流体力学(FluidMechanics)课程基本信息课程编号：02021605课程总学时：64实验学时：24学时课程性质：必修课程属性：基础类开设学期：第4学期课程负责人：杨建涛课程团队：杨建涛范宇杰授课语言：中文适用专业：环境工程对先修的要求：高等数学、农科大学物理、工程力学对后续的支撑：水泵与泵站、管道工程、水污染控制工程、大气污染控制工程主撰人：杨建涛审核人：张发文大纲制定（修订）日期：2023.06一、课程的教学理念、性质、目标和任务流体力学是一门技术基础学科，是环境工程专业的专业基础课，它为泵与泵站、管道工程、水污染控制工程和大气污染控制工程等后续课程提供重要的基本方法。通过本课程的学习，应该掌握水静力学的基本分析方法，流体动力学相关理论与应用，能够应用本课程学习的理论与方法解决后续专业课流体相关的问题的解决。本课程主要教学方法为理论与实验相结合，用实验的方法验证理论知识。在教学中突出中国古代注著名水利工程以及近现代著名空气动力学等专家知识介绍，培养学生们民族自豪感以及爱国主义教育。二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑支撑毕业要求指序号课程目标毕业要求标点理解流体的主要物理和力学性质，以及流体物理力学模型的概念：掌握流体静止时的压强分布规律和压强计算，测压原理，能够对受压平面和曲面进行总压力的计算：熟练掌握一元流动的基本概念和基本方程式，能够运用连续方程、能量方程和动量方程进行流动的分析和计算：使学生具备初步的分析和计算环境工程中所涉及到的环境流体力学问题能力，具有一定的环111境流体力学实验设计观测技能。同时通过对流体力学基本理论发展史的了解，培养勇于科学探索的精神，并结合流体力学知识介绍与工农业生产的关系、重大涉水工程建设中的成果等案例，激发学生的民族自豪感，增强学生保护水环境和大气环境的意识，培养学生具备探索自然科学规律及其与人类活动关系的能力。目标2：掌握流体运动的层流、紊流流态判别方法、阻力基本规律及确定方法：理解边界层的概念：掌握孔口、管嘴出流和有压管路水力计算：理解河明渠动的基本概念，掌握明渠均匀流222水力计算：理解一维气体动力学基本概念、理想气体基本方程及三种特解：使学生初步具备分析和计算环境工程中所涉及到的环境流体力学问题能力，具有一定的污水处理装置中的环境29
29 流体力学 （FluidMechanics） 课程基本信息 课程编号：02021605 课程总学时：64 实验学时：24 学时 课程性质：必修 课程属性:基础类 开设学期：第 4 学期 课程负责人：杨建涛 课程团队：杨建涛 范宇杰 授课语言：中文 适用专业：环境工程 对先修的要求：高等数学、农科大学物理、工程力学 对后续的支撑：水泵与泵站、管道工程、水污染控制工程、大气污染控制工程 主撰人：杨建涛 审核人：张发文 大纲制定（修订）日期：2023.06 一、课程的教学理念、性质、目标和任务 流体力学是一门技术基础学科，是环境工程专业的专业基础课，它为泵与泵站、管道工程、 水污染控制工程和大气污染控制工程等后续课程提供重要的基本方法。通过本课程的学习，应该 掌握水静力学的基本分析方法，流体动力学相关理论与应用，能够应用本课程学习的理论与方法 解决后续专业课流体相关的问题的解决。本课程主要教学方法为理论与实验相结合，用实验的方 法验证理论知识。在教学中突出中国古代注著名水利工程以及近现代著名空气动力学等专家知识 介绍，培养学生们民族自豪感以及爱国主义教育。 二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑 序号 课程目标 支撑毕业要求指 标点 毕业要求 1 理解流体的主要物理和力学性质，以及流体物理力学模型的概 念；掌握流体静止时的压强分布规律和压强计算，测压原理， 能够对受压平面和曲面进行总压力的计算；熟练掌握一元流动 的基本概念和基本方程式，能够运用连续方程、能量方程和动 量方程进行流动的分析和计算；使学生具备初步的分析和计算 环境工程中所涉及到的环境流体力学问题能力，具有一定的环 境流体力学实验设计观测技能。同时通过对流体力学基本理论 发展史的了解，培养勇于科学探索的精神，并结合流体力学知 识介绍与工农业生产的关系、重大涉水工程建设中的成果等案 例，激发学生的民族自豪感，增强学生保护水环境和大气环境 的意识，培养学生具备探索自然科学规律及其与人类活动关系 的能力。 1 1 2 目标 2：掌握流体运动的层流、紊流流态判别方法、阻力基本规 律及确定方法；理解边界层的概念；掌握孔口、管嘴出流和有 压管路水力计算；理解河明渠动的基本概念，掌握明渠均匀流 水力计算；理解一维气体动力学基本概念、理想气体基本方程 及三种特解；使学生初步具备分析和计算环境工程中所涉及到 的环境流体力学问题能力，具有一定的污水处理装置中的环境 2 2
流体力学设计计算、实验观测技能。通过对上述容的学习，介绍水资源开发利用、城市建设、大型污水处理工程建设对环境保护影响的案例，增强学生的工程意识，培养学生可持续发展的理念，激发学生的爱国主义情操目标3：能够独立阅读和分析流体力学实验指导书，具备科学地借助实验指导书、有关仪器说明书及视频课程，做好实验前准备的能力：能够自主查阅文献了解流体力学知识和课外拓展，能够熟悉课程所涉及到的常见设备：能够掌握实验原理、实验目的和实验装置；能够掌握流体力学实验的操作方法，按照操作规范和操作步骤开展实验：能够独立描述实验过程及实验原理：能够对课堂问答积极反馈并回答正确：能够对实验过程和3实验操作进行分析和拓展：能够解决实验过程中遇到的一般性44问题；实验报告完整，实验目的、实验原理及实验装置正确：实验记录、实验数据处理正确，图表正确合理：实验分析和实验拓展总结正确。能够独立开展实验操作，具备排除实验中的一般性故障的能力，能够分析实验中出现的现象和原因：能够对水力学中的静力学、动力学中的知识融会贯通，并能够开展实验分析，进行创新实验和设计，建立系统的知识体系：能够使学生具备高阶思维能力，使学生具备一定的工程素养。三、教学内容及进度安排支撑学生学习课内序号教学内容教学方式学时预期成果课程目标认知：流体力学的定义，研究对象，流体特点，流体质点和连续介质概念：流体质量与密度的定绪论义、量纲和单位；流体的主要物理和力学性质，流体重量与重度的定体物理力学模型的概念。义、量纲和单位；重点：理解：流体粘滞性与1.流体的物理性质、流体中的1、提供实例图片：粘滞系数的概念、产12各种力的性质2、引用日常生活例子1生原因、大小：动力2.流体力学常用基本模型启发学生。粘滞系数和运动粘难点：滞系数；剪切变形速1.质量力和表面力分类度：牛顿流体与非牛2.连续介质假说中，流体微团顿流体：压缩性与压的微观和宏观解释。缩系数：表面张力特性和大小分析：面积力与压应力和切应力：质量力与单位质量力30
30 流体力学设计计算、实验观测技能。通过对上述容的学习，介 绍水资源开发利用、城市建设、大型污水处理工程建设对环境 保护影响的案例，增强学生的工程意识，培养学生可持续发展 的理念，激发学生的爱国主义情操。 3 目标 3：能够独立阅读和分析流体力学实验指导书，具备科学地 借助实验指导书、有关仪器说明书及视频课程，做好实验前准 备的能力；能够自主查阅文献了解流体力学知识和课外拓展， 能够熟悉课程所涉及到的常见设备；能够掌握实验原理、实验 目的和实验装置；能够掌握流体力学实验的操作方法，按照操 作规范和操作步骤开展实验；能够独立描述实验过程及实验原 理；能够对课堂问答积极反馈并回答正确；能够对实验过程和 实验操作进行分析和拓展；能够解决实验过程中遇到的一般性 问题；实验报告完整，实验目的、实验原理及实验装置正确； 实验记录、实验数据处理正确，图表正确合理；实验分析和实 验拓展总结正确。能够独立开展实验操作，具备排除实验中的 一般性故障的能力，能够分析实验中出现的现象和原因；能够 对水力学中的静力学、动力学中的知识融会贯通，并能够开展 实验分析，进行创新实验和设计，建立系统的知识体系；能够 使学生具备高阶思维能力，使学生具备一定的工程素养。 4 4 三、教学内容及进度安排 序号 教学内容 学生学习 预期成果 课内 学时 教学方式 支撑 课程目标 1 绪论 体的主要物理和力学性质，流 体物理力学模型的概念。 重点： 1.流体的物理性质、流体中的 各种力的性质 2.流体力学常用基本模型 难点： 1.质量力和表面力分类 2.连续介质假说中，流体微团 的微观和宏观解释。 认知：流体力学 的定义，研究对象， 流体特点，流体质点 和连续介质概念；流 体质量与密度的定 义、量纲和单位;流 体重量与重度的定 义、量纲和单位; 理解：流体粘滞性与 粘滞系数的概念、产 生原因、大小；动力 粘滞系数和运动粘 滞系数；剪切变形速 度；牛顿流体与非牛 顿流体；压缩性与压 缩系数；表面张力特 性和大小 分析：面积力与压应 力和切应力；质量力 与单位质量力 2 1、提供实例图片； 2、引用日常生活例子 启发学生。 1
认知：静止流体压力与压强，静止流体压强的特性理解：静止流体的受力分析，静止流体的流体静力学平衡微分方程及理平衡流体中的应力特征：流体论意义，流体的等压平衡的微分方程及其积分：重面及方程：测压管，力作用下流体静压强的分布U形水银测压计，压规律：流体压强的测量：静止差计，真空计：液体作用在平面上的总压力：分析：流体的静力学静止液体作用在曲面上的总1、PPT辅助讲授：绝对压强、相对压强压力2、结合工程实际应用压强高度、真空高度2重点：进行讲解：18水头、压强水头、测1.静压强及特性压强基准和3、学生动手计算模拟头，静止流体的能量单位工程实例。律，位置势能、压强2.受压平面和曲面总压力的总势能：静水压强分计算。其绘制方法；难点：应用：用解析法和几1.压强基准和单位何法求算平面静止2.受压平面和曲面总压力的流体总压力大小、方计算。向和作用点的方法；总压力的水平分力和垂直分力，压力体，总压力的合成，阿基米德原理。认知：流场与运动要素，恒定流与非恒定流体动力学基础描述流体运动的方法：研究流流，迹线与流线，流管、元流、总流、过体运动的若于基本概念：流体运动的连续性方程：理想流体水断面，流量与断面的运动微分方程及其积分：能平均流速，一元流、1、PPT辅助讲授：量方程：动量方程二元流、三元流，均2、结合工程实际应用重点：匀流与非均匀流，渐进行讲解：31.流体运动的两种描述方法变流与急变流；1013、专题讨论；2.流线迹线概念理解：连续方程、能4、学生动手计算模拟3.能量方程量方程推导：恒定总工程实例。流的动量方程的推4.动量方程难点：导：1.拉格朗日法与欧拉法的区领会：流量测量，管别2.能量方程的应用流的水力计算，气体动量方程的应用集流管的水力计算：综合：能量方程应31
31 2 流体静力学 平衡流体中的应力特征；流体 平衡的微分方程及其积分；重 力作用下流体静压强的分布 规律；流体压强的测量；静止 液体作用在平面上的总压力； 静止液体作用在曲面上的总 压力重点： 1.静压强及特性压强基准和 单位2.受压平面和曲面总压力的 计算。 难点： 1.压强基准和单位 2.受压平面和曲面总压力的 计算。 认知：静止流体压力 与压强，静止流体压 强的特性 理解：静止流体的受 力分析，静止流体的 平衡微分方程及理 论意义，流体的等压 面及方程；测压管， Ｕ形水银测压计，压 差计，真空计； 分析：流体的静力学方程， 绝对压强、相对压强、真空、 压强高度、真空高度，位置 水头、压强水头、测压管水 头，静止流体的能量守恒规 律，位置势能、压强势能和 总势能；静水压强分布图及 其绘制方法； 应用：用解析法和几 何法求算平面静止 流体总压力大小、方 向和作用点的方法； 总压力的水平分力 和垂直分力，压力 体，总压力的合成， 阿基米德原理。 8 1、PPT 辅助讲授； 2、结合工程实际应用 进行讲解； 3、学生动手计算模拟 工程实例。 1 3 流体动力学基础 描述流体运动的方法；研究流 体运动的若干基本概念；流体 运动的连续性方程；理想流体 的运动微分方程及其积分；能 量方程；动量方程 重点： 1.流体运动的两种描述方法 2.流线迹线概念 3.能量方程 4.动量方程 难点： 1.拉格朗日法与欧拉法的区 别 2.能量方程的应用 动量方程的应用 认知：流场与运动要 素，恒定流与非恒定 流，迹线与流线，流 管、元流、总流、过 水断面，流量与断面 平均流速，一元流、 二元流、三元流，均 匀流与非均匀流，渐 变流与急变流； 理解：连续方程、能 量方程推导；恒定总 流的动量方程的推 导；领会：流量测量，管 流的水力计算，气体 集流管的水力计算； 综合：能量方程应 10 1、PPT 辅助讲授； 2、结合工程实际应用 进行讲解； 3、专题讨论； 4、学生动手计算模拟 工程实例。 1
用：动量方程的应用条件和注意问题：动量方程的应用认知：沿程流动阻力与沿程阻力损失，局部阻力与局部阻力损失，湿周与水力半流动形态与能量损失径：流动阻力与水头损失的两种理解：均匀流沿程阻形式：实际流体流动的两种型力损失的特点；均匀态；均匀流动的沿程水头损失流的切应力，边界切和基本方程式：圆管中的层流应力公式及分布规运动：圆管中的紊流运动：沿律：圆管均匀层流的程阻力系数的变化规律及影流速分布；响因素：边界层理论简介：局分析：均匀流的达西部水头损失公式：雷诺试验，层1、PPT辅助讲授：重点：流和紊流；流动形态2、结合工程实际应用41.雷诺实验62的判别方法；雷诺进行讲解；2.尼古拉兹实验对雷诺实验数；流态转化的物理3、专题讨论。的发展本质：局部阻力损失3.沿程损失阻力系数的经验的原因和特点：公式综合：圆管均匀层流难点：的沿程阻力损失的1.均匀流的切应力，边界切应计算方法：沿程阻力力公式及分布规律：系数的变化规律：紊2.沿程阻力系数的变化规律；流沿程阻力系数的3.局部损失系数的确定。确定及阻力损失计算：局部阻力损失的计算公式，局部水头损失系数的确定。认知：孔口出流的分孔口、管嘴出流与有压管流类，小孔口出流与大孔口、管嘴出流：有压管道流孔口出流，自由出流动水力计算与淹没出流，薄壁出1、PPT辅助讲授：重点：流与厚壁出流：收缩2、结合工程实际应用1.孔口自由出流断面，孔口水头，行进行讲解：2.管嘴自由出流562近流速水头，孔口全3、专题讨论；3.淹没出流水头，孔口流速系4、学生动手计算模拟4.简单管网串并联工程实例。数，断面收缩系数，难点：孔口流量系数，变水1.短管和长管的区别：头孔口（或管嘴）的2.复杂管道水力计算的原则计算公式32
32 用；动量方程的应用 条件和注意问题；动 量方程的应用 4 流动形态与能量损失 流动阻力与水头损失的两种 形式；实际流体流动的两种型 态；均匀流动的沿程水头损失 和基本方程式；圆管中的层流 运动；圆管中的紊流运动；沿 程阻力系数的变化规律及影 响因素；边界层理论简介；局 部水头损失 重点： 1.雷诺实验 2.尼古拉兹实验对雷诺实验 的发展 3.沿程损失阻力系数的经验 公式难点： 1.均匀流的切应力，边界切应 力公式及分布规律； 2.沿程阻力系数的变化规律； 3.局部损失系数的确定。 认知：沿程流动阻力 与沿程阻力损失，局 部阻力与局部阻力 损失，湿周与水力半 径；理解：均匀流沿程阻 力损失的特点；均匀 流的切应力，边界切 应力公式及分布规 律；圆管均匀层流的 流速分布； 分析：均匀流的达西 公式；雷诺试验，层 流和紊流；流动形态 的判别方法；雷诺 数；流态转化的物理 本质；局部阻力损失 的原因和特点； 综合：圆管均匀层流 的沿程阻力损失的 计算方法；沿程阻力 系数的变化规律；紊 流沿程阻力系数的 确定及阻力损失计 算；局部阻力损失的 计算公式，局部水头 损失系数的确定。 6 1、PPT 辅助讲授； 2、结合工程实际应用 进行讲解； 3、专题讨论。 2 5 孔口、管嘴出流与有压管流 孔口、管嘴出流；有压管道流 动水力计算 重点： 1.孔□自由出流 2.管嘴自由出流 3.淹没出流 4.简单管网串并联 难点： 1.短管和长管的区别； 2.复杂管道水力计算的原则 认知：孔口出流的分 类，小孔口出流与大 孔口出流，自由出流 与淹没出流，薄壁出 流与厚壁出流；收缩 断面，孔口水头，行 近流速水头，孔口全 水头，孔口流速系 数，断面收缩系数， 孔口流量系数，变水 头孔口（或管嘴）的 计算公式 6 1、PPT 辅助讲授； 2、结合工程实际应用 进行讲解； 3、专题讨论； 4、学生动手计算模拟 工程实例。 2
理解：短管自由出流与淹没出流的计算公式和方法异同：用流量模数和管道比阻进行长管的水力计算：简单管道水力计算基本类型简单管道的水头线绘制方法：水泵管路系统的水力计算：应用：虹吸管的水力计算：并联管道的水力计算：分叉管道的水力计算：沿程均匀泄流管道的水力计算：气体管道输送的条件和计算方法；综合：孔口没出流的基本计算公式：孔口自由出流的基本计算公式：管嘴恒定出流的计算公式和工作条件管嘴形式。认知：明渠的边坡系数、水面宽度、过水明渠恒定流动断面面积、湿周、水明渠水流的特点：明渠均匀流力半径：底坡分类；的特性及其产生条件：明渠均理解：明渠均匀流的匀流水利计算：明渠水流形态产生条件：水力最佳及其判别断面的确定、明渠允重点：许流速和断面分割1、PPT辅助讲授；1.明渠梯形最优断面计算公与选加方法；绝对波2、结合工程实际应用式速与相对波速：断面6进行讲解：2A2.明渠流量公式比能及其特性正常3、学生动手计算模拟3.无压管流流量计算水深与临界水深：工程实例。难点：分析：明渠水流的缓1.明渠梯形最优断面计算公流、急流和临界流；式应用综合：明渠均匀流的2.无压圆管最优断面流量计计算公式：有关明渠算公式均匀流水力计算的3.明渠水流形态判别谢才系数和糙率选取：佛汝德数及其明渠流态判据。33
33 理解：短管自由出流 与淹没出流的计算 公式和方法异同；用 流量模数和管道比 阻进行长管的水力 计算；简单管道水力 计算基本类型简单 管道的水头线绘制 方法；水泵管路系统 的水力计算； 应用：虹吸管的水力 计算；并联管道的水 力计算；分叉管道的 水力计算；沿程均匀 泄流管道的水力计 算；气体管道输送的 条件和计算方法； 综合：孔口淹没出流 的基本计算公式；孔 口自由出流的基本 计算公式；管嘴恒定 出流的计算公式和 工作条件管嘴形式。 6 明渠恒定流动 明渠水流的特点；明渠均匀流 的特性及其产生条件；明渠均 匀流水利计算；明渠水流形态 及其判别 重点： 1.明渠梯形最优断面计算公 式 2.明渠流量公式 3.无压管流流量计算 难点： 1.明渠梯形最优断面计算公 式应用 2.无压圆管最优断面流量计 算公式 3.明渠水流形态判别 认知:明渠的边坡系 数、水面宽度、过水 断面面积、湿周、水 力半径；底坡分类； 理解：明渠均匀流的 产生条件；水力最佳 断面的确定、明渠允 许流速和断面分割 与迭加方法；绝对波 速与相对波速；断面 比能及其特性正常 水深与临界水深； 分析：明渠水流的缓 流、急流和临界流； 综合：明渠均匀流的 计算公式；有关明渠 均匀流水力计算的 谢才系数和糙率选 取；佛汝德数及其明 渠流态判据。 4 1、PPT 辅助讲授； 2、结合工程实际应用 进行讲解； 3、学生动手计算模拟 工程实例。 2