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英文名称：Engineering Fluid Mechanics

课程编号：080820060

总学时：56 实验学时：6 总学分：3.5

适用对象：热能与动力工程

先修课程：高等数学、物理学、理论力学等

大纲主撰人：张洁 大纲审核人：张小兵

一、课程性质、目的和任务

1、课程性质：本课程是建筑环境与设备工程及热能与动力工程专业的共有专业基础课程。

2.、教学目的：是使学生掌握流体力学的基本概念、基本原理、基本实验方法和实验技能，为后续专业课的学习提供充分的理论准备，为将来从事科学研究以及专业工作打下必要的理论基础。

二、教学内容及要求：

第1章：绪论

授课学时：3

内容及要求：

1-1 流体力学的任务及发展概况

要求：了解流体力学的发展历史，了解流体力学的研究方法及其应用。

1-2 流体的主要物理性质

内容：流体的密度、流体的压缩性和膨胀性、流体的粘性和牛顿内摩擦定律、流体的表面张力和毛细现象

要求：掌握流体的密度及相对密度的定义；掌握流体连续介质假定的必要性和合理性；了解不同流体粘性的成因，掌握牛顿内摩擦定律，了解影响流体粘性的因素，掌握理想流体的定义及其意义，了解黏度的测量方法；了解表面张力和毛细现象的成因。

1-3 流体的特征和连续介质假设

内容：流体的特征和连续介质假设、流体连续介质假定

要求：掌握流体的定义，了解不同流体的特征；掌握流体连续介质假定的必要性和合理性。

1-4 作用在流体上的力

内容：表面力、质量力

要求：掌握流体的表面力的定义及种类；掌握流体的质量力的定义及种类。

思考题：

1、流体有哪些特性？试述液体和气体特征的异同。

2、什么是连续介质？在流体力学中为什么要建立连续介质这一理论模型？

3、试叙述流体的密度、相对密度的概念，并说明它们之间的关系。

4、何谓流体的压缩性和膨胀性？

5、举例说明怎样确定流体是可压缩的或是不可压缩的。

6、何谓流体的粘性？流体的粘性与流体的宏观运动是否有关？静止流体是否有粘性？静止流体内部是否有粘性切向应力?

7、为什么要提出理想流体这个假设？它与热力学中的理想气体有什么区别？

8、什么是表面张力？试对表面张力现象作物理解释。

9、作用在流体上的力有哪些？在什么情况下有惯性力？在什么情况下有摩擦力？

第2章：流体静力学

授课学时：12

内容及要求：

2-1 流体静压强及其特性

要求：掌握流体静压强及其特性，流体静压强的分布规律，压强的计量基准和度量单位，了解液柱测压计的工作原理，掌握作用在平面的液体压力和作用在曲面的液体压力的特性和计算。

2-2 流体平衡微分方程

内容：流体平衡微分方程式、流体平衡条件、等压面

要求：掌握流体平衡微分方程式及其推导；掌握流体的平衡条件，液体的相对平衡条件；掌握流体等压面的概念和方程表示。

2-3 重力作用下的流体平衡

内容：重力作用下的静力学基本方程、压强的度量

要求：掌握重力作用下的静力学基本方程的物理意义和几何意义；掌握流体压强的度量单位，掌握压i强的表压、绝对压力和真空度的概念。

2-4 流体静力学基本方程的应用

内容：测压管、U形管测压计、U形管差压计、倾斜微压计

要求：掌握测压管的结构和工作原理；掌握U形管测压计的结构和工作原理；掌握U形管差压计的结构和测量原理；掌握倾斜微压计的结构和测量原理。

2-5 平面上的静水总压力

内容：总压力的大小、总压力的作用点

要求：掌握总压力大小的计算方法；掌握总压力的作用点的求解方法。

2-6 曲面的静水总压力

内容：总压力的大小和方向、总压力的作用点、压力体的概念、静止液体作用在曲面上的总压力的计算程序

要求：掌握曲面静水总压力大小和方向的确定；掌握曲面总压力的作用点的求解方法；掌握压立体的概念和计算方法；掌握静止液体作用在曲面上的总压力的计算程序。

2-7 浮体与潜体的稳定性

内容：浮体的原理、浮体与潜体的稳定性

要求：掌握浮体的计算原理；掌握掌握浮体的平衡条件，掌握潜体的受力计算。

思考题：

1、流体的静压强有哪些特性？

2、流体平衡微分方程是如何建立的？它的物理意义是什么？

3、什么是等压面？等压面的特征方程是取何形式？等压面与单位质量力有什么关系？

4、写出流体静力学基本方程的几种表达式。说明流体静力学基本方程的物理意义和几何意义。

5、什么是绝对压强？表压？真空度？它们之间有什么关系？

6、什么是压力体？

7、重力为G的物体在液体中有哪些存在方式？如何确定？

第3章：流体动力学

授课学时：12

内容及要求：

3-1 描述流体运动的两种方法

要求：理解拉格朗日法和欧拉法描述流体运动的本质及其方程式。

3-2 流体运动的一些基本概念

内容：定常流动和非定常流动、迹线与流线、流管、流束和总流、流量和平均流速、一维、二维和三维流动、均匀流和非均匀流

要求：掌握流体定常流动和非定常流动的本质区别；掌握迹线与流线的概念及其区别；掌握流管、流束和总流的概念以及应用原理；掌握流量和平均流速的概念；掌握一维、二维和三维流动的概念和数学表达；掌握均匀流和非均匀流的概念。

3-3 流体流动的连续性方程

内容：直角坐标系下连续性方程、微元流束和总流的连续性方程

要求：掌握直角坐标系下连续性方程的推导过程；掌握微元流束和总流的连续性方程的形式。

3-4 理想流体的运动微分方程

要求：掌握理想流体运动微分方程的推导。

3-5 理想流体微元流束的伯努利方程

内容：理想流体微元流束的伯努利方程、方程的物理意义和几何意义

要求：掌握理想流体微元流束的伯努利方程的推导；了解该方程的物理意义和几何意义。

3-6 伯努利方程的应用

内容：皮托管、文特里流量计

要求：掌握皮托管的测量原理；了解文特里流量计的工作原理。

3-7 定常流动的动量方程和动量矩方程

内容：定常流动的动量方程、定常流动的动量矩方程

要求：掌握定常流动的动量方程的形式；掌握定常流动的动量矩方程的形式。

思考题：

1、研究流体运动的拉格朗日法和欧拉法的实质是什么？

2、何为流线、迹线、有效截面、定常流动、非定常流动、一维流动、二维流动、三维流动？

3、流线和迹线有什么区别？

4、在什么条件下流场中的流线和迹线重合？

5、伯努利方程各项的物理意义？

6、动量方程能解决什么问题？

第4章：粘性流体的流动阻力计算

授课学时：7

内容及要求：

4-1 流体运动与流动阻力的两种形式、粘性流体的均匀流动

内容：过流断面上影响流动阻力的主要原因、流体运动与流动阻力的两种形式

要求：掌握影响流动阻力的两个因素；掌握流体阻力形式。

4-2 粘性流体的两种流动形态

内容：雷诺实验、雷诺数、能量损失与平均流速的关系

要求：掌握雷诺实验的方法和内容；掌握雷诺数反映的内容；掌握关系曲线反映的规律。

4-3 流动损失分类

内容：沿程阻力与沿程损失、局部阻力与局部损失

要求：掌握掌握沿程阻力和沿程损失的计算；掌握局部阻力与局部损失的含义和计算公式。

4-4 圆管中流体的层流运动

内容：速度分布、流量及平均流速、切应力分布、沿程损失、动能修正系数

要求：掌握由牛顿内摩擦定律推导出的数学模型及其含义；了解圆管中速度分布曲线形状及其成因；掌握圆管平均流速的概念，掌握由平均流速计算流量的方法；掌握圆管中切应力在流动断面上的分布曲线的推导；掌握圆管沿程损失公式的推导；掌握圆管流动中动能修正系数的推导。

4-5 圆管中流体的紊流流动

内容：紊流脉动现象与时均速度、紊流中的切向应力、紊流结构及“光滑管”和“粗糙管”、圆管中紊流有效截面上的切应力分布和速度分布、紊流中沿程损失的计算

要求：了解紊流脉动现象，掌握时均速度的概念；掌握紊流中切向应力的特点和计算；掌握层流底层的概念，掌握粗糙管和光滑管的定义；了解圆管中有效截面上切应力分布和速度分布的概况；了解计算内容。

4-6 沿程阻力的实验研究

内容：尼古拉兹实验、莫迪图

要求：了解尼古拉兹人工粗糙管的概念，了解尼古拉兹实验曲线；了解莫迪图的结构和概念。

4-7 非圆形管道沿程损失的计算

要求：了解非圆形管道沿程阻力计算的折算办法。

4-8 局部损失的计算

内容：损失产生的原因、局部损失的计算

要求：了解局部阻力产生的各种原因。

4-9 边界层理论基础、粘性流体的不均匀流动

内容：边界层的概念、边界层的基本特征

要求：掌握边界层的概念的形成；掌握边界层的基本特征。

思考题：

1、试从流动特征、速度分布、切应力分布和水头损失等方面来比较圆管中的层流和紊流特征。

2、输水管道的流量一定时，随着管径增加，雷诺数是增加还是减少？

3、流动阻力与能量损失分哪几种类型？试说明它们产生的原因。对于有数段管道及数个管道附件的管道系统，其流动阻力应如何计算？

4、什么叫时间平均流速？试说明紊流流动引用时间平均流速的合理性与必要性。

5、何为普朗特混和长度理论？根据这一理论紊流中的切应力应如何计算？

6、什么叫水力光滑管和水利粗糙管？与哪些因素有关？

7、按照尼古拉兹实验曲线可将流动分为哪几个区域？各区域有什么特点？如何判别？沿程阻力系数如何确定？

8、什么叫当量直径？为什么要引入当量直径的概念？

9、什么叫边界层？边界层有哪些基本特性？

第5章：有压管道水力计算

授课学时：7

内容及要求：

内容：管道系统分类、管道水力计算的主要任务、串并联管道的水力计算、水击现象的描述、水击压强和传播速度、水击波的分类及减弱水击的措施

要求：了解各种管道的分类方法；掌握管道水力计算的主要任务内容和方法；掌握串联管道的概念和计算方法；掌握并联管道的概念和计算方法；了解水击现象的理论描述；掌握水击压强的概念和传播速度的计算；了解水击波的分类和特性，了解减弱水击的措施。

思考题：

1、管道系统是如何划分的？管道水力计算的任务是什么？

2、何为水击现象？分析水击现象时，必须考虑哪些因素的影响？

3、为什么说要尽量避免发生直接水击？怎样减少水击压强？

第6章：明渠定常均匀流

授课学时：5

内容及要求：

内容：明渠相关概念、分类，明渠定常均匀流的水力计算，水力最佳断面

要求：掌握明渠相关概念；掌握明渠均匀流的计算；熟悉明渠水力最佳断面和允许流速的概念。

思考题：

明渠是如何分类的？

明渠定常均匀流水力计算相关因素有哪些？

第7章：缝隙流

授课学时：4

内容及要求：

内容：流经平行平面、倾斜平面及环形缝隙的流动，流经平行圆盘间的径向流动

要求：掌握缝隙流的相关概念；熟悉流经各种不同缝隙流动的原理及计算。

三、实验（无）

四、学时分配

课程总学时为56，其中理论学时50，实验学时6。

章次	内容	课堂讲授	习题课	合计
一	绪论	2	1	3
二	流体静力学	10	2	12
三	流体动力学	10	2	12
四	粘性流体的流动阻力	7	7
五	有压管道水力计算	5	2	7
六	明渠定常均匀流	3	2	5
七	缝隙流	4	4
总计	41	9	50

五、推荐教材及参考书目

教材：《工程流体力学》，徐文娟、韩建勇主编，哈尔滨工程大学出版社

参考书目：

[1] 山东工业大学孔珑主编.工程流体力学.北京:水利电力出版社,1992

[2] 于荣宪.工程流体力学解题分析.南京:江苏科学技术出版社,1985

[3] 于荣宪等.工程流体力学.南京:东南大学出版社,1994

[4] 清华大学热能工程系郑洽余等.流体力学.北京:机械工业出版社

六、课程考核

课程成绩中期末考试成绩占70%，平时成绩占30%。期末考试采用笔试方式进行。

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