1、工程流體力學課程教學大綱一、課程基本信息英文名稱Engineering Fluid Mechanics課程代碼UMEC1001課程性質大類基礎課程授課對象建筑環境與能源應用工程學 分3.5學 時72主講教師修訂日期20210527指定教材蔡增基，龍天渝，流體力學泵與風機第五版，中國建筑工業出版社，2009二、課程性質工程流體力學課程是建筑環境與能源應用工程專業的大類基礎課程，旨在使學生掌握流體力學的基本概念、基本原理、基本實驗方法和實驗技能，為后續專業課的學習提供充分的理論準備，為將來從事科學研究以及專業工作打下必要的理論基礎。三、課程目標（一）總體目標： 通過本課程的學習，學生應理解并掌握流

2、體的基本理論、基本概念、基本方法。本課程主要培養學生掌握流體平衡和運動的基本理論和工程計算方法，并能夠根據所學知識分析和解決相應的工程設計實踐中面臨的流體平衡和流動問題，同時為學生在相關專業的課程設計及畢業設計或相關專業的繼續深造打下基礎。（二）課程目標： 課程目標1：了解和掌握對流體力學中流體物理性質的基本概念。課程目標2：掌握流體靜力學、流體運動學、流體動力學以及相似原理與量綱分析的基本理論和規律。課程目標3：掌握圓管內的粘性流動水頭損失計算，會進行管道設計的水力計算。課程目標4：了解流體力學對工程實際問題的解決方法和思路，能夠根據所學知識分析和解決工程設計實踐中面臨的流體流動的問題。（三

3、）課程目標與畢業要求、課程內容的對應關系本課程支撐專業培養計劃中畢業要求2：觀測點2-1.能運用相關科學原理，識別和判斷建筑環境與能源應用工程專業中的復雜工程問題的關鍵環節。觀測點2-2.能基于相關科學原理和數學模型方法正確表達建筑環境與能源應用工程中的復雜工程問題。觀測點2-4.能運用基本原理，借助文獻研究，分析過程的影響因素，獲得有效結論。課程目標與畢業要求觀測點對應關系：表1：課程目標與課程內容、畢業要求的對應關系表課程目標課程子目標對應課程內容對應畢業要求課程目標11.1：了解和掌握對流體力學中流體物理性質的基本概念導論觀測點2-1課程目標22.1：掌握流體靜力學的基本理論和規律流體靜

4、力學觀測點2-22.2：掌握流體運動學、流體動力學的基本理論和規律一元流體動力學基礎、不可壓縮流體動力學基礎觀測點2-2掌握相似原理與量綱分析的基本理論和規律相似性原理和因次分析觀測點2-2課程目標33.1：掌握圓管內的粘性流動水頭損失計算，會進行管道設計的水力計算流體阻力和能量損失觀測點2-1課程目標44.1：了解流體力學對工程實際問題的解決方法和思路，能夠根據所學知識分析和解決工程設計實踐中面臨的流體流動的問題空口管嘴管路流動、繞流運動觀測點2-4四、教學內容第一章 導論1.教學目標（1）了解流體力學的發展歷史，了解流體力學的研究方法及其應用。（2）掌握流體的主要物理性質和連續介質假設。（

5、3）掌握作用在流體上的力。2.教學重難點（1）理解牛頓內摩擦定律及其適用條件。（2）基于實例，深入理解作用在流體上的力，特別是質量力。3.教學內容第一節 流體力學的任務及發展概況第二節 流體的特征和連續介質假設（1）流體的特征和連續介質假設（2）流體連續介質假定第三節 流體的主要物理性質（1）流體的密度（2）流體的壓縮性和膨脹性（3）流體的粘性和牛頓內摩擦定律（4）流體的表面張力和毛細現象第四節 作用在流體上的力（1）表面力（2）質量力4.教學方法 （1）講授法：相關概念及理論框架。（2）案例：講解典型表面力和質量力。（3）自學：觀看相關教學視頻材料。5.教學評價回答下問題：（1）流體有哪些特

6、性？試述液體和氣體特征的異同。（2）什么是連續介質？在流體力學中為什么要建立連續介質這一理論模型？（3）試敘述流體的密度、相對密度的概念，并說明它們之間的關系。（4）何謂流體的壓縮性和膨脹性？（5）舉例說明怎樣確定流體是可壓縮的或是不可壓縮的。（6）何謂流體的粘性？流體的粘性與流體的宏觀運動是否有關？靜止流體是否有粘性？靜止流體內部是否有粘性切向應力?（7）為什么要提出理想流體這個假設？它與熱力學中的理想氣體有什么區別？（8）什么是表面張力？試對表面張力現象作物理解釋。（9）作用在流體上的力有哪些？在什么情況下有慣性力？在什么情況下有摩擦力？第二章 流體靜力學1.教學目標（1）掌握流體靜壓強及

7、其特性，流體靜壓強的分布規律，壓強的計量基準和度量單位，了解液柱測壓計的工作原理，掌握作用在平面的液體壓力和作用在曲面的液體壓力的特性和計算。（2）掌握流體平衡微分方程式及其推導。（3）掌握平面上的靜水總壓力大小的計算方法及作用點的求解方法。（4）掌握曲面靜水總壓力大小和方向的確定。（5）掌握流體相對平衡時的壓力分布規律。2.教學重難點（1）流體平衡微分方程式。（2）平面上的靜水總壓力及作用點。（3）曲面靜水總壓力。3.教學內容第一節 流體靜壓強及其特性第二節 流體平衡微分方程（1）流體平衡微分方程式（2）流體平衡條件（3）等壓面第三節 重力作用下的流體平衡方程（1）重力作用下的靜力學基本方程

8、（2）壓強的度量第四節 壓強計量基準和液柱測壓計（1）測壓管（2）U形管測壓計（3）U形管差壓計（4）傾斜微壓計第五節 平面上的靜水總壓力（1）總壓力的大小（2）總壓力的作用點第六節 曲面的靜水總壓力（1）總壓力的大小和方向（2）壓力體的概念第七節 液體的相對平衡4.教學方法 （1）講授法：相關概念及理論框架。（2）自學：觀看相關教學視頻材料。5.教學評價回答下問題：（1）流體的靜壓強有哪些特性？（2）流體平衡微分方程是如何建立的？它的物理意義是什么？（3）什么是等壓面？等壓面的特征方程是取何形式？等壓面與單位質量力有什么關系？（4）寫出流體靜力學基本方程的幾種表達式。說明流體靜力學基本方程的

9、物理意義和幾何意義。（5）什么是絕對壓強？表壓？真空度？它們之間有什么關系？（6）什么是壓力體？（7）重力為G的物體在液體中有哪些存在方式？如何確定？第三章 一元流體動力學基礎1.教學目標（1）理解拉格朗日法和歐拉法描述流體運動的本質及其方程式。（2）掌握流體恒定流動和非恒定流動、跡線與流線、流量和平均流速、均勻流和非均勻流的概念。（3）理解流管、流束和總流的概念以及應用原理。（4）掌握微元流束和總流的連續性方程的形式。（5）掌握理想流體微元流束的伯努利方程的推導及應用。（6）掌握總水頭線和測壓管水頭線。（7）掌握定常流動的動量方程的形式。2.教學重難點（1）恒定流動和非恒定流動、跡線與流線、

10、流量和平均流速、均勻流和非均勻流。（2）理想流體微元流束的伯努利方程的推導及應用。（3）恒定流動的動量方程的形式。3.教學內容第一節 描述流體運動的兩種方法第二節 恒定流動和非恒定流動第三節 跡線與流線第四節 一元流動模型第五節 連續性方程第六節 恒定元流能量方程式第七節 過流斷面的壓強分布第八節 恒定總量能量方程式第九節 伯努利方程的應用第十節 總水頭線和測壓管水頭線第十一節 恒定氣流能量方程式第十二節 總壓線和全壓線第十三節 恒定流動量方程4.教學方法 （1）講授法：相關概念及理論框架。（2）自學：觀看相關教學視頻材料。5.教學評價回答下問題：（1）研究流體運動的拉格朗日法和歐拉法的實質是

11、什么？（2）何為流線、跡線、有效截面、定常流動、非定常流動、一維流動、二維流動、三維流動？（3）流線和跡線有什么區別？（4）在什么條件下流場中的流線和跡線重合？（5）伯努利方程各項的物理意義？（6）動量方程能解決什么問題？第四章 流動阻力和能量損失1.教學目標（1）了解沿程阻力和沿程損失。（2）了解紊流脈動現象與時均速度，以及紊流中沿程損失的計算。（3）了解尼古拉茲人工粗糙管的概念，了解尼古拉茲實驗曲線。（4）了解非圓形管道沿程阻力計算的折算辦法。（5）了解局部阻力產生的各種原因及局部損失的計算方法。（6）掌握沿程阻力與沿程損失的含義和計算公式。（7）掌握雷諾實驗的方法和內容，以及雷諾數的物理

12、意義。2.教學重難點（1）沿程損失計算。（2）雷諾數3.教學內容第一節 沿程損失和局部損失（1）流動損失分類（2）局部阻力與局部損失第二節 層流與紊流、雷諾數（1）雷諾實驗與雷諾數（2）層流與紊流（3）能量損失與平均流速的關系第三節 圓管流體的層流運動第四節 紊流運動的特征和紊流阻力第五節 尼古拉茲實驗第六節 工業管道紊流阻力系數計算公式第七節 非圓管的沿程損失第八節 管道流動的局部損失第九節 減小阻力的措施4.教學方法 （1）講授法：相關概念。（2）自學：觀看相關教學視頻材料。5.教學評價回答下問題：（1）如何理解流體的運動狀態？（2）如何理解局部阻力產生的？第五章 孔口管嘴管路流動1.教學

13、目標（1）掌握串聯、并聯管道的概念和計算方法。（2）了解水擊現象的理論描述。2.教學重難點管路的串聯與并聯3.教學內容第一節 孔口自由出流第二節 孔口淹沒出流第三節 管嘴出流第四節 簡單管路第五節 管路的串聯與并聯第六節 管網計算基礎第七節 有壓管中的水擊4.教學方法 （1）講授法：相關概念。（2）自學：觀看相關教學視頻材料。第六章 氣體射流（自學）第七章 不可壓縮動力學基礎1.教學目標（1）掌握線速度、線變形速度、旋轉角速度和剪切變形速度的表達式及其概念。（2）掌握有旋運動和無旋運動的定義及其判定條件。（3）理解應力張量。（4）掌握流體運動的微分方程中的Navier-Stokes方程各項的意

14、義2.教學重難點（1）流體微團運動基本形式。（2）應力張量。（3）Navier-Stokes方程。3.教學內容第一節 流體微團運動的分析（1）表示流體微團運動特征的速度表達式（2）流體微團運動的分解第二節 有旋流動（1）有旋運動和無旋運動的定義（2）速度環量和漩渦強度第三節 不可壓縮流體連續性微分方程第四節 以應力表示的粘性流體運動微分方程式第五節 應力與變形速率的關系第六節 納維-斯托克斯方程第七節 理想流體運動微分方程及其積分第八節 流體流動的初始條件和邊界條件第九節 不可壓縮粘性流體紊流運動的基本方程及封閉條件4.教學方法 （1）講授法：相關概念及理論框架。5.教學評價回答下問題：（1）

15、流體微團運動的基本形式？（2）如何理解應力張量？（3）Navier-Stokes方程中各項的意義？第八章 繞流運動1.教學目標（1）掌握速度勢函數和流函數的概念及計算方法。（2）掌握邊界層的概念及其基本特征。（3）掌握曲面邊界層分離的起因和現象。（4）掌握卡門渦街的成因和現象。（5）了解繞流阻力的概念和計算2.教學重難點（1）速度勢函數。（2）流函數。（3）附面層理論。（4）卡門渦街。3.教學內容第一節 無旋流動第二節 平面無旋流動第三節 幾種簡單的平面無旋流動第四節 勢流疊加第五節 平面無旋流動的有限差分法第六節 繞流運動和附面層基本概念第七節 附面層動量方程第八節 曲面附面層的分離現象和卡

16、門渦街第九節 繞流阻力和升力4.教學方法 （1）講授法：相關概念及理論框架。（2）自學：平板上層流、紊流附面層的近似計算。5.教學評價回答下問題：（1）什么叫邊界層？邊界層有哪些基本特性？（2）求解邊界層動量積分方程，原則上需要補充哪幾個方程？（3）簡述曲面邊界層分離原理。（4）試述卡門渦街的概念和如何防止卡門渦街的危害。第九章 一元氣體動力學基礎（自學）第十章 相似性原理和因次分析1.教學目標（1）掌握流體流動的力學相似性、動力相似準則、流動相似條件。（2）掌握因次分析法。2.教學重難點（1）流體流動的力學相似性、動力相似準則、流動相似條件。（2）因次分析法。3.教學內容第一節 力學相似性原

17、理第二節 相似準則數第三節 模型律 第四節 因次分析法4.教學方法 （1）講授法：相關概念及理論框架。五、學時分配表2：各章節的具體內容和學時分配表章節章節內容學時分配第一章導論4第二章流體靜力學16第三章一元流體動力學基礎16第四章流動阻力和能量損失6第五章孔口管嘴管路流動4第六章氣體射流0第七章不可壓縮流體動力學基礎8第八章繞流運動6第九章一元氣體動力學基礎0第十章相似性原理和因次分析4六、教學進度表3：教學進度表周次日期章節名稱內容提要授課時數作業及要求備注1第一章導論4完成教學評價問題2-5第二章流體靜力學16完成教學評價問題6-9第三章一元流體動力學基礎16完成教學評價問題10-11

18、第四章流動阻力和能量損失6完成教學評價問題12第五章孔口管嘴管路流動4完成教學評價問題13-14第七章不可壓縮流體動力學基礎8完成教學評價問題15-16第八章繞流運動6完成教學評價問題17第十章相似性原理和因次分析4七、本課程開設的實驗項目表4：課程考開設實驗項目表編號實驗項目名稱學時類型要求備注1流體靜力學綜合型實驗1綜合性必做2恒定總流伯努利方程綜合性實驗2綜合性必做3雷諾實驗1設計性必做4動量定律綜合型實驗2綜合性必做5局部水頭損失實驗1設計性必做6畢托管測速與修正因數標定實驗1設計性必做注：1.類型指驗證性、綜合性、設計性等。2.要求指必做、選做。實驗項目1：流體靜力學綜合型實驗1.教

19、學內容定性分析實驗：測壓管和連通管判定；測壓管高度、壓強水頭、位置水頭、測壓管水頭判定；判別等壓面；觀察真空現象。定量分析實驗：測點靜壓強測量；油的密度測定拓展實驗。2.教學目標（1）了解水靜壓儀裝置的基本組成。（2）熟悉靜力學實驗原理，了解操作步驟，可以獨立完成整個實驗。（3）掌握用測壓管測量流體靜壓的方法，驗證不可壓縮流靜力學基本方程；測定油的密度；通過對流體靜力學實驗觀察分析，加深流體靜力學基本概念，提高解決靜力學實際問題的能力。實驗項目2：恒定總流伯努利方程綜合性實驗1.教學內容驗證伯努利方程，在實驗管路中沿水流方向取n個過水斷面，測出通過管路的總流量，計算斷面平均流速，從而得到各過水

20、斷面的測壓管水頭和總水頭。2.教學目標（1）了解實驗裝置組成。（2）熟悉伯努利方程驗證實驗的原理和操作步驟。（3）掌握流速、流量和壓強等水力要素的實驗測量技能。掌握測壓管水頭和總水頭線的方法。實驗項目3：雷諾實驗1.教學內容定性觀察兩種流體：水流穩定后，打開顏色水管閥門，隨著流量的不斷增加，顏色水流由直線狀變成混摻，直至消失。表明流體質點發生無序的雜亂運動。定量測量：測定下臨界雷諾數，先調至湍流，逐步關小閥門，直到顏色水形成直線；測定上臨界雷諾數，先調至層流，逐步開大閥門，直到顏色水混摻；分析設計實驗，分析任何界面形狀的臨界流速與動力粘度、水力半徑的關系。2.教學目標（1）了解雷諾實驗裝置，觀

21、察層流、湍流的流態及其轉換過程。（2）熟悉實驗步驟，測定臨界雷諾數，掌握圓管流態判別準則。（3）掌握應用量綱分析進行實驗研究的方法，確定非圓管流態判別準則數。實驗項目4：動量定律綜合型實驗1.教學內容定性分析實驗：觀察、分析本實驗裝置測力機構的結構創新點；測定本實驗裝置的靈敏度；定量分析實驗：恒定總流動量方程驗證與射流動量修正因數測定實驗。 2.教學目標（1）了解實驗裝置，通過定性分析實驗，加深動量與流速、流量、出射角度、動量矩等因素間相關關系的了解。（2）熟悉實驗原理，可以獨立操作實驗。（3）通過定量測量實驗，進一步掌握流體動力學的動量守恒定理，驗證不可壓縮流體恒定總流的能量方程，測定管嘴射

22、流的動量修正因數；實驗項目5：局部水頭損失實驗1.教學內容測定管道各種邊界變化時的局部水頭損失系數；觀察管徑突然擴大時以及其他各種邊界變化時的測壓管水頭線變化情況。2.教學目標（1）了解整個實驗裝置（2）熟悉實驗原理，掌握實驗操作方法保證實驗結果有效性。（3）掌握三點法、四點法測量局部阻力因數的能力，并將閥門局部阻力因數測量的設計性實驗，學習二點法測量局部阻力因數的方法。實驗項目6：畢托管測速與修正因數標定實驗1.教學內容定性分析實驗：觀察管嘴淹沒射流過流斷面流速分布情況，豎向移動畢托管，觀察3、4測壓管水頭差值。定量分析實驗：畢托管測點流速實驗；畢托管因數c標定實驗。2.教學目標（1）了解畢

23、托管的構造和適用條件。（2）熟悉畢托管測速的原理，掌握實驗操作步驟。（3）掌握用畢托管測量點流速的方法，分析管嘴淹沒射流的流速分布及流速系數的變化規律。八、教材及參考書目1教材蔡增基, 龍天渝. 流體力學泵與風機第五版, 中國建筑工業出版社, 2009.2參考書1 MasseyRs. Mechanics of Fluid.5th Edition. New York: Van Nostrand Reinhold (UK) Co. Ltd.,1983.2 莫乃榮. 工程流體力學. 武漢: 華中科技大學出版社, 2000.3 黃衛星. 工程流體力學. 北京: 化學工業出版社. 2001.3電子資源中

24、國大學慕課：王國玉，工程流體力學。九、教學方法（講授法、討論法、案例教學法等，按規范方式列舉，并進行簡要說明）本課程部分教學采用翻轉課堂模式進行。要求學生在課前觀看微課，并完成相應的教學預習和問題思考。課堂教學以教師講授、師生研討為主要的教學活動。1. 講授法：如何圍繞課程的重點內容，如“流體平衡微分方程”、“靜止流體平面總壓力”、“伯努利方程”、“動量方程”、“納維斯托克斯方程”等進行講解。2體驗教學：在教學過程中采用相應教學平臺和課堂互動軟件（雨課堂平臺），并引導主動下載學習類APP，幫助學生體驗技術支持下教與學的方式。3.實驗法：通過實驗教學，培養學生的流體力學實驗能力，掌握靜態流動參數

25、測試方法，更好地掌握基本的觀測方法、儀器使用和數據處理方法，培養學生實驗研究的興趣和動手能力。 十、考核方式及評定方法（一）課程考核與課程目標的對應關系表5：課程考核與課程目標的對應關系表課程目標考核要點考核方式課程目標1流體力學中流體物理性質的基本概念平時互動、實驗、期末考試課程目標2流體靜力學、流體運動學、流體動力學以及相似原理與量綱分析的基本理論平時互動、作業、實驗、期末考試課程目標3圓管內的粘性流動水頭損失計算平時互動、作業、實驗、期末考試課程目標4流體力學對工程實際問題的解決方法和思路平時互動、實驗、期末考試（二）評定方法1評定方法平時成績：20%（出勤+平時互動）實驗環節：10%（實驗報告）期中考試：20%（理論考試）期末考試：50%（理論考試）2課程目標的考核占比與達成度分析表6：課程目標的考核占比與達成度分析表 考核占比課程目標平時實踐期中期末總評達成度課程目標120%10%20%20%課程分目標達成度=0.2平時分目