流体力学龙天渝建环专业课程教案.docx

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流体力学龙天渝建环专业课程教案

《流体力学》课程教案

（建筑环境与设备工程专业）

第一章绪论

1．本章的教学目标及基本要求

本章为绪论，涉及到流体的定义、作用在流体上的力、流体的基本物理性质和流体的力学模型。

通过本章的教学，要求学生了解流体力学在本学科及相关工程技术领域内的地位和作用，掌握流体与固体的典型区别，连续介质模型、不可压缩流体和理想流体的定义，了解流体的主要物理性质；掌握流体的受力分析方法，能够正确应用牛顿内摩擦定律分析解决液膜条件下流体的运动及及其与固体间的相互作用问题。

2．本章各节教学内容（列出节名）及学时分配

本章教学内容分2单元，每单元2学时

Ø单元1：

流体力学在本学科中的地位和作用，流体的定义与特点，，作用在流体上的力;流体的惯性,流体的粘性；习题1-1,4

Ø单元2：

流体的粘性，压缩性与膨胀性,不可压缩流体和理想流体的概念，流体的连续介质模型；习题1-7，8，12

3．本章教学内容的重点和难点

本章的重点是：

本章的教学任务是让学生初步建立起流体及流体力学的基本概念，重点放在流体与固体的本质区别，描述流体的基本模型及流体的主要物理性质。

本章的难点是：

熟练、正确进行受力分析；正确运用牛顿内摩擦定律分析求解液膜条件下流体的运动及及其与固体间的相互作用问题。

4.本章教学内容的深化和拓宽：

介绍不可压缩流体的概念及其工程应用意义，说明粘性的外部特性与内部特性的区别。

5．本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题；

本章涉及到较多的物理基本概念，注意时刻提醒学生从最基本的物理现象出发去理解和把握物理概念，在受力分析及应用过程中注意结合以往课程的内容和知识，帮助学生逐步建立将所学知识与工程实际应用相结合的思维习惯。

教学方式以课堂教学为主。

6．本章的主要参考书目：

●周光炯等编·流体力学·第2版·北京：

高等教育出版社，2000

●屠大燕主编·流体力学与流体机械·北京：

中国建筑工业出版社，1999

●刘鹤年编·水力学·北京：

中国建筑工业出版社，1999

●李玉柱苑明顺编·流体力学·北京：

高等教育出版社，1998

●陈卓如主编·工程流体力学·北京：

高等教育出版社，1992

●潘文全·工程流体力学·北京：

清华大学出版社，1988

●汪兴华·工程流体力学习题集·北京：

机械工业出版社，1983

●山东工学院东北电力学院·工程流体力学·北京：

电力工业出版社，1980

●ClaytonT.Crowe,DonaldF.ElgerandJohnA.Roberson.EngineeringFluidMechanics.7thed.NewYork:

JohnWiley&Sons,2001

●VennardJKandRLStreet.ElementaryFluidMechanics.6thed.NewYork:

JohnWiley&Sons,1982

7．本章的思考题和习题：

习题1-1,4,7,8,12

单元1

1．教学内容：

流体力学在本专业中的作用,流体的定义，惯性、压缩性与膨胀性

✧了解流体力学在学科中的地位和作用；

✧明确流体的定义；

✧了解流体的特点及流体的连续介质模型；

✧了解流体惯性的度量方法；

✧了解流体的压缩性与膨胀性的定义及数量级；

✧明确不可压缩流体的概念。

2．本单元的教学方式；教学方式为课堂讲解为主，并辅助以固体和流体的差异进行对比讲解。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的作业布置：

习题1-1,1-4

单元2

1．本单元教学内容：

，流体的连续介质模型及压缩性与膨胀性，不可压缩流体的概念

✧流体粘性的表现形式：

包括外部体现——黏附在固体表面上；内部体现——流动方式沿运动的法线方向有衰减地传递，机械能损失；

✧流体粘性的定量研究：

牛顿内摩擦实验及内摩擦定律；

✧流体粘性的度量：

黏度的定义及影响流体黏度的因素；

✧牛顿内摩擦定律的应用；

✧作用在流体上的力

2．本单元的教学方式：

教学方式以讲解及推导为主。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧流体粘性的表现形式：

外部体现——黏附在固体表面上；

内部体现——流动方式沿运动的法线方向有衰减地传递，机械能损失流体微团运动的基本形式；

✧流体粘性的定量研究：

牛顿内摩擦实验；

牛顿内摩擦定律

✧流体粘性的度量：

黏度的定义;

温度变化对流体黏度的影响;

压强变化对流体黏度的影响。

✧牛顿内摩擦定律的应用

牛顿内摩擦定律的应用范围

应用牛顿内摩擦定律举例

✧两类作用力——非接触的质量力与通过表面作用的接触力

5．本单元的作业布置：

习题1-7，1-9，1-12

第二章 流体静力学

1．本章的教学目标及基本要求：

本章为流体静力学，要求通过本章学习，学会分析流体静止状态时的力平衡关系，掌握静止流体中的压力分布规律及流体与固体表面之间的相互作用力。

2．本章各节教学内容（列出节名）及学时分配；

本章内容分4个单元，每单元2学时：

Ø单元1：

流体静压力的特点，静止流体中的力平衡关系，重力场中的压力分布规律

Ø单元2：

测压原理及其应用，流体静压力的表达方式及其物理意义

Ø单元3：

相对静止流体中的压力分布及其应用

Ø单元4：

静止流体作用在固体表面上的总作用力

3．本章教学内容的重点和难点：

本章教学的重点是：

明确流体静止的概念，掌握建立力平衡关系的基本方法，掌握流体测压原理及其应用，学会分析静止流体与固体表面之间的相互作用力。

本章的难点有三：

（1）流体的运动与静止的概念许多学生不能清晰理解；

（2）流体压力的表达有多种方式，各种方式之间的关系容易混淆；

（3）学生已经有静止液体中的压力分布、浮力原理等流体静力学的知识，如何将之引入理论的框架是主要的教学难点。

4.本章教学内容的深化和拓宽：

通过建立流体平衡微分方程，在特定的条件下导出适用与该条件的压力分布规律，并积分推导出流体与固体表面间的相互作用力，这样的理论分析方法是本章教学要坚持和突出的主线，依据这条主线，可引导学生建立起理论分析方法与实际应用相互结合的思维理念。

。

5．本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题：

本章初次涉及到严密的数学推导，注意时刻提醒学生在推导过程中各个物理量以及各项的物理意义，注意引导学生回顾过去已有的关于流体力学的若干零散的知识并将之纳入流体力学的系统理论框架之中，以引导学生产生对科学理论探索的兴趣。

6．本章的主要参考书目：

●周光炯等编·流体力学·第2版·北京：

高等教育出版社，2000

●屠大燕主编·流体力学与流体机械·北京：

中国建筑工业出版社，1999

●刘鹤年编·水力学·北京：

中国建筑工业出版社，1999

●李玉柱苑明顺编·流体力学·北京：

高等教育出版社，1998

●陈卓如主编·工程流体力学·北京：

高等教育出版社，1992

●潘文全·工程流体力学·北京：

清华大学出版社，1988

●汪兴华·工程流体力学习题集·北京：

机械工业出版社，1983

●山东工学院东北电力学院·工程流体力学·北京：

电力工业出版社，1980

●ClaytonT.Crowe,DonaldF.ElgerandJohnA.Roberson.EngineeringFluidMechanics.7thed.NewYork:

JohnWiley&Sons,2001

●VennardJKandRLStreet.ElementaryFluidMechanics.6thed.NewYork:

JohnWiley&Sons,1982

7．本章的思考题和习题：

习题2-1,5,8,10,12,13,16,17,19,20,22,25

单元1

1．本单元教学内容：

✧测压原理及其应用

✧流体流体静止的概念

✧流体静压力的特点

✧静止流体中的力平衡关系

✧重力场中的压力分布规律 

2．本单元的教学方式：

课堂讲解。

在理清基本概念的基础上重点进行微元体的力平衡关系推导并在简单重力场中积分，以得出流体静压力分布的简单结论。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧流体静止的概念和力学特征；

✧流体静压力的概念及特点——辅以图说明中学的流体静压力特点实验；

✧作微元受力分析图，标注各力的表述关系，给出对应的数学推导表达式

✧作大气作用下的静止液体图，给出对应的定解条件，作积分，导出对应的液体中压力分布表达式

5．本单元的作业布置：

习题2-1

单元2

1．本单元教学内容：

✧测压原理及其应用

✧流体静压力的表达方式及其物理意义

2．本单元的教学方式：

以课堂讲解为主，辅以实验室演示实验。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧给出重力场条件下的积分全过程；

✧用问答方式给出关于等压面的三条件，辅以例子说明；

✧给出测压原理的数学表达式，再以文字表述加强；

✧用复式测压计为例说明测压原理的应用，强调测压路径的概念；

✧给出压力计量及表达的方式，说明绝对压力与相对压力的联系及应用习惯；

✧给出压力各种单位之间的换算关系

5．本单元的作业布置：

习题2-5,8,10,12

单元3

1．本单元教学内容：

✧相对静止流体中的压力分布及其应用

2．本单元的教学方式：

课堂讨论。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

流体相对静止的概念及其力学特征；

✧给出水平匀速旋转容器中流体运动的物理模型

✧问答方式给出对应的质量力表达

✧问答方式给出对应条件下的力平衡关系及其积分

✧问答方式讨论对应条件下的等压面方程及自由液面形状

✧问答方式讨论旋转液体对平面壁的作用力

✧归纳求解相对静止流体中压力分布规律及其与固体壁面作用力的一般方法

5．本单元的作业布置：

习题2-13,16,17

单元4

1．本单元教学内容：

✧静止流体作用在平面壁上的总压力

✧静止流体作用在曲面壁上的总压力

✧静止流体作用在物体表面上的总压力

2．本单元的教学方式：

以课堂讲解为主，辅以课堂讨论。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧给出静止液面下平面受力作用的一般性表述图示

✧积分得到关于静止流体作用在平面壁上总压力的表达式，辅以文字说明

✧给出静止液面下曲面受力作用的一般性表述图示

✧积分得到关于静止流体作用在曲面壁上总压力的表达式

✧强调力的分解求和方法

✧分别讨论水平方向及垂直方向上总压力表达式的区别

✧问答方式引入压力体的作法及步骤

✧举例讨论压力体方法在求解静止流体对物体作用力的作用及其与阿基米德原理的联系及区别

5．本单元的作业布置：

习题2-19,20,22,25

第三章一元流体动力学基础

1．本章的教学目标及基本要求：

本章为一元流体动力学，涉及到流体运动的基本概念及工程中常用的连续性方程、伯努利方程和动量方程。

通过本章的教学，要求学生掌握总流连续性方程，伯努利方程，动量方程的应用。

通过本章的学习，要求学生能够熟练应用三大方程分析解决一元流体动力学问题。

2．本章各节教学内容及学时分配：

本章分5单元：

计10学时

Ø单元1：

研究流体运动的两种方法，流体运动的基本概念      2学时

Ø单元2：

一元流动模型，连续性方程，沿流线的伯努利方程      2学时

Ø单元3：

缓变流断面上的压强分布规律，总流的伯努利方程2学时

Ø单元4：

伯努利方程的应用（皮托管、文特里流量计等）      2学时

Ø单元5：

动量方程式及其应用      2学时

3．本章教学内容的重点和难点：

   本章的重点是：

流线和迹线，定常流和非定常流，一元流体动力学的一些基本概念，总流的连续性方程，伯努利方程以及动量方程。

本章的难点是：

连续性方程、伯努利方程和动量方程的应用。

4.本章教学内容的深化和拓宽：

  通过方程简化，说明流体力学以及其它学科发展的历程和一般规律；动量方程与其它方法相比的具体优点。

5．本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题：

本章涉及到较多的数学推导，注意时刻提醒学生在推导过程中各个物理量以及各项的物理意义，并提醒学生守恒原理在流体力学中的具体表达。

6．本章的主要参考书目：

●周光炯等编·流体力学·第2版·北京：

高等教育出版社，2000

●屠大燕主编·流体力学与流体机械·北京：

中国建筑工业出版社，1999

●刘鹤年编·水力学·北京：

中国建筑工业出版社，1999

●李玉柱苑明顺编·流体力学·北京：

高等教育出版社，1998

●陈卓如主编·工程流体力学·北京：

高等教育出版社，1992

●潘文全·工程流体力学·北京：

清华大学出版社，1988

●汪兴华·工程流体力学习题集·北京：

机械工业出版社，1983

●山东工学院东北电力学院·工程流体力学·北京：

电力工业出版社，1980

●ClaytonT.Crowe,DonaldF.ElgerandJohnA.Roberson.EngineeringFluidMechanics.7thed.NewYork:

JohnWiley&Sons,2001

●VennardJKandRLStreet.ElementaryFluidMechanics.6thed.NewYork:

JohnWiley&Sons,1982

7．本章的思考题和习题等：

习题3-1,3,4,6,9~11,14,16,17,19,20,21,24,26

单元1

1．教学内容：

✧了解研究流体运动参数连续变化规律的两种方法：

欧拉法，拉格朗日法

✧了解关于流体流动的基本概念：

流场分类，流线及迹线方程

2．本单元的教学方式：

教学方式为讲解为主，并辅助以固体和流体的差异进行对比讲解。

举例在生活中的如流线、烟迹等现象进行说明。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧根据生活中的经验提出欧拉法，拉格朗日法的问题

✧拉格朗日法着眼点及拉格朗日变数

✧欧拉法着眼点及欧拉变数（空间坐标）

✧流场的分类，说明在实际工作中将复杂问题简化的基本思想；介绍关于流动基本概念在实际工作中的应用

✧画图说明流线，并以此推导流线的微分方程

5．本单元的作业布置：

习题3-1,3,4,6

单元2

1．本单元教学内容：

✧一元流动模型；

✧连续性方程；

✧沿流线的伯努利方程连续性方程；

2．本单元的教学方式：

教学方式为讲解及推导为主，并辅助以静止和运动之间的差异进行对比讲解。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧流体微团运动的基本形式，与固体的具体区别

✧举例说明一元流动模型

✧取元流作为研究对象，通过质量守恒推导连续性方程

✧通过热力学第一定律在元流上推导伯努利方程方

5．本单元的作业布置：

习题3-9~11

单元3

1．本单元教学内容：

✧缓变流断面上的压强分布规律；

✧总流的伯努利方程；

✧总流的伯努利方程的使用条件

2．本单元的教学方式：

教学方式为讲解及推导为主，并辅助以有粘和无粘之间的差异进行对比讲解。

着重讲解元流的受力分析以及总流的伯努利方程。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧均匀流与非均匀流，缓变流和急变流；

✧缓变流的特点；

✧缓变流断面上的压强分布规律；

✧总流的伯努利方程；

✧总流的伯努利方程的使用条件

5．本单元的作业及思考题布置：

总流的伯努利方程和总流的伯努利方程的使用条件

单元4

1．本单元教学内容：

✧沿流线的伯努利方程的应用

2．本单元的教学方式：

教学方式为讲解为主，着重讲解伯努利方程的应用的例题

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

特别与能量守恒方程进行对比。

4．本单元的作业布置：

习题3-14,16,17,19

单元5

1．本单元教学内容：

✧系统及控制体，控制面的基本概念

✧动量方程式及其应用

2．本单元的教学方式：

物理现象的解释和通过例题、生活中的自然现象进动量方程式的讲解

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧系统及控制体，控制面的基本概念；

✧动量方程的推导

✧弯管受力

✧射流喷嘴受力

✧习题小结

5．本单元的作业布置：

习题3-20,21,24,26

第四章       流动阻力和能量损失

1．本章的教学目标及基本要求：

本章主要是讨论不可压缩粘性流体在管道中的流动规律，主要内容包括流动状态、速度分布、流量及压差的计算、能量损失的规律及计算等。

通过本章的学习，要求学生能够熟练应用莫迪图查取λ，并结合能量损失计算式、流体运动的基本方程以及伯努利方程等，来分析解决管内流体的运动及水力计算问题。

2．本章各节教学内容及学时分配：

本章分5单元：

计10学时

Ø单元1：

沿程损失和局部损失，流体流动的两种状态，临界雷诺数      2学时

Ø单元2 圆管中的层流流动，湍流的脉动现象及时均化的概念      2学时

Ø单元3：

，圆管中的湍流流动，沿程阻力系数λ的实验研究2学时

Ø单元4：

管道流动的局部损失      2学时

Ø单元5：

应用举例    2学时

3．本章教学内容的重点和难点：

   本章的重点是：

Re数定义式，流态判断；沿程阻力与局部阻力计算式；圆管内层、湍流动的特征；不同Re数下对应的λ计算。

本章的难点是：

λ值的分区；非圆形管道的d值；时均化模型、普朗特混合长假说及对湍流中流动参数和雷诺切应力算式的处理。

4.本章教学内容的深化和拓宽:

通过对不可压缩粘性流体在管道中的流动规律的讨论，并结合连续性方程、能量方程和能量损失等基本公式，掌握不可压缩流体在管路中的阻力计算方法。

5．本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题:

  本章涉及到较多的数学推导，注意时刻提醒学生在推导过程中各个物理量以及各项的物理意义；针对湍流流动的复杂特点，本章还引入时均化模型和普朗特混合长假说来处理其流动参数和雷诺应力式等，提醒学生对上述理论加深理解。

6．本章的主要参考书目:

●周光炯等编.流体力学,第2版.北京：

高等教育出版社，2000

●屠大燕主编.流体力学与流体机械.北京：

中国建筑工业出版社，1999

●刘鹤年编.水力学.北京：

中国建筑工业出版社，1999

●李玉柱苑明顺编.流体力学.北京：

高等教育出版社，1998

●陈卓如主编.工程流体力学.北京：

高等教育出版社，1992

●潘文全.工程流体力学.北京：

清华大学出版社，1988

●汪兴华.工程流体力学习题集.北京：

机械工业出版社，1983

●山东工学院东北电力学院.工程流体力学.北京：

电力工业出版社，1980

●ClaytonT.Crowe,DonaldF.ElgerandJohnA.Roberson.EngineeringFluidMechanics.7thed.NewYork:

JohnWiley&Sons,2001

●VennardJKandRLStreet.ElementaryFluidMechanics.6thed.NewYork:

JohnWiley&Sons,1982

7．本章的思考题和习题:

习题：

4－1、2、4、5、8、11、16。

单元1

1．教学内容：

✧了解流动阻力和水头损失的概念、分类及相应的计算公式

✧了解雷诺实验、流动状态与水头损失的关系

✧流态判别标准—临界雷诺数及其所包含的物理实质

2．本单元的教学方式:

教学方式为讲解为主，并配合示意图、辅助以实验来加深学生对层、湍流流态的理解。

并结合例题来进一步加深学生对上述计算式的应用。

3．本单元师生活动设计:

以提问为主，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计:

✧流动阻力和水头损失的概念、分类及相应的计算公式

✧根据雷诺实验，并结合生活经验来进一步了解层、湍流的区别

✧画图说明流动状态与水头损失间的关系

✧雷诺数的物理实质及作为流态判别的依据

5．本单元的作业布置:

习题4-1,2

单元2

1． 本单元教学内容：

✧推导圆管中层流过流断面上速度分布规律的过程，已及对应的流量公式、平均流速与最大流速公式、动能与动量修正系数值、切应力分布规律等

✧湍流的脉动现象及时均化的概念：

包括时均化模型的提出、时均速度及时均压强的表达式等

✧湍流中的切向应力：

包括分子粘性切应力和附加切应力的概念及公式，及引入普朗特混合长假说推出的附加切应力的数学表达式的常用形式

✧圆管中的湍流结构及“水力光滑管”与“水力粗糙管”概念、及对管内流动的处理方法

2．本单元的教学方式：

教学方式为讲解为主，推导圆管中层流的有关方程，并引用时均化模型及普朗特混合长假说来进一步描述湍流流动。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧推导圆管中层流过流断面上速度分布规律及对应的其它公式

✧湍流的脉动现象及时均化模型、普朗特混合长等概念

✧画图表示脉动现象及湍流速度的时均值

✧画图表示普朗特混合长与脉动速度的关系

✧通过湍流结构分析，引入“水力光滑管”与“水力粗糙管”概念及应用

✧圆管内湍流结构各层的速度分布式及计算湍流沿程损失的基本关系式

5．本单元的作业布置：

加强理解对湍流流动中各运动参数的处理方法。

单元3

1． 本单元教学内容：

✧了解圆管内湍流结构各层的速度分布式

✧掌握计算湍流沿程损失的基本关系式

✧尼古拉兹人工粗糙管实验：

包括实验原理、尼古拉兹实验曲线、及由此划分的五个阻力区域—各区域的雷诺数范围、特点及对应的λ计算公式等

✧会使用莫迪图来查取λ的方法

✧非圆形断面管道的沿程损失计算（包括当量直径和水力半径概念）等

2．本单元的教学方式：

教学方式为讲解及推导为主，并结合所得实验曲线来对比讲解。

着重讲解λ值在不同流态下的特点。

3．本单元师生活动设计：

以提问为主进行师生互动，可邀请同学自愿回答或者点名回答。

须提醒同学注意非圆形断面管道的直径用当量直径代替。

4．本单元的讲课提纲、板书设计：

✧介绍尼古拉兹人工粗糙管实验：

包括所遵循的实验原理和尼古拉兹实验曲线；及五个阻力区域：

包括各区域对应的雷诺数范围、特点和λ的计算公式等

✧进一步说明五个阻力区域所表现出的特点

✧莫迪图的特