郑州大学：能源与动力工程专业《流体力学》课程教学大纲（2020版）.pdf_大学文库

《流体力学》课程教学大纲课程编号：012147 课程名称（中/英文）：流体力学/Fluid Mechanics 课程类型：专业大类总学时：48 讲课学时：46 讨论课学时：2 学分：3 适用对象：热能与动力工程专业、过程装备与控制工程专业等先修课程：高等数学、大学物理、材料力学等后续课程：传热学、锅炉原理、汽轮机原理、制冷工程原理等开课单位：机械与动力工程学院一、课程性质和教学目标《流体力学》是四年制过程设备与控制工程、热能与动力工程本科专业的一门主干课程本课程是研究流体受力及其宏观运动规律的一门科学，是介于基础科学和工程技术之间的门理论基础课和必修课。《流体力学》以流体作为研究对象，以高等数学中的连续函数理论作为数学工具，采用实验分析与理论研究相结合的方法，探讨流体处于平衡或运动状态时的规律，流体力学还特别注重这些规律在工程实际问题中的应用，使学生能运用流体力学知识分析过程装备系统复杂工程问题。本课程拟达到的教学目标 (1)通过流体静力学、流体运动学和流体动力学的学习，掌握在外力作用下流体平衡的条件及压强分布规律、在给定条件下流体运动的特征和规律、在外力作用下流体的运动规律以及流体与固体间的相互作用： (2)通过建立流体流动的基本方程，掌握流体在管道及过程设备中的流动规律，从而进行流动与能量转换的计算： (3)通过相似原理与量纲分析的学习，了解流体力学实验研究的方法： (4)具有用流体力学的基本原理和方法，分析解决过程装备系统复杂工程问题。本课程的教学目标与毕业要求的对应关系为：课程教学目标 1234 毕业要求 1-3掌握工程热物理、热能工程、制冷及低温工程、工业节能技术与先进装备领域中的专业基础知识，能针对复杂能源与动力工程问题进行分析与设计，揭示能源动力系统的工作原理，确定关健因寿 2-1能够识别和判新影响工程热物理、热能工程、制冷及低温工程、工业节能技术与先进装备领域/系统中复杂工程问题的关健环节和参数 2-2能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理和方法，正确表达复杂能源与动力工程问题的解决方案

《流体力学》课程教学大纲课程编号：012147 课程名称（中／英文）：流体力学/ Fluid Mechanics 课程类型：专业大类总学时：48 讲课学时：46 讨论课学时：2 学分：3 适用对象：热能与动力工程专业、过程装备与控制工程专业等先修课程：高等数学、大学物理、材料力学等后续课程：传热学、锅炉原理、汽轮机原理、制冷工程原理等开课单位：机械与动力工程学院一、课程性质和教学目标《流体力学》是四年制过程设备与控制工程、热能与动力工程本科专业的一门主干课程。本课程是研究流体受力及其宏观运动规律的一门科学，是介于基础科学和工程技术之间的一门理论基础课和必修课。《流体力学》以流体作为研究对象，以高等数学中的连续函数理论作为数学工具，采用实验分析与理论研究相结合的方法，探讨流体处于平衡或运动状态时的规律，流体力学还特别注重这些规律在工程实际问题中的应用，使学生能运用流体力学知识分析过程装备系统复杂工程问题。本课程拟达到的教学目标（1）通过流体静力学、流体运动学和流体动力学的学习，掌握在外力作用下流体平衡的条件及压强分布规律、在给定条件下流体运动的特征和规律、在外力作用下流体的运动规律以及流体与固体间的相互作用；（2）通过建立流体流动的基本方程，掌握流体在管道及过程设备中的流动规律，从而进行流动与能量转换的计算；（3）通过相似原理与量纲分析的学习，了解流体力学实验研究的方法；（4）具有用流体力学的基本原理和方法，分析解决过程装备系统复杂工程问题。本课程的教学目标与毕业要求的对应关系为：课程教学目标毕业要求 1 2 3 4 1-3 掌握工程热物理、热能工程、制冷及低温工程、工业节能技术与先进装备领域中的专业基础知识，能针对复杂能源与动力工程问题进行分析与设计，揭示能源动力系统的工作原理，确定关键因素 √ √ √ 2-1 能够识别和判断影响工程热物理、热能工程、制冷及低温工程、工业节能技术与先进装备领域/系统中复杂工程问题的关键环节和参数 √ √ √ √ 2-2 能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理和方法，正确表达复杂能源与动力工程问题的解决方案 √ √

二、教学的基本要求本课程主要介绍流体静力学、流体运动学和流体动力学中的流体运动特征和产生机理。通过讲授流体静力学、流体运动学和流体动力学的基本理论和分析方法，旨在让学生了解流体力学中的基本概念、流体的流动现象和产生流动的原因，理解流体运动所遵循的质量、动量和能量守恒方程，掌握在外力作用下流体平衡的条件及压强分布规律、在外力作用下流体的运动规律和所受外力的关系。掌握流体在管道及过程设备中的流动规律和计算方法，掌握理想流体和粘性流体的流动特征和规律，能运用所学理论知识分析产生流体运动现象的机理，能够运用所学流体力学知识解决工程上的实际问题三、课堂教学内容及要求第一章绪论介绍流体力学课程的研究内容和研究方法等要求： (1)了解流体力学的发展史。 (2)了解流体力学的研究内容、研究方法以及在工程和教学中的重要地位。第二章流体及其物理性质介绍流体的定义和特征、连续介质模型、流体的各种性质以及作用在流体上的力的特征，详细讲解流体的粘性成因、牛顿内摩擦定律，并简单介绍流体的表面张力和毛细现象。要求： (1) 掌握流体的定义和特征、连续介质模型以及流体连续介质假定的必要性和合理性。 (2) 掌握作用在流体上的表面力、质量力的定义及种类、表示方法。 (3) 掌握流体的密度及压缩性。 4) 掌握不同流体粘性的成因、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。 (5)了解表面张力和毛细现象的成因。第三章流体静力学本章以流体平衡微分方程为基础，介绍流体在静止状态下的压强分布规律和流体的平衡条件，重点介绍流体在等加速直线运动、等角速度旋转运动时的压强分布规律和等压面方程以及静止流体作用在平、曲壁面上的总压力大小的计算方法和总压力的作用点的求解方法。要求 (1)掌握流体静压强及其特性，流体静压强分布规律：掌握压强的表示方法、计量基准、度量单位：掌握液柱测压计的工作原理。 (2)掌握流体平衡微分方程式及其推导，压强差公式及其意义：掌握流体等压面的概念和方程表示：掌握流体的平衡条件

二、教学的基本要求本课程主要介绍流体静力学、流体运动学和流体动力学中的流体运动特征和产生机理。通过讲授流体静力学、流体运动学和流体动力学的基本理论和分析方法，旨在让学生了解流体力学中的基本概念、流体的流动现象和产生流动的原因，理解流体运动所遵循的质量、动量和能量守恒方程，掌握在外力作用下流体平衡的条件及压强分布规律、在外力作用下流体的运动规律和所受外力的关系。掌握流体在管道及过程设备中的流动规律和计算方法，掌握理想流体和粘性流体的流动特征和规律，能运用所学理论知识分析产生流体运动现象的机理，能够运用所学流体力学知识解决工程上的实际问题。三、课堂教学内容及要求第一章绪论介绍流体力学课程的研究内容和研究方法等。要求：（1）了解流体力学的发展史。（2）了解流体力学的研究内容、研究方法以及在工程和教学中的重要地位。第二章流体及其物理性质介绍流体的定义和特征、连续介质模型、流体的各种性质以及作用在流体上的力的特征，详细讲解流体的粘性成因、牛顿内摩擦定律，并简单介绍流体的表面张力和毛细现象。要求：（1）掌握流体的定义和特征、连续介质模型以及流体连续介质假定的必要性和合理性。（2）掌握作用在流体上的表面力、质量力的定义及种类、表示方法。（3）掌握流体的密度及压缩性。（4）掌握不同流体粘性的成因、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。（5）了解表面张力和毛细现象的成因。第三章流体静力学本章以流体平衡微分方程为基础，介绍流体在静止状态下的压强分布规律和流体的平衡条件，重点介绍流体在等加速直线运动、等角速度旋转运动时的压强分布规律和等压面方程以及静止流体作用在平、曲壁面上的总压力大小的计算方法和总压力的作用点的求解方法。要求：（1）掌握流体静压强及其特性，流体静压强分布规律；掌握压强的表示方法、计量基准、度量单位；掌握液柱测压计的工作原理。（2）掌握流体平衡微分方程式及其推导，压强差公式及其意义；掌握流体等压面的概念和方程表示；掌握流体的平衡条件

3) 掌握重力作用下的静力学基本方程及其物理意义和几何意义：掌握水头的概念及意义：了解标准大气的压强分布。 (4)掌握流体在等加速直线运动、等角速度旋转运动时的相对平衡，包括压强分布规律和等压面方程： (5)掌握静止流体作用在平壁面上的总压力及其作用点的计算方法。 (6)掌握静止流体作用在曲面上的总压力及其作用点的求解方法：掌握压力体的概念和计算方法。 (7)掌握浮力的计算原理、浮体的平衡条件以及潜体的受力计算第四章流体运动学和流体动力学基础介绍流体运动中的一些重要概念及其表述方法，重点介绍流体流动中所遵循的连续性方程、动量方程和能量方程的导出过程和工程应用。要求： (1) 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。 (2) 理解流动分类的概念和方法。 (3) 掌握流线和迹线的概念及其区别，掌握流线方程和迹线方程的确定。 (4) 了解流管流束的概念：掌握流量及平均流速的定义和计算方法：掌握当量直径的概念和计算方法。 (5) 了解系统、控制体的概念，输运公式的导出和意义。 (6) 掌握积分形式连续方程的导出和应用。 (7)掌握直角坐标系中动量方程的导出和应用：掌握定常管流的动量方程：了解旋转坐标系中动量方程的导出和应用：了解动量修正系数的概念：了解动量矩方程的导出和应用：了解叶轮机械基本方程式。 (8) 了解能量方程的导出。 (9)掌握伯努利方程的导出、意义和应用：掌握沿管流方向水头的变化趋势：了解皮托管测量流速及文丘里管测量流量的原理 (10) 了解流体沿流线主法线方向速度和压强的变化规律。 (11)掌握粘性流体总流的伯努利方程、意义及其应用：了解动能修正系数的概念。第五章相似原理和量纲分析主要介绍流动相似的概念、充要条件，以及模型试验的原理，重点介绍流动相似准则和量纲分析方法。要求： (1)掌握几何相似、运动相似、动力相似的定义，相似比例尺的概念和计算。 (2) 掌握流动相似准则及相似准则数的定义、意义和计算。 (3) 掌握流动相似的充要条件。 (4) 了解近似模型实验的概今及意义

（3）掌握重力作用下的静力学基本方程及其物理意义和几何意义；掌握水头的概念及意义；了解标准大气的压强分布。（4）掌握流体在等加速直线运动、等角速度旋转运动时的相对平衡，包括压强分布规律和等压面方程。（5）掌握静止流体作用在平壁面上的总压力及其作用点的计算方法。（6）掌握静止流体作用在曲面上的总压力及其作用点的求解方法；掌握压力体的概念和计算方法。（7）掌握浮力的计算原理、浮体的平衡条件以及潜体的受力计算。第四章流体运动学和流体动力学基础介绍流体运动中的一些重要概念及其表述方法，重点介绍流体流动中所遵循的连续性方程、动量方程和能量方程的导出过程和工程应用。要求：（1）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。（2）理解流动分类的概念和方法。（3）掌握流线和迹线的概念及其区别，掌握流线方程和迹线方程的确定。（4）了解流管流束的概念；掌握流量及平均流速的定义和计算方法；掌握当量直径的概念和计算方法。（5）了解系统、控制体的概念，输运公式的导出和意义。（6）掌握积分形式连续方程的导出和应用。（7）掌握直角坐标系中动量方程的导出和应用；掌握定常管流的动量方程；了解旋转坐标系中动量方程的导出和应用；了解动量修正系数的概念；了解动量矩方程的导出和应用；了解叶轮机械基本方程式。（8）了解能量方程的导出。（9）掌握伯努利方程的导出、意义和应用；掌握沿管流方向水头的变化趋势；了解皮托管测量流速及文丘里管测量流量的原理。（10）了解流体沿流线主法线方向速度和压强的变化规律。（11）掌握粘性流体总流的伯努利方程、意义及其应用；了解动能修正系数的概念。第五章相似原理和量纲分析主要介绍流动相似的概念、充要条件，以及模型试验的原理，重点介绍流动相似准则和量纲分析方法。要求：（1）掌握几何相似、运动相似、动力相似的定义，相似比例尺的概念和计算。（2）掌握流动相似准则及相似准则数的定义、意义和计算。（3）掌握流动相似的充要条件。（4）了解近似模型实验的概念及意义

(5) 掌握量纲的概念、量纲一致性原则以及掌握量纲分析方法：瑞利法和π定理第六章管内流动和水力计算液体出流主要介绍粘性流体管内流动能量损失的产生原因，雷诺实验和流体流动类型的划分，重点介绍层流、素流流动中速度和切应力的分布特点以及沿程损失等参数的计算方法，尼古拉兹试验和查穆迪图进行沿程损失的计算方法，以及局部损失和管道阻力的计算方法。要求： (1)掌握管内粘性流体流动能量损失的构成、产生的原因及计算。 (2) 了解雷诺实验：掌握管内流体流动的两种状态及临界雷诺数。 (3) 了解管道讲口段中粘性流体的流动。 (4) 掌握由牛顿内摩擦定律推导出的数学模型及其意义：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。 (5)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、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：了解紊流中沿程损失的计算。 (6)了解尼古拉兹人工粗糙管的概念，了解尼古拉兹实验曲线：掌握莫油图的结构和概念：正确利用莫迪图进行管道沿程阻力损失计算。 (7) 掌握非圆形管道沿程阻力计算的折算办法。 (8) 了解局部阻力产生的各种原因，掌握局部阻力损失的计算方法 (9)了解各种管道的分类方法：了解管道水力计算的主要任务内容和方法：了解串联管道的概念和计算方法：了解并联管道的概念和计算方法。 (10)了解集流器测风装置、虹吸管工作原理及计算。第七章理想流体的有旋流动和无旋流动主要介绍理想流体的连续性方程、运动微分方程和能量方程的导出过程以及流体微团运动的分类、有旋运动和无旋运动的判定条件。介绍了二维涡流的速度和压强的分布特征以及流函数与势函数的性质以及与速度分量的关系。要求： (1)了解微分形式连续方程的导出。 (2)掌握线速度、线变形速度、旋转角速度和剪切变形速度的表达式及其概念：掌握平移运动、线变形运动、角变形运动和旋转运动的表达式：掌握流体微团运动分解定理：掌握无旋流动和有旋流动的定义及其判定条件。 (3)了解理想流体运动微分方程的导出。 (4) 了解理想流体运动微分方程的起始条件和边界条件 (5) 了解欧拉积分和伯努利积分

（5）掌握量纲的概念、量纲一致性原则以及掌握量纲分析方法：瑞利法和 π 定理。第六章管内流动和水力计算液体出流主要介绍粘性流体管内流动能量损失的产生原因，雷诺实验和流体流动类型的划分，重点介绍层流、紊流流动中速度和切应力的分布特点以及沿程损失等参数的计算方法，尼古拉兹试验和查穆迪图进行沿程损失的计算方法，以及局部损失和管道阻力的计算方法。要求：（1）掌握管内粘性流体流动能量损失的构成、产生的原因及计算。（2）了解雷诺实验；掌握管内流体流动的两种状态及临界雷诺数。（3）了解管道进口段中粘性流体的流动。（4）掌握由牛顿内摩擦定律推导出的数学模型及其意义；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。（5）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、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；了解紊流中沿程损失的计算。（6）了解尼古拉兹人工粗糙管的概念，了解尼古拉兹实验曲线；掌握莫迪图的结构和概念；正确利用莫迪图进行管道沿程阻力损失计算。（7）掌握非圆形管道沿程阻力计算的折算办法。（8）了解局部阻力产生的各种原因，掌握局部阻力损失的计算方法。（9）了解各种管道的分类方法；了解管道水力计算的主要任务内容和方法；了解串联管道的概念和计算方法；了解并联管道的概念和计算方法。（10）了解集流器测风装置、虹吸管工作原理及计算。第七章理想流体的有旋流动和无旋流动主要介绍理想流体的连续性方程、运动微分方程和能量方程的导出过程以及流体微团运动的分类、有旋运动和无旋运动的判定条件。介绍了二维涡流的速度和压强的分布特征以及流函数与势函数的性质以及与速度分量的关系。要求：（1）了解微分形式连续方程的导出。（2）掌握线速度、线变形速度、旋转角速度和剪切变形速度的表达式及其概念；掌握平移运动、线变形运动、角变形运动和旋转运动的表达式；掌握流体微团运动分解定理；掌握无旋流动和有旋流动的定义及其判定条件。（3）了解理想流体运动微分方程的导出。（4）了解理想流体运动微分方程的起始条件和边界条件。（5）了解欧拉积分和伯努利积分

(6 了解涡线、涡管、涡束涡通量的定义和特征：了解涡通量的计算。 (7) 了解速度环量定义和计算：了解斯托克斯定理。 (8) 了解汤姆孙定理和亥姆霍兹定理。 (9) 了解二维涡流的速度与压强分布规律。 (10)堂挥势函数存在的条件、势函数与速度分量的关系、热函数的性质：堂挥流函数存在的条件、流函数与速度分量的关系、流函数的性质：掌握势函数与流函数、等势线与流线的关系。第八章黏性流体绕过流体的流动介绍了粘性流体运动微分方程的导出过程以及其在平行平板间的层流流动的简化分析方法，重点介绍了边界层的形成原因、特征和分类，以及利用边界层特征进行平板层流边界层微分方程和紊流边界层微分方程的近似计算方法，介绍了卡门涡街的特征、产生原因以及物体阻力的分类和减阻方法。要求： (1) 了解粘性流体的运动微分方程的导出。 (2) 了解利用粘性流体运动微分方程求解不可压缩粘性流体层流流动（平行平板间流体的定常层流流动、流体动力润滑、环形管道中流体的层流流动、粘性流体绕过圆球小雷诺数的层流流动)的方法。 (3) 掌握边界层概念的形成及其意义、边界层的特征、边界层的分类。 (4) 了解平板层流边界层微分方程的导出。 (5) 了解层流边界层动量积分关系式的导出。 (6) 了解边界层位移厚度、动量损失厚度的定义及数学表达式。 (7) 了解平板边界层（层流边界层、素流边界层、混合边界层）的近似计算。 (8) 了解边界层分离现象、分离条件：了解卡门涡街的形成及其对过程设备的影响。 (9) 了解物体阻力的分类、产生的原因、阻力的大小及减阻方法。四、课堂教学学时分配及对应教学目标序号教学内容学时教学方式对应教学目标 1绪论课程的任务、性质、目标、学习方法及讲授 1,2,3,4 课程考核方法。 2流体及其物理性质 3 讲授 1,2,3,4 3流体静力学 8 44流体运动学和流体动力学基础 8 讲授 2 5 5相似原理和量纲分析 4 讲授 3 6管内流动和水力计算液休出流进授 7理想流体的有旋流动和无旋流动 8 8黏性流体绕过流体的流动 8 4 10 机动学时 2 讨论

（6）了解涡线、涡管、涡束涡通量的定义和特征；了解涡通量的计算。（7）了解速度环量定义和计算；了解斯托克斯定理。（8）了解汤姆孙定理和亥姆霍兹定理。（9）了解二维涡流的速度与压强分布规律。（10）掌握势函数存在的条件、势函数与速度分量的关系、势函数的性质；掌握流函数存在的条件、流函数与速度分量的关系、流函数的性质；掌握势函数与流函数、等势线与流线的关系。第八章黏性流体绕过流体的流动介绍了粘性流体运动微分方程的导出过程以及其在平行平板间的层流流动的简化分析方法，重点介绍了边界层的形成原因、特征和分类，以及利用边界层特征进行平板层流边界层微分方程和紊流边界层微分方程的近似计算方法，介绍了卡门涡街的特征、产生原因以及物体阻力的分类和减阻方法。要求：（1）了解粘性流体的运动微分方程的导出。（2）了解利用粘性流体运动微分方程求解不可压缩粘性流体层流流动（平行平板间流体的定常层流流动、流体动力润滑、环形管道中流体的层流流动、粘性流体绕过圆球小雷诺数的层流流动）的方法。（3）掌握边界层概念的形成及其意义、边界层的特征、边界层的分类。（4）了解平板层流边界层微分方程的导出。（5）了解层流边界层动量积分关系式的导出。（6）了解边界层位移厚度、动量损失厚度的定义及数学表达式。（7）了解平板边界层（层流边界层、紊流边界层、混合边界层）的近似计算。（8）了解边界层分离现象、分离条件；了解卡门涡街的形成及其对过程设备的影响。（9）了解物体阻力的分类、产生的原因、阻力的大小及减阻方法。四、课堂教学学时分配及对应教学目标序号教学内容学时教学方式对应教学目标 1 1 绪论课程的任务、性质、目标、学习方法及课程考核方法。 1 讲授 1，2，3，4 2 2 流体及其物理性质 3 讲授 1，2，3，4 3 3 流体静力学 8 讲授 1 4 4 流体运动学和流体动力学基础 8 讲授 2 5 5 相似原理和量纲分析 4 讲授 3 6 6 管内流动和水力计算液体出流 8 讲授 4 7 7 理想流体的有旋流动和无旋流动 6 讲授 1 8 8 黏性流体绕过流体的流动 8 讲授 4 10 机动学时 2 讨论