17流体力学

流体力学教学大纲

课程编号：140135 课程名称：流体力学 英文名称：Fluid Mechanics 学分：2.5 学时：42

适用年级专业（学科类）：土木工程

一、课程概述

（一）课程性质

流体力学是一门土木工程专业的主要技术基础课。通过本课程的学习，使学生掌握水流宏观运动的基本规律、基本理论与分析方法，理解不同水流的特点，学会常见土木工程中的水力计算方法，并具备初步的试验量测技能，为学习后续课程和从事专业技术工作打下基础。

（二）教学目标与要求

1、具有较为完整的理论基础,包括：掌握流体力学的基本概念；熟练掌握分析流体运动的总流分析方法,熟悉量纲分析与实验相结合的方法,了解求解简单平面势流的方法；掌握流体运动能量转化和水头损失规律,对绕流流阻力有一定了解；具有对一般流动问题的分析和计算能力,包括：水力荷载的计算；管道、渠道和堪过流能力的计算,井的渗流计算；.水头损失的分析和计算。

2、掌握测量水位、压强、流速、流量的常规方法。具有观察水流现象,分析实验数据和编写报告的能力。

（三）重点和难点

该课程中牛顿内摩擦定律，流体静压强及作用在平面和曲面上的总压力的计算，描述流体运动的的欧拉法，连续性方程、伯努利方程和动量方程的建立及其工程应用，流体力学的相似准则、无量纲数和量纲齐次性原理，两种水头损失计算、沿程阻力系数和紊流的特征，短管和长管的水力计算，明渠均匀流的水力计算、明渠非均匀流水面曲线的定性分析及定量计算，小桥（涵）孔径的水力计算，达西渗流定律、集水廊道和单井产水量计算等是本课程的重点和难点。

（四）与其他课程的关系

前修课程：高等数学，普通物理，理论力学和材料力学（基础部分）。

流体力学课程在专业教学中将为水文学、土力学、工程地质、土木工程施工、建筑设备等多门专业基础课程和专业课程阐释所涉及的流体力学原理,帮助学生进一步认识土木工程与大气和水环境的关系。

（五）教材及教学参考书

1、刘鹤年，流体力学（第二版），中国建筑工业出版社，2004年7月。

2、丁祖荣，流体力学，高等教育出版社。

3、胡敏良主编，流体力学，武汉工业大学出版社，2002年7月第1版。

二、学时分配 章 1 课程内容 绪论 学时 4 2 3 4 5 6 7 8 9 10

流体静力学 流体运动学 流体动力学基础 量纲分析和相似原理 流动阻力和水头损失 孔口、管嘴出流和有压管流 明渠流动 堰流 渗流 4 6 6 4 6 4 4 2 2 三、课程内容

第一章 绪论

教学的目的和要求：使学生了解流体力学的任务及应用领域，掌握流体的连续介质理论和流体的主要物理力学性质以及作用在流体上的力的两种形式。

掌握流体的连续介质模型、流体的主要物理性质：易流动性、密度与重度、粘性与理想流体模型、压缩性与不可压模型、表面张力特性、汽化压强特性；掌握作用在流体上的力的两种形式：质量力与表面力。

主要内容：

1.流体力学的研究对象和任务。 2.流体的连续介质模型、质点。 3.作用在流体上的力:表面力和质量力。 4.流体的主要物理性质:惯性、粘性、压缩性。 5.牛顿流体和非牛顿流体。

重点：流体的连续介质模型、密度与重度、粘性与理想流体模型、牛顿内摩擦定律、压缩性与不可压模型、质量力与表面力

难点：连续介质模型、牛顿内摩擦定律、质量力与表面力

主要教学环节的组织：讲授，配合多媒体课件。注意问题：概念理解、记忆并能应用。 思考题：

1-1 液体与气体有哪些不同性质？ 1-2 何谓连续介质？引入的目的意义何在？

1-3 密度、重度和比重的定义以及它们之间的关系如何？

1-4 流体的压缩性和膨胀性如何去度量？温度和压力对它们怎样影响？

1-5 何谓流体的粘性？如何度量流体粘性的大小？液体和气体的粘性有何区别？其原因何在？ 1-6 作用在流体上的力，包括哪些力？在何种情况下有惯性力？何种情况下没有摩擦力？

第二章 流体静力学

教学的目的和要求：理解静水压强的特性，理解液体平衡微分方程，压强的表示方法、压强的计量单位、液体的相对平衡；掌握水静力学的基本方程，掌握液柱式测压计的基本原理，掌握并能熟练计算作用在平面、曲面上的静水总压力。

主要内容：

1.静止流体中应力的特性。 2.流体平衡微分方程、等压面。

3.重力场中液体静压强的分布。绝对压强、相对压强、真空度。测压管水头。 4.液体作用在平面上的总压力。压力中心。压强分布图法。 5.液体作用在曲面上的总压力。压力体。 6.浮力。浮体的平衡。

重点：静水压强的特性、液体平衡微分方程、液体的相对平衡、水静力学的基本方程、液柱式测压计、作用在平面、曲面上的静水总压力。

难点：液体平衡微分方程、液体的相对平衡、差压计、作用在平面、曲面上的静水总压力。

主要教学环节的组织：讲授，配合多媒体课件。注意问题：概念、原理、计算方法的理解、记忆，复习高等数学中的泰勒公式、理论力学中的合力之矩原理、材料力学中的静面矩、惯性矩。 思考题：

2-1 流体静压力有哪些特性？如何证明？

2-2 试述流体平衡微分方程式的推导步骤，其物理意义和适用范围是什么？ 2-3 什么样的函数称为力函数？力函数与压力全微分有什么关系？ 2-4 等压面及其特性如何？

2-5 静力学基本方程说明哪些问题？它的使用条件是什么？ 2-6 绝对压、表压和真空度的意义及其间的相互关系如何？

2-7 何谓相对静止流体？分析的方法如何？它们和静止流体有什么共性？

2-8 如何确定平面、曲面上液体总压力大小、方向、作用点，它们之间有什么共性和特性？ 2-9 何谓压力中心？何谓压力体？确定压力体的方法步骤如何？

2-10 怎样确定潜体和浮体所受浮力的大小和作用点？潜体和浮体的平衡条件是什么？

第三章 流体运动学

教学的目的和要求：了解描述流体运动的两种方法，建立描述流场的轨迹线和流线的方程式的意义。了解流体运动的微元分析法，了解流体微团运动的基本形式。理解有势流动和有旋流动。

主要内容：

1.描述流体运动的两种方法:拉格朗日法和欧拉法。流场。质点导数。 2.恒定流和非恒定流。一元、二元和三元流动。均衡流和非均衡流。 3.流线、元流和总流。流量。平均流速。 4.流体微团运动分析。有旋运动和无旋运动。 5.连续性微分方程及其对总流的积分。 重点：描述流体运动的两种方法。 难点：流体运动的微元分析法。

主要教学环节的组织：讲授，配合多媒体课件。注意问题：概念、原理、计算方法的理解、记忆。 思考题：

3-1 拉格朗日法和欧拉法在分析流体运动上有什么区别？为什么常用欧拉法？ 3-2 欧拉法中流体的加速度如何表示？

3-3 何谓稳定流动和不稳定流动？试举例说明其区别。 3-4 何谓流线？流线有什么特点？流线与迹线有什么不同？ 3-5 引入断面平均流速有什么好处？它和实际流速有什么关系？

3-6 重量流量与体积流量之间的关系如何？常用的单位是什么？

第四章 流体动力学基础

教学的目的和要求：了解质量守恒定律表现形式──连续性方程。了解不可压缩平面流动流函数的定义和性质。了解从动量守恒原理导出的纳维—斯托克斯方程及其各项的物理意义。了解理想流体运动的欧拉方程、兰姆方程及欧拉方程的边界条件。了解定常流动的欧拉方程积分──伯努利定理的物理意义及其应用实例和不定常流动的欧拉方程积分──拉格朗日—柯西积分。了解定常流动的动量定律及动量矩定律。

主要内容：

1.流体运动微分方程:理想流体运动微分方程。粘性流体运动微分方程(不推导)。 2.理想流体运动微分方程的伯努利积分。伯努利方程的能量意义和几何意义。 3.总流的伯努利方程。 4.总流的动量方程。

5.理想流体的无旋流动。流速势函数与流函数。基本平面势流。势流叠加原理。

重点：连续性微分方程，理想液体运动微分方程，实际流体的运动微分方程，恒定总流连续性方程，理想液体元流的能量方程与实际流体总流的能量方程、恒定总流动量方程以及恒定平面势流。

难点：连续性微分方程，实际液体的运动微分方程，实际液体总流的能量方程、恒定总流动量方程以及恒定平面势流。

主要教学环节的组织：讲授，配合多媒体课件。注意问题：1）概念、原理、计算方法的理解、掌握。注意实际流体能量方程和动量方程计算断面的选取，以及解题步骤与方法；注意有涡流与势流；2）注意复习高等数学的导数、微分与曲线积分等基本方法概念、原理、计算方法的理解、记忆。 思考题：

4-1 连续性方程的物理意义如何？

4-2 欧拉运动微分方程式的物理意义如何？适用于什么情况？

4-3 流束和总流的伯诺利方程式有何区别？其适用条件如何？各项的物理意义又如何？ 4-4 运动坐标系的伯诺利方程式如何表示？其物理意义如何？ 4-5 应用伯诺利方程时要注意哪些问题?

4-5 为何伯诺利方程可以用图表示出来？如何表示？何谓水力坡降？

第五章 量纲分析和相似原理

教学的目的和要求：使学生理解几何、运动、动力、初始与边界条件相似的基本概念，掌握各种动力相似准则，特别是重力相似准则、粘性力相似准则，能灵活应用模型律进行模型设计；理解量纲与单位的基本概念，量纲的和谐原理，掌握量纲的基本分析方法：瑞利法与 定理。理解量纲分析法、力学相似概念和主要相似准则的意义及应用。

主要内容：

1.量纲分析的意义和量纲和谐原理。 2.量纲分析方法：瑞利法和π定量。

3.相似概念。相似准则:雷诺准则、佛劳德准则、欧拉准则、柯西准则。

重点：重力相似准则、粘性力相似准则，模型设计；量纲的和谐原理，瑞利法与 定理。 难点：动力相似准则，量纲分析：瑞利法与 定理

主要教学环节的组织：讲授，配合多媒体课件。注意问题：物理量的量纲单位的记忆；注意观察实