工程流体力学
Engineering Fluid Mechanics
一、课程基本信息
学 时：32
学 分：2.0
考核方式：考试，平时成绩占总成绩的30％
中文简介：
工程流体力学是土木工程类、水利类各专业的一门主要技术基础课。通过本课程的学习，使学生掌握流体运动的一般规律和有关的基本概念与基本理论，学会必要的分析计算方法和一定的实验技术，为专业课的学习、解决工程中水力学问题、获取新知识和进行科学研究打下必要的基础。
二、教学目的与要求
通过本课程的学习，力求使学生掌握液体在静止和运动状态下的基本原理和运动规律，能熟练利用连读方程、能量方程和动量方程解决工程中的实际问题。如管流、明渠均匀流问题的水力计算，为水工建筑物的设计提供理论依据。授课教师应具备一定的专业知识和实践能力，授课中应突出专业特点。广泛阅读有关参考资料紧跟本学科的发展，随时补充新的内容，使学生及时了解到本学科的重要进展和发展动向。
第一章 绪 论
（一）目的与要求
让学生理解连续介质模型和作用在流体上的力；掌握流体的主要物理性质，特别是黏滞性和牛顿内摩擦定律；了解理想流体与实际流体的概念及可压缩流体和不可压缩流体的概念。
（二）教学内容
第一节 流体力学的研究内容
1．主要内容：
(1)研究内容
2．基本概念和知识点
流体力学的性质、流体的特点，水力学的应用
3．问题与应用（能力要求）
对水力学的性质、流体的特点，水力学的应用，要求达到“了解”的层次。
第二节 液体的主要物理性质
1．主要内容
(1)连续介质模型
(2)密度和容重
(3)粘滞性
(4)压缩性
2．基本概念和知识点
压缩性，粘滞性，牛顿内摩擦定律，连续介质模型，流体的主要物理性质、
3．问题与应用（能力要求）
了解流体的主要物理性质，掌握流体粘滞性，牛顿内摩擦定律
第三节 作用在液体上的力
1．主要内容
(1)表面力
(2)质量力
2．基本概念和知识点
表面力、质量力
3．问题与应用（能力要求）
了解作用在流体上的力，熟悉其计算
（三）实践环节与课后练习
课后完成各知识点的习题。
第二章 水静力学
（一）目的与要求
通过讲课使学生熟练掌握重力作用下流体静压强的计算及有关概念（等压面、绝对压强、相对压强和真空值等）、液体总压力的计算；理解流体静压强的概念和特性、液体相对平衡的概念及其计算、液柱式测压计的测压原理；了解浮体稳定性的计算。
（二）教学内容
第一节 静水压强定义及特性
1．主要内容：
(1)静水压强定义
(2)静水压强特性
2．基本概念和知识点
静水压力、静水压强、静水压强两个重要的特性
3．问题与应用（能力要求）
熟悉静水压力、静水压强的定义，静水压强两个重要的特性，要求达到“掌握”的层次。
第二节 液体平衡的微分方程及其积分
1．主要内容
(1)液体平衡的微分方程
(2)液体平衡微分方程的积分
(3)等压面
2．基本概念和知识点
液体平衡微分方程及其综合式、等压面的概念
3．问题与应用（能力要求）
等压面的概念，要求达到“熟悉”的层次；液体平衡微分方程及其综合式，要求达到“掌握”的层次；
第三节 重力作用下静水压强的分布规律
1．主要内容
(1)水静力学的基本方程
(2)绝对压强、相对压强、真空值
(3)静水压强图示
(4)测压管高度、测压管水头及真空度
(5)水银差压计
2．基本概念和知识点
绝对压强、相对压强和真空值，测压管水头及高度，水静力学基本方程的常用表达式。
3．问题与应用（能力要求）
熟悉绝对压强、相对压强和真空值，测压管水头及高度的概念，水静力学基本方程的常用表达式，静水压强图示法要求达到“掌握”的层次。
第四节 几种质量力作用下液体的相对平衡
1．主要内容
(1)直线等加速器皿中液体的相对平衡
(2)等角速旋转器皿中液体的相对平衡
2．基本概念和知识点
直线等加速器皿中液体的相对平衡，等角速旋转器皿中液体的相对平衡。
3．问题与应用（能力要求）
掌握直线等加速器皿中和等角速旋转器皿中液体的相对平衡的计算。
第五节 作用在平面上的静水总压力
1．主要内容
(1)静水总压力的大小和方向
(2)总压力的作用点
2．基本概念和知识点
平面上静水总压力。
3．问题与应用（能力要求）
掌握静水总压力大小的计算和方向确定。
第六节 作用在曲面上的静水总压力
1．主要内容
(1)总压力的大小
(2)总压力的作用点
2．基本概念和知识点
曲面上静水总压力。
3．问题与应用（能力要求）
掌握曲面上静水总压力大小的计算和方向确定。
第七节 浮力及其物体的沉浮
1．主要内容
(1) 浮力及其物体的沉浮
2．基本概念和知识点
浮力、浮心、阿基米德原理。
3．问题与应用（能力要求）
熟悉阿基米德原理。
（三）实践环节与课后练习
完成课后各知识点的习题。
第三章 水动力学基础
（一）目的与要求
通过讲课使学生熟练掌握恒定总流的连续性方程、伯努利方程和动量方程及其综合应用；理解研究流体运动的若干基本概念、流体的连续性微分方程与理想流体的欧拉运动微分方程及其沿流线的积分；了解描述流体运动的两种方法。
（二）教学内容
第一节 描述液体运动的两种方法
1．主要内容：
(1)拉格朗日法
(2)欧拉法
2．基本概念和知识点
液体的运动要素、恒定流、非恒定流，拉格朗日法,欧拉法
3．问题与应用（能力要求）
液体的运动要素、恒定流、非恒定流的概念，要求达到“熟悉”的层次；了解拉格朗日法；掌握欧拉法。
第二节 研究流体运动的若干基本概念
1．主要内容
(1)流线和迹线
(2)流管、元流、总流、过水断面
(3)流量与断面平均流速
(4)均匀流与非均匀流
(5)渐变流与急变流
2．基本概念和知识点
流线和迹线、流管、元流、总流、过水断面、流量与断面平均流速、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流
3．问题与应用（能力要求）
流体运动的若干基本概念，要求达到“熟悉”的层次。
第三节 恒定总流的连续性方程
1．主要内容
(1) 恒定总流的连续性方程
2．基本概念和知识点
恒定元流的连续性方程、恒定总流的连续性方程
3．问题与应用（能力要求）
恒定元流的连续性方程，要求达到“熟悉”的层次，掌握恒定总流的连续性方程。
第四节 恒定总流的能量方程
1．主要内容
(1) 恒定元流的能量方程
(2) 实际液体恒定总流的能量方程
2．基本概念和知识点
恒定元流的能量方程、实际液体恒定总流的能量方程
3．问题与应用（能力要求）
恒定元流的能量方程，要求达到“熟悉”的层次，掌握实际液体恒定总流的能量方程。
第五节 恒定总流的动量方程
1．主要内容
(1) 恒定总流动量方程的推导
(2) 恒定总流动量方程的应用举例
2．基本概念和知识点
恒定总流动量方程，运用恒定总流动量方程
3．问题与应用（能力要求）
恒定元流的动量方程，要求达到“熟悉”的层次，掌握运用恒定总流的动量方程的计算能力。
（三）实践环节与课后练习
完成课后各知识点的习题。
第四章 水头损失
（一）目的与要求
通过讲课使学生熟练掌握管路沿程水头损失及局部水头损失的计算方法、管路沿程阻力系数的变化规律及影响因素；理解流体运动的两种流态及其判别、圆管层流的运动规律；了解圆管紊流的概念与特征以及紊流切应力的混合长度理论和紊流流速分布、边界层概念和边界层分离现象及绕流阻力。
（二）教学内容
第一节 流动阻力和水头损失的形式
1．主要内容：
(1)沿程阻力和沿程水头损失
(2)局部阻力和局部阻力损失
2．基本概念和知识点
沿程阻力和沿程水头损失、局部阻力和局部阻力损失
3．问题与应用（能力要求）
熟悉沿程阻力和沿程水头损失、局部阻力和局部阻力损失的概念。
第二节 层流和紊流的两种型态
1．主要内容
(1)雷诺实验
(2)紊流脉动
(3)紊流切应力
(4)层流、紊流的判别标准
2．基本概念和知识点
切应力、流体运动的两种流态及其判别。
3．问题与应用（能力要求）
熟悉流体运动的两种流态及其判别标准。
第三节 恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系
1．主要内容
(1) 恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系
2．基本概念和知识点
均匀流基本方程、切应力在过水断面上的分布
3．问题与应用（能力要求）
熟悉均匀流基本方程和切应力在过水断面上的分布。
第四节 沿程水头损失
1．主要内容
(1) 达西公式
(2) 尼古拉兹公式
(3) 工业管道实验
(4) 沿程阻力系数的计算公式
(5) 经验公式
2．基本概念和知识点
沿程阻力系数、雷诺数、摩阻流速、沿程阻力系数的计算公式
3．问题与应用（能力要求）
熟悉沿程阻力系数、雷诺数、摩阻流速的概念，掌握沿程阻力系数的计算公式。
第五节 边界层理论简介
1．主要内容
(1) 边界层的基本概念
(2) 边界层分离
2．基本概念和知识点
边界层的基本概念、边界层的分离
3．问题与应用（能力要求）
熟悉边界层的基本概念和边界层的分离。
第六节 局部水头损失
1．主要内容
(1) 圆管液流突然扩大的局部水头损失
(2) 管道配件的局部水头损失
(3) 水头损失的叠加
2．基本概念和知识点
局部水头损失、圆管液流突然扩大的局部水头损失、 管道配件的局部水头损失。
3．问题与应用（能力要求）
掌握局部水头损失的计算。
（三）实践环节与课后练习
完成课后各知识点的思考题。
第五章 有压管道的恒定流动
（一）目的与要求
通过讲课使学生熟练掌握短管和长管的水力计算方法；理解孔口、管嘴恒定出流的水力计算方法、离心式水泵的水力计算（扬程、功率、工作点）。
（二）教学内容
第一节 液体经薄壁孔口的恒定流动
1．主要内容：
(1) 小孔口的自由出流
(2) 大孔口的自由出流
2．基本概念和知识点
薄壁空口、大孔口、小孔口、大孔口、小孔口水力计算的基本关系式
3．问题与应用（能力要求）
薄壁空口、大孔口、小孔口、大孔口，要求达到“熟悉”的层次，掌握大孔口、小孔口水力计算。
第二节 液体经管嘴的恒定出流
1．主要内容
(1)圆柱形外管嘴的恒定出流
(2)圆柱形外管嘴的真空
2．基本概念和知识点
圆柱形外管嘴，圆柱形外管嘴的恒定出流和真空的计算
3．问题与应用（能力要求）
熟悉圆柱形外管嘴的概念，掌握圆柱形外管嘴恒定出流和真空的计算
第三节 短管的水力计算
1．主要内容
(1)短管水力计算的基本公式
(2)短管水力计算的问题
2．基本概念和知识点
短管、长管、短管水力计算。
3．问题与应用（能力要求）
熟悉短管、长管的概念。掌握短管水力计算。
第四节 长管的水力计算
1．主要内容
(1)简单管路
(2)串联管路
(3)并联管路
(4)枝状管路
2．基本概念和知识点
简单管路、串联管路、并联管路、枝状管路、经济流速
3．问题与应用（能力要求）
熟悉简单管路、串联管路、并联管路、枝状管路和经济流速概念，掌握长管的水里计算。
第五节 离心水泵的水力计算
1．主要内容
(1)工作原理
(2)基本工作参数
(3)泵的性能曲线与工作点的确定
2．基本概念和知识点
离心水泵的工作原理和工作参数，泵的性能曲线与工作点的确定。
3．问题与应用（能力要求）
熟悉离心水泵的工作原理和工作参数，掌握泵的性能曲线与工作点的确定。
第六节 有压管路中的水击现象
1．主要内容
(1)水击产生的原因
(2)水击强度的计算
(3)水击危害的预防
2．基本概念和知识点
水击产生的原因、水击强度的计算、水击危害的预防。
3．问题与应用（能力要求）
熟悉水击产生的原因、水击强度的计算、水击危害的预防。
（三）实践环节与课后练习
完成课后各知识点的思考题。
三、教学方法与手段
以传统教学方式为主要手段，以多媒体教学为辅助教学手段，即将教学中所需图表及与课程相关的工程实例等内容，采用多媒体形式展示。
四、教学内容及目标
教学内容 |
教学目标 |
学时 分配 |
第一章 绪论 |
|
4 |
1、流体力学的研究内容 |
了解 |
|
2、液体的主要物理性质 |
理解 |
|
3、作用在液体上的力 |
掌握 |
|
重点与难点: |
作用在液体上的力 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第二章 水静力学 |
|
10 |
1、静水压强定义及特性 |
掌握 |
|
2、液体平衡的微分方程及其积分 |
理解 |
|
3、重力作用下静水压强的分布规律 |
掌握 |
|
4、几种质量力作用下液体的相对平衡 |
掌握 |
|
5、作用在平面上的静水总压力 |
掌握 |
|
6、作用在曲面上的静水总压力 |
掌握 |
|
7、浮力及其物体的沉浮 |
掌握 |
|
重点与难点: |
重力作用下静水压强的分布规律 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第三章 水动力学基础 |
|
6 |
1、描述液体运动的两种方法 |
理解 |
|
2、研究流体运动的若干基本概念 |
理解 |
|
3、恒定总流的连续性方程 |
掌握 |
|
4、恒定总流的能量方程 |
掌握 |
|
5、恒定总流的动量方程 |
掌握 |
|
重点与难点: |
恒定总流的连续性方程、能量方程、动量方程 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第四章 水头损失 |
|
6 |
1、流动阻力和水头损失的形式 |
理解 |
|
2、层流和紊流的两种型态 |
理解 |
|
3、恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系 |
理解 |
|
4、沿程水头损失 |
掌握 |
|
5、边界层理论简介 |
理解 |
|
6、局部水头损失 |
掌握 |
|
重点与难点: |
沿程水头损失、局部水头损失 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第五章 有压管道的恒定流动 |
|
6 |
1、液体经薄壁孔口的恒定流动 |
理解 |
|
2、液体经管嘴的恒定出流 |
理解 |
|
3、短管的水力计算 |
掌握 |
|
4、长管的水力计算 |
掌握 |
|
5、离心水泵的水力计算 |
掌握 |
|
6、有压管路中的水击现象 |
理解 |
|
重点与难点: |
短管的水力计算、长管的水力计算 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
|
|
|
|
五、推荐教材和教学参考资源
教材：
黄儒钦主编.水力学教程（第三版）.成都：西南交通大学出版社2006-09
参考书：
（1）柯葵、朱立明、李嵘主编.水力学. 上海：同济大学出版社，2001.6.
（2）肖明葵 主编.水力学. 重庆：重庆大学出版社，2001.12
大纲修订人：徐兆娟 修订日期：2017-12-31
大纲审定人： 审定日期：
