《工程流體力學B》課程教學大綱

《工程流體力學B》課程教學大綱課程編碼：412403課程名稱：工程流體力學B英文名稱：EngineeringFluidMechanics開課學期：5學時/學分：40/2（其中實驗為8學時）課程類型：學科基礎必修課開課專業(yè)：工科各專業(yè)本科生選用教材：于萍主編：《工程流體力學》，科學出版社2015年8月第二版。主要參考書：1、張也影：《流體力學》，高等教育出版社1998年第二版。2、孔瓏主編.：《工程流體力學》，北京大學出版社1982年版。3、清華大學工程力學系編：《流體力學基礎》，水利電力出版社1992年版。4、李詩久：《工程流體力學》，機械工業(yè)出版社1989年版。5.、A.J.Ward-Smith：《InternalFluidFlow》，1980版6.、王致清主編：《工程流體力學》，哈爾濱工業(yè)大學出版社1983年版。一．課程簡介【課程名稱】：《工程流體力學B》，（40學時/2學分，秋季）[CourseName]：EngineeringFluidMechanics(38studyhours/2credits,AutumnSemester)【教學目的】《工程流體力學》是我國高等院校工科各專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎課，作為研究流體力與運動的專業(yè)學科，本課程以高等數(shù)學、大學物理以及理論力學等基礎課程為基礎，目的培養(yǎng)學生認識流體運動規(guī)律，掌握流體流動基本理論，為學生學習后續(xù)課程及奠定初步的流體力學理論基礎。[CourseObjects]“EngineeringFluidMechanics”isoneofthemajorbasiccourseofengineeringspecialtyinhighereducationinstitutionsinourcountry.Asaspecializeddisciplinetostudyflowandforceoffluid,thecourseisbasedonAdvancedmathematics,CollegePhysicsandTheoreticalmechanicsandsoon.Thepurposeistocultivatestudents'understandingofthelawoffluidmovement,masterthebasictheoryoffluidflow,andstudythefollow-upcourseforstudentsandlaytheinitialtheoreticalfoundationoffluidmechanics.【教學內容】本書共分八章。主要包括流體流動基本概念，牛頓內摩擦定律及應用；流體平衡狀態(tài)的規(guī)律；流體流動的連續(xù)方程、伯努利方程及動量方程三大基本方程及在工程實際中的應用；流動過程中的損失及計算；簡要介紹了氣體流動基本規(guī)律。[TeachingContent]Thiscourseconsistsofeightchapters.Whichmainlyincludesthebasicconceptsoffluidflow,Newton'slawoffrictionandapplication;thelawoffluidequilibrium;thethreebasicequationsoffluidflow,Bernoulliequationandmomentumequationanditsapplicationinengineeringpractice;Andthebasiclawofgasflowisbrieflyintroduced.【授課對象】本課程的授課對象為機械工程、車輛工程、發(fā)動機、能源與動力工程、農業(yè)機械化與自動化和包裝工程的專業(yè)本科生。本課程要求授課對象先修下列課程高等數(shù)學、大學物理、理論力學。[TargetStudents]Thetargetstudentsofthiscoursemainlyaretheundergraduatesinmechanicalengineering,automobileengineering,automobileengine，thermalenergyandpowerengineering,automobileapplicationengineering,agriculturalmechanizationandautomation,packagingengineering.ThepreliminaryrequirementcoursesincludeAdvancedmathematics,CollegePhysicsandTheoreticalmechanics.二、課程目標1、對本課程有總體了解，對流體流動現(xiàn)象及相關理論有初步掌握，掌握牛頓內摩定律及應用。（支撐畢業(yè)要求指標點2.1）2、掌握流體平衡狀態(tài)的基本理論、基礎知識，對靜壓強和真空度有清晰的概念，掌握靜壓分布規(guī)律，具有初步分析靜壓下流體與固體作用力的能力。（支撐畢業(yè)要求指標點2.1、3.2）3、掌握連續(xù)方程、能量方程、動量方程，能運用這些方程對與本專業(yè)有關的一般流體力學問題進行分析和計算。（支撐畢業(yè)要求指標點2.1、3.2）4、掌握流體流動損失規(guī)律，能選擇相應的能量損失系數(shù)，進行管路計算及管路基本設計。（支撐畢業(yè)要求指標點2.1、3.2）5、能進行流體有關參量測試，具有分析實驗數(shù)據(jù)和編寫實驗報告的能力。（支撐畢業(yè)要求指標點2.1）三、各章節(jié)內容及學時分配第一章緒論及流體的主要物理性質(2學時)教學目的與要求流體的平衡和運動規(guī)律與自身的物理性質緊密相關，本章主要對流體的物理性質進行闡述，使學生對流體力學的基本概念、流體的主要物理特性有基本了解。教學內容第一節(jié)緒論、連續(xù)介質的概念、流體的密度和相對密度第二節(jié)流體的粘性一、粘性產生的原因二、牛頓內摩擦定律第三節(jié)相關概念一、理想流體二、流體的膨脹性與壓縮性三、不可壓縮流體考核要求了解：流體的物理性質對流體的力學現(xiàn)象的影響。理解：理想流體、可壓縮和不可壓縮流體、流體質點、連續(xù)介質的概念。掌握：粘性概念，工程中常用的粘性單位，牛頓內摩擦定律及應用。第二章流體靜力學（4學時）教學目的與要求通過本部分的學習，要求學生掌握流體靜力學的有關基本知識、基本理論，學會分析流體的受力情況，掌握曲面受力的解題方法，了解流體在非慣性坐標系中的相對平衡。教學內容第一節(jié)平衡流體上的作用力質量力表面力流體靜壓強第二節(jié)流體平衡微分方程流體平衡微分方程的導出質量力的勢函數(shù)等壓面第三節(jié)重力場中的平衡流體不可壓縮平衡流體的靜壓強基本公式可壓縮流體的靜壓強分布公式靜壓強的計算與測量第四節(jié)平衡流體對于壁面的作用力作用在平面上的總壓力作用在曲面上的總壓力考核要求了解：流體靜力學的基本知識，物體受力類型、流體平衡微分方程、靜壓強的計算、平面與曲面受力及計算，流體在非慣性坐標系中的相對平衡。理解：相對壓強的概念及應用，曲面壓力體的畫法，潛體、沉體、浮體的概念掌握：靜壓強的計算及相對壓強的應用，平面壓力的分布狀態(tài)，曲面壓力體的畫法及曲面的總壓力計算，掌握流體平衡微分方程的推導及應用條件。第三章流體動力學基礎（10學時）教學目的與要求本章是全課的重點，學生通過本章的學習，了解流體流動的一些基本規(guī)律，對流體動力學有初步的理解，掌握工程流體力學中最重要的三大基本方程連續(xù)方程、伯努利方程和動量方程及其應用。教學內容第一節(jié)研究流體流動的方法拉格朗日法歐拉法第二節(jié)基本概念定常流動與非定常流動一維流動、二維流動與三維流動均勻流與非均勻流緩變流與急變流流線與跡線流管、流束、過流斷面流量、平均流速第三節(jié)連續(xù)方程概念應用第四節(jié)伯努利方程及應用伯努利方程的幾何意義及物理意義伯努利方程在工程實際中的應用第五節(jié)沿流線主法線方向壓強和速度的變化第六節(jié)粘性總流的伯努利方程第七節(jié)動量方程概念應用考核要求了解：拉格朗日、歐拉法、流線、緩變流等重要概念。理解：假設條件的應用，公式幾何意義的概念，三個基本方程在流體力學中的重要作用。掌握：連續(xù)性方程、伯努利方程、動量方程的導出條件、假設條件及應用條件，掌握三個方程在工程實際中的應用，能運用方程解決簡單的工程實際問題。對流體質點的變形和旋轉運動有相當?shù)牧私?。第四章流體在圓管中的流動（10學時）教學目的與要求本章主要討論不可壓縮流體在圓管中的流動及運動規(guī)律，其中流動過程中的能量損失是本章的重點，要求學生掌握應用莫迪圖計算損失系數(shù)方法，對常見的流動損失的計算有熟練掌握，了解水擊現(xiàn)象、產生原因及預防措施。教學內容第一節(jié)雷諾實驗層流和湍流流動狀態(tài)的判定沿程損失和速度的關系水力直徑的概念第二節(jié)圓管中的層流流動速度分布和流量平均流速和最大流速層流的動能和動量修正系數(shù)層流的沿程損失管路進口起始段第三節(jié)圓管中的湍流流動時均流動與脈動混合長度理論湍流的速度分布第四節(jié)管路流動的沿程阻力產生原因計算方法尼古拉茲實驗莫迪圖第五節(jié)管路流動的局部阻力產生原因管路突然擴大的局部阻力常用的局部阻力系數(shù)局部阻力的相互干擾第六節(jié)管路計算簡單管路串聯(lián)管路并聯(lián)管路管路特性第七節(jié)水擊現(xiàn)象水擊的物理過程水擊壓強防止水擊危害的措施考核要求了解：能量損失是本章的重點，同時也是對伯努利方程的補充和完善。學生應了解流動有層流和湍流兩種不同的形態(tài)，了解相應的特性和計算方法。對水擊現(xiàn)象有初步了解。理解：湍流流動中時均速度的概念，管路特性的應用。掌握：雷諾實驗、實驗的原理、意義及解決的工程實際問題。層流及湍流的特性及相關的損失計算方法。尼古拉茲實驗、莫迪圖的應用；對不同的局部裝置，相對的局部損失系數(shù)的確定，管路突然擴大的損失計算方法；串、并聯(lián)管路的特性及計算公式。水擊現(xiàn)象的危害及防止措施。第五章孔口出流及相似原理（6學時）教學目的與要求流體流經各種不同形式的孔口出流是一個應用廣泛的問題。本章要求學生掌握工程中常用的孔口出流特征，分析影響孔口出流性能的主要因素，確定孔口出流的基本參數(shù)和主要系數(shù)，掌握簡單的計算方法。同時掌握常用的相似原理。教學內容第一節(jié)孔口出流概述薄壁孔口和厚壁孔口自由出流和淹沒出流三、完善收縮和不完善收縮第二節(jié)薄壁孔口出流出流的速度和流量計算孔口出流系數(shù)第三節(jié)厚壁孔口出流出流的速度和流量計算孔口出流系數(shù)不同孔口出流系數(shù)第四節(jié)機械中的氣穴現(xiàn)象氣穴與氣蝕節(jié)流氣穴泵進口處的氣穴第五節(jié)相似原理流體的力學相似動力相似準則近似模型法了解：孔口出流的一些基本概念，相似原因的概念及應用理解：幾種常見的孔口出流性能的比較，力學相似準則的應用。掌握：薄壁孔口、厚壁孔口的速度、流量和相關系數(shù)的計算公式，各種孔口的特點及應用。氣穴與氣蝕的形成及預防，相似原理的應用。四實驗1實驗目的與任務工程流體力學是一門基礎科學，在工程技術領域，土木、交通、建筑、水利、機械、動力、環(huán)保、化工等領域中，涉及大量的流體力學問題。在實際的流體力學問題中，流動現(xiàn)象極為復雜，即使經過簡化，也不一定能加以定量的理論分析。或者理論分析所得結果與實際相差太遠。因此實驗課是工程流體力學課程的重要環(huán)節(jié)。應用測試技術和實驗方法來解決實際的流體力學問題，這就是流體力學實驗研究的課題。流體力學實驗的目的是研究流體運動中的新現(xiàn)象和相應的規(guī)律；通過觀察流動現(xiàn)象，驗證所學理論，學會解決工程實際問題；通過觀察研究各種流動現(xiàn)象的本構關系，培養(yǎng)學生觀測和分析流動現(xiàn)象的能力，更好地認識流體流動的基本概念和基本規(guī)律，從而研究新型測試儀器和測量方法。2實驗教學基本要求（1）學習并掌握流體力學實驗的基本原理及方法，具備查閱資料、制訂實驗方案、實施實驗方案、數(shù)據(jù)處理、分析總結和撰寫實驗報告的能力。（2）熟悉有關儀器的使用方法和有關設備的用途，訓練基本實驗技能。（3）掌握基本的觀測方法、儀器使用和數(shù)據(jù)分析方法，培養(yǎng)學生實驗研究的興趣和動手能力；同時學會如何整理流體力學實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告，為學生今后獨立進行類似工作打下堅實基礎。（4）注意啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，根據(jù)條件安排一定的綜合性實驗，鍛煉學生獨立綜合實驗能力。3、實驗指導書：《工程流體力學實驗指導書》。4．實驗項目一覽表序號實驗項目名稱實驗類型實驗學時主要儀器設備實驗地點備注1伯努力方程驗證實驗驗證2伯努力實驗臺機械館流體實驗室2動量定律實驗驗證2動量實驗臺機械館流體實驗室3阻力系數(shù)測定驗證2阻力系數(shù)測定實驗臺機械館流體實驗室4流量計校正實驗綜合2機械館流體實驗室儀器待買5雷諾實驗演示雷諾實驗臺機械館流體實驗室6流動現(xiàn)象演示實驗演示旋流儀機械館流體實驗室五、考核及成績評定方法：全體筆試（閉卷）統(tǒng)考；流水作業(yè)評卷；平時成績占20％，期末考試成績占70％；實驗成績占10％。項目及比例評價環(huán)節(jié)畢業(yè)要求評估比例平時作業(yè)20%作業(yè)支撐畢業(yè)要求指標點2.14%作業(yè)支撐畢業(yè)要求指標點2