結(jié)：介紹了無黏性流體及黏性流體運動微分方程、元流和總流伯努利方程的物理意義和幾何意義，重點講解總流恒定流動動量方程。重點： 總流的伯努利方程難點： 流體的運動微分方程及總流恒定流動動量方程思考題：總流的伯努利方程的總水頭線的趨勢是什么樣的？建議教學(xué)方法：課堂講授第五章 量綱分析和相似原理 2學(xué)時第一節(jié) 量綱分析的意義和量綱和諧原理 0.5學(xué)時 知識點：量綱

8、的概念；無量綱量；量綱和諧原理第二節(jié) 量綱分析法 0.5學(xué)時知識點：瑞利法；量綱分析方法的討論。第三節(jié) 相似理論基礎(chǔ) 0.5學(xué)時知識點：相似概念；相似準(zhǔn)則第四節(jié) 模型實驗 0.5學(xué)時知識點：模型的選擇；模型設(shè)計。本章小結(jié)：介紹了量綱的概念及量綱和諧原理，重點講解量綱的相似準(zhǔn)則及模型試驗。重點： 量綱分析的意義和量綱和諧原理難點： 相似理論基礎(chǔ)思考題：量綱分析的意義建議教學(xué)方法：課堂講授第六章 流動阻力和水頭損失 4學(xué)時第一節(jié) 流動阻力和水頭損失的分類 0.5學(xué)時知識點：水頭損失的分類；水頭損失的計算公式。第二節(jié) 粘性流體的兩種流態(tài) 0.5學(xué)時知識點：流體的兩種流態(tài)；雷諾數(shù)。第三節(jié) 沿程水頭損失

9、與切應(yīng)力的關(guān)系 1學(xué)時知識點：均勻流動方程式；圓管過流斷面上剪應(yīng)力分布；壁剪切速度。第四節(jié) 圓管中的層流運動 0.5學(xué)時知識點：流動特征；流速分布；沿程水頭損失計算第五節(jié) 紊流運動 0.5學(xué)時知識點：紊流的特征與時均化第六節(jié) 紊流的沿程水頭損失 1學(xué)時知識點：尼古拉茲實驗；沿程損失系數(shù)半經(jīng)驗公式；非圓管的沿程損失；幾種典型的局部水頭損失系數(shù)。本章小結(jié)：介紹了流體的兩種流態(tài)；，重點講解均勻流動方程式、圓管過流斷面上剪應(yīng)力分布、壁剪切速度及尼古拉茲實驗。重點： 粘性流體的兩種流態(tài)；圓管中的層流運動；紊流的沿程水頭損失。難點： 局部水頭損失；邊界層概念與繞流阻力。思考題：粘性流體的兩種流態(tài)？建議教學(xué)

10、方法：課堂講授第七章 孔口、管嘴出流和有壓管流 4學(xué)時第一節(jié) 孔口出流 1學(xué)時知識點：薄壁小孔口恒定出流；孔口的變水頭出流。第二節(jié) 管嘴出流 1學(xué)時知識點：圓柱形外管嘴恒定出流；收縮斷面的真空；圓柱形外管嘴的正常工作條件。第三節(jié) 短管的水力計算 1學(xué)時知識點：短管的水力計算的基本公式及水力計算問題。第四節(jié) 長管的水力計算 0.5學(xué)時知識點：簡單管道；串聯(lián)管道及恒定均勻泄流管道。第五節(jié) 有壓管道中的水擊 0.5學(xué)時知識點：有壓管道中的水擊現(xiàn)象；防止水擊危害的措施。本章小結(jié)：介紹了薄壁小孔口恒定出流及圓柱形外管嘴恒定出流，重點講解短管和長管的水力計算的基本公式及水力計算問題。重點： 孔口出流；管嘴

11、出流；短管的水力計算；長管的水力計算難點： 有壓管道中的水擊思考題：水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因建議教學(xué)方法：課堂講授第八章 明渠流動 2學(xué)時第一節(jié) 概述 0.5學(xué)時知識點：明渠流動的特點；底坡；棱柱形渠道與非棱柱形渠道。第二節(jié) 明渠均勻流 0.5學(xué)時知識點：明渠均勻流形成的條件及特征；過流斷面的幾何要素；明渠均勻流的基本公式；明渠均勻流的水力計算。第三節(jié) 無壓圓管均勻流 0.5學(xué)時知識點：無壓圓管均勻流特征；過流斷面的幾何要素；無壓圓管的水力計算及輸出性能最佳充滿度。第四節(jié) 明渠流動狀態(tài) 0.5學(xué)時知識點：微幅干擾波波速及弗勞德數(shù)本章小結(jié)：介紹了明渠流動的特點，重點講解明渠均勻流形成的條件及特征；過流

12、斷面的幾何要素；無壓圓管均勻流特征；過流斷面的幾何要素；無壓圓管的水力計算及輸出性能最佳充滿度。重點： 明渠均勻流；無壓圓管均勻流難點： 水躍和水跌思考題：明渠流動狀態(tài)是怎樣的？建議教學(xué)方法：課堂講授第九章 堰流 2學(xué)時第一節(jié) 堰流及其特征 0.5學(xué)時知識點：堰和堰流；堰的分類。第二節(jié) 寬頂堰溢流 1學(xué)時知識點：寬頂堰溢流的基本公式；淹沒對寬頂堰溢流的影響；側(cè)收縮對寬頂堰溢流的影響。第三節(jié) 薄壁堰和實用堰溢流 0.5學(xué)時知識點：薄壁堰溢流；實用堰溢流；本章小結(jié)：介紹了堰流及其特征，重點講解寬頂堰溢流的基本公式；淹沒對寬頂堰溢流的影響；側(cè)收縮對寬頂堰溢流的影響。重 點：寬頂堰溢流 難 點：薄壁堰

13、和實用堰溢流思考題：薄壁堰和實用堰的區(qū)別建議教學(xué)方法：課堂講授五、課內(nèi)實驗項目設(shè)置序號實驗項目名稱學(xué)時開出要求實驗項目類型必做選做驗證綜合設(shè)計創(chuàng)新1雷諾實驗沿程阻力系數(shù)測定實驗項目一：雷諾實驗 2學(xué)時（一）實驗?zāi)康囊螅?）觀察流體在管道中的流動狀態(tài)；（2）測定幾種狀態(tài)下的雷諾數(shù)；（3）了解流態(tài)與雷諾數(shù)的關(guān)系。（二）實驗材料和儀器設(shè)備 流體力學(xué)綜合實驗臺（三）實驗內(nèi)容1實驗原理實際流體有兩種不同的運動型態(tài)，即層流和紊流。當(dāng)流速較小時，各流層的流體質(zhì)點是有條不紊運動，互不混雜，這種型態(tài)的流動叫做層流。當(dāng)流速較大時，各流層的流體質(zhì)點形成渦體，在流動過程中，互相混摻，這種型態(tài)的流動叫做紊流。水流的型

14、態(tài)是由其流動時的雷諾數(shù)決定的，即式中，v管中平均流速，d管徑，運動粘滯系數(shù)。 （T水溫）據(jù)前人實驗資料得知，下臨界雷諾數(shù)比較穩(wěn)定，Re=2000。而上臨界雷諾數(shù)變化很大，約在500020000之間。因此一般認(rèn)為：Re<2000 為層流 Re>2000 為紊流2. 實驗步驟（1）將實驗臺的各個閥門置于關(guān)閉狀態(tài)。開啟水泵，全開上水閥門，把水箱注滿水，再調(diào)節(jié)上水閥門，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不變。（2）用溫度計測量水溫。（3）觀察狀態(tài)到水箱里的水開始溢流后，輕輕打開尾閥，使管道通過小流量，再打開指示劑開關(guān)，使顏色水流入管道。反復(fù)緩慢增大（或減小）流量，仔細(xì)觀察層流和紊流現(xiàn)象。（4

15、）測定幾種狀態(tài)下的雷諾系數(shù)全開出水閥門，然后再逐漸關(guān)閉出水閥門，直至能開始保持雷諾實驗管內(nèi)的顏料水流動狀態(tài)為層流狀態(tài)。按照從小流量到大流量的順序進行實驗，在每一個狀態(tài)下測量體積流量和水溫，并求出相應(yīng)的雷諾數(shù)。（5）測定下臨界雷諾數(shù)從大到?。ɑ驈男〉酱螅┚徛{(diào)整流量，在臨界流速時（即流態(tài)開始轉(zhuǎn)換時），測定其雷諾數(shù)。（6）觀察層流狀態(tài)下的速度分布關(guān)閉出水閥門，用手?jǐn)D壓顏料水開關(guān)的膠管二到三下，使顏料水在一小段管內(nèi)擴散到整的斷面。然后，在微微打開出水閥門，使管內(nèi)呈層流流動狀態(tài)，觀察這時管內(nèi)水流流速分布。3實驗數(shù)據(jù)及其處理（1）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行計算，繪制出雷諾數(shù)與流量的關(guān)系曲線。（2）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求出

16、下臨界雷諾數(shù)。實驗項目二：沿程阻力實驗 2學(xué)時（一）實驗?zāi)康囊?加深了解圓管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變化的規(guī)律。2掌握管道沿程阻力系數(shù)的量測技術(shù)。3將測得的關(guān)系值與莫迪圖對比，分析其合理性，進一步提高實驗結(jié)果分析能力。（二）實驗材料和儀器設(shè)備 流體力學(xué)綜合實驗臺（三）實驗內(nèi)容1實驗原理列出1、2斷面的能量方程：由于管道直徑不變，所以兩斷面流速水頭相等，于是有：即1、2兩斷面間的沿程水頭損失等于兩斷面間的測壓管水頭差。根據(jù)公式，得：式中，管道沿程阻力系數(shù)，d實驗管管徑，hf1、2兩斷面間的沿程水頭損失，L1、2兩斷面間的距離，v管中平均流速，g重力加速度。用體積法測定管道通過的流量Q，由

17、于管徑已知，所以求得平均流速v。由此可以計算出沿程阻力系數(shù)。水流在不同的流區(qū)及不同的流態(tài)下，其沿程水頭損失與斷面平均流速的關(guān)系是不同的。在層流狀態(tài)下，沿程水頭損失與斷面平均流速成正比；在紊流狀態(tài)下，沿程水頭損失與斷面的平均流速的1.752次方成正比。 2. 實驗步驟（1）認(rèn)真閱讀實驗指導(dǎo)書，熟悉實驗?zāi)康暮鸵?。?）熟悉實驗裝置的結(jié)構(gòu)。（3）接通電源，開啟水泵給水箱供水，打開尾閥。（4）等到水開始溢流后，排除測壓管中的氣體。在關(guān)閉尾閥的條件下，檢查兩根測壓管的液位是否在同一平面上，從而判斷氣體是否排完。（5）把尾閥開到最大，這時實驗管道通過的流量最大，測壓管的液位差最大（即壓差最大）。水流穩(wěn)定

18、后，開始測量流量和壓差，并記錄。（6）減小尾閥的開度，減小實驗流量，壓差的減小量控制在2cm左右（即壓差比上次減小2cm）。水流穩(wěn)定后，再開始測量水溫、流量和壓差，并記錄。（7）重復(fù)實驗，每次壓差下降要均勻，直到流量為0。檢查數(shù)據(jù)無誤后，關(guān)閉電源,結(jié)束實驗。3實驗數(shù)據(jù)及其處理（1）整理記錄，進行計算； （2）繪圖分析繪制曲線，并確定指數(shù)關(guān)系值n的大小。將從圖上求得的n值與已知各流區(qū)的n值（即層流，光滑管流區(qū)，粗糙管紊流，紊流過渡區(qū)）進行比較，確定流區(qū)。六、考核方式及成績評定理論課程考核方式平時成績：ð習(xí)題作業(yè)/課堂小測驗/課堂提問/課堂討論/ð課外作業(yè)/ð課程論文/ð其他；結(jié)課后考試：閉卷/ð開卷/ð其他；成績構(gòu)成：考勤10%/平時20%/考試70%。七、育人案例（一）育人案例一立足水利工程、勇于創(chuàng)新曹楚生是水利水電工程設(shè)計、水工結(jié)構(gòu)專家。出生于湖北省武漢市（江蘇省無錫市人），1948年7月畢業(yè)于上海交通大學(xué)土木系結(jié)構(gòu)組?，F(xiàn)任天津大學(xué)教授和水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院教授級高工、專家委員會主任。他長期從事工程設(shè)計，負(fù)責(zé)設(shè)計的工程有：佛子嶺連拱壩、磨子潭大頭壩、響洪甸重力拱壩、黃河干流上第一座發(fā)電的鹽鍋峽水電