工程流体力学大纲

工程流体力学大纲
教学目的:
本课程是建筑环境与设备工程及热能与动力工程专业的共有专业基础课程.教学目的地是使学生掌握流体力学的基本概念、基本原理、基本试验方法和实验技能，为后续专业课的学习提供充分的理论准备，为将来从事科学研究以及专业工作打下必备的理论基础。

第一章导论
教学内容：第一节流体力学的任务及发展概况。

教学要点：了解流体力学的发展历
史，了解流体力学的研究方法及应用。

第二节流体的特征和连续介质假设。

一、流体的特征和连续介质的假设。

教学要点：掌握流体的定义，了解不同流体的
特征。

二、流体连续介质假定。

教学要点：掌握流体连续介质假定的必要性和合理性。

第三节流体的主要物理特征
一、流体的密度。

教学要点：掌握流体的密度及相对密度的定义。

二、流体的压缩性和膨胀性。

教学要点：掌握流体连续介质假定的必要性和合理性。

三、流体的粘性和牛顿内摩擦定律。

教学要点：了解不同流体粘性的成因，掌握牛
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。

四、流体的表面张力和毛细现象。

教学要点：了解表面张力和毛细现象的成因。

第四节作用在流体上的力
一、表面力教学要点：掌握流体的表面力的定义及种类。

二、质量力教学要点：掌握流体的质量力的定义及种类。

思考题：
1、流体有哪些特性？试述液体和气体特征的异同。

2、什么是连续介质？在流体力学中为什么要建立连续介质这一理论模型？
3、试叙述流体的密度、相对密度的概念，并说明他们之间的关系。

4、何谓流体的压缩性和膨胀性？
5、举例说明怎样确定流体是可压缩的或是不可压缩的。

6、何谓流体的粘性？流体的粘性与流体的宏观运动是否有关？静止流体是否有
粘性？静止流体内部是否有粘性切向应力？
7、为什么要提出理想流体这个假设？他与热力学中的理想气体由什么区别？
8、为什么是表面张力？是对表面张力现象作物理解释。

9、作用在流体上的力有哪些？在什么情况下有惯性力？在什么情况下有摩擦
力？
第二章流体静力学
教学内容：
第一节流体静压强及其特性
教学要点：掌握流体静压强及其特性，流体静压强的分布规律，压强的计算基准和
度量单位，解液柱测压计的工作原理，掌握作用在平面的液体压力和作用在曲面的
液体压力的特征和计算。

第二节流体平衡微分方程
一、流体平衡微分方程式教学要点：掌握流体平衡微分方程式及其推导。

二、流体平衡条件教学要点：掌握流体的平衡条件，液体的相对平衡条件。

三、等压面教学要点：掌握流体等压面的概念和方程表示。

第三节重力作用下的流体平衡
一、重力作用下的静力学基本方程教学要点：掌握重力作用下的静力学基本方程的物理意义和几何意义。

二、压强的度量教学要点：掌握流体压强的度量单位，掌握压强的表压、绝对压力和真空度的概念。

第四节流体静力学基本方程的应用
一、测压管教学要点：掌握测压管的结构和工作原理。

二、U形管测压计教学要点：掌握U形管测压计的结构和工作原理。

三、U形管差压计教学要点：掌握U形管差压计的结构和测量原理。

四、倾斜微压计教学要点：掌握倾斜微压计的结构和测量原理。

第五节平面上的静水总压力
一、总压力的大小教学要点：掌握总压力大小的计算方法。

二、总压力的作用点教学要点：掌握总压力的作用点的求解方法。

第六节曲面的静水总压力
一、总压力的大小和方向教学要点：掌握曲面静水总压力大小和方向的确定。

二、总压力的作用点教学要点：掌握曲面总压力的作用点的求解方法。

三、压力体的概念教学要点：掌握压力体的概念和计算方法。

四、静止液体作用在曲面上的总压力的计算程序教学要点：掌握静止液体作用在曲面上的总压力的计算程序。

第七节浮体与潜体的稳定性
一、浮体的原理教学要点：掌握浮体的计算原理。

二、浮体与潜体的稳定性教学要点：掌握浮体的平衡条件，掌握潜体的受力计算。

思考题：
1、流体的静压强有哪些特征？
2、流体平衡微分方程是如何建立的？它的物理意义是什么？
3、什么是等压面？等压面的特征方程是取何形式？等压面与单位质量力有什么
关系？
4、写出流体静力学基本方程的几种表达式。

说明流体静力学基本方程的物理意义
和几何意义。

5、什么是绝对压强？表压？真空度？他们之间有什么关系？
6、什么是压力体？
7、重力为G的物体在液体中有哪些存在方式？如何确定？
第三章流体动力学基础
教学内容：
第一节描述流体运动的两种方法教学要点：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。

第二节流体运动的一些基本概念
一、定常流动和非定常流动教学要点：掌握流体定常流动和非定常流动的本质区别。

二、迹线与流线教学要点：掌握迹线与流线的概念及其区别。

三、流管、流束和总流教学要点：掌握流管、流束和总流的概念以及应用原理。

四、流量和平均流速教学要点：掌握流量和平均流速的概念。

五、一维、二维和三维流动教学要点：掌握一维、二维和三维流动的概念和数学表达。

六、均匀流和非均匀流教学要点：掌握均匀流和非均匀流的概念。

第三节流体流动的连续性方程
一、直角坐标系下连续性方程教学要点：掌握直角坐标系下连续性方程的推导过程。

二、微元流束和总流的连续性方程教学要点：掌握微元流束和总流的连续性方程的形式。

第四节理想流体的运动微分方程教学要点：掌握理想流体运动微分方程的推导。

第五节理想流体微元流束的伯努利方程
一、理想流体微元流束的伯努利方程教学要点：掌握理想流体微元流束的伯努利方程推导。

二、方程的物理意义和几何意义教学要点：了解该方程的物理意义和几何意义。

第六节伯努利方程的应用
一、皮托管教学要点：掌握皮托管的测量原理。

二、文特里流量计教学要点：了解文特里流量计的工作原理。

第七节定常流动的动量方程和动量矩方程
一、定常流动的动量方程教学要点：掌握定常流动的动量方程的形式。

二、定常流动的动量矩方程教学要点：掌握定常流动的动量矩方程形式。

思考题：
1、研究流体运动的拉格朗日法和欧拉法的实质是什么？
2、何为流线、迹线、有效截面、定常流动、一维流动、二维流动、三维流动？
3、流线和迹线有什么区别？
4、在什么条件下流场中的流线和迹线重合？
5、伯努利方程各项的物理意义？
6、动量方程能解决什么问题？
第四章不可压缩流体的有旋流动和二维无旋流动
教学内容：
第一节流体微团运动分析
一、表示流体微团运动特征的速度表达式教学要点：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。

二、流体微团运动的分析教学要点：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。

第二节有旋运动和无旋运动
一、有旋运动和无旋运动的定义教学要点：掌握有旋运动和无旋运动的定义及其判定条件。

二、速度环量和漩涡强度教学要点：掌握速度环量和漩涡强度的数学表达，了解一些常见现象的解释。

第三节无旋流动的速度势函数
一、速度势函数引入教学要点：掌握速度势函数的表达，了解无旋流动存在速度势
函数的必然性。

二、速度势函数的性质教学要点：掌握速度势函数的性质。

第四节二维平面流动的流函数
一、流函数的引入教学要点：掌握流函数引入的方法。

二、流函数的性质教学要点：掌握流函数计算流量的方法。

三、速度势函数和流函数的关系教学要点：掌握流函数和速度势函数的共轭关系。

第五节基本的平面有势流动教学要点：掌握均匀直线流动、平面点源和点汇流动、点涡流动的性质和数学描述。

第六节平面势流的叠加流动
一、势流叠加原理教学要点：掌握势流叠加的数学表述方法。

二、螺旋流教学要点：了解螺旋流的数学表达和流谱，掌握其在工程上的应用意义。

三、偶极流教学要点：了解偶极流的数学表达和流谱，掌握其在工程上的应用意义。

四、饶圆柱体无环量流动教学要点：了解饶圆柱体无环量流动的数学表达和流谱，掌握其在工程上的应用意义。

思考题：
1、流体微团的运动一般由哪几部分组成？
2、何为流体微团的体积膨胀速率？
3、什么是有旋流动和无旋流动？流体是有旋流动还是无旋流动是否与流体微团
的运动轨迹有关？
4、何谓速度环量和漩涡强度？两者之间有什么关系？
5、何谓涡量？涡量和流体运动速度有何关系？
6、何谓速度势函数和流函数？它们具有什么性质？
7、说明不可压缩流体平面无旋流动的速度势函数和流函数的关系。

8、写出均匀直线流动、点源和点汇、点涡的流函数和势函数，并分别说明它们的
速度分布和压强分布。

9、说明螺旋流、偶极流和饶圆柱无环量流动是有哪些基本势流叠加而成的。

第五章不可压缩流体二维边界层概述
教学内容：
第一节边界层的基本概念
一、边界层的概念教学要点：掌握边界层的概念的形成。

二、边界层的基本特征教学要点：掌握边界层的基本特征。

第二节边界层的动量积分方程教学要点：掌握边界层的动量积分方程的表达内容。

第三节曲面边界层的分离现象卡门涡街
一、曲面边界层的分离现象教学要点：掌握曲面边界层分离的起因和现象。

二、卡门涡街教学要点：掌握卡门涡街的成因和现象，了解卡门涡街在工程上的应用。

第四节绕流阻力和阻力系数教学要点：掌握绕流阻力的概念和计算。

思考题：
1、什么叫边界层？边界层有哪些基本特性？
2、求解边界层动量积分方程，原则上需要补充哪几个方程？
3、简述曲面边界层分离原理。

4、试述卡门涡街的概念和如何防止卡门涡街的危害。

5、粘性流体绕流物体时有哪几种阻力？如何减少这些阻力？
6、什么是压差阻力？引起压差阻力的原因有哪些？流过尖锐的物体会不会产生
压差阻力？
第六章粘性流体的一位定常流动
教学内容：
第一节粘性流体总流的伯努利方程
一、粘性流体微元流束的伯努利方程教学要点：掌握微元流束伯努利方程及其各项的意义。

二、粘性流体总流的伯努利方程教学要点：掌握总流能量方程中各项的意义，掌握动能修正系数的含义，掌握伯努利方程中能量损失项的含义。

第二节粘性流体的两种流动形态
一、雷诺实验教学要点：掌握雷诺实验的方法和内容。

二、雷诺数教学要点：掌握雷诺数反应的内容。

三、能量损失与平均流速的关系教学要点：掌握关系曲线反映的规律。

第三节流动损失分类
一、沿程阻力与沿程损失教学要点：掌握沿程阻力和沿程损失的计算。

二、局部阻力与局部损失教学要点：掌握局部阻力与局部损失的含义和计算公式。

第四节园管仲流体的层流运动
一、数学模型教学要点：掌握由牛顿内摩擦定律推导出的数学模型及其含义。

二、速度分布教学要点：了解园管仲速度分布曲线形状及其成因。

三、流量及平均流速教学要点：掌握园管仲平均流速的概念，掌握由平均流速计算流量的方法。

四、切应力分布教学要点：掌握园管仲切应力在流动断面上的分布曲线的推导。

五、沿程损失教学要点：掌握园管仲沿程损失公式的推导。

六、动能修正系数教学要点：掌握园管仲流动中动能修正系数的推导。

第五节园管仲流体的紊流流动
一、紊流脉动现象与时均速度教学要点：了解紊流脉动现象，掌握时均速度的概念。

二、紊流中的切向应力教学要点：掌握紊流中切向应力的特点和计算。

三、紊流结构、“光滑管”和“粗糙管”教学要点：掌握层流底层的概念，掌握粗糙管和光滑管的定义。

四、园管仲紊流有效截面上的切应力分布和速度分布教学要点：了解园管仲有效截面上切应力分布和速度分布的概况。

五、紊流中沿程损失的计算教学要点：了解计算内容。

第六节沿程阻力的实验研究
一、尼古拉兹实验教学要点：了解尼古拉兹人工粗糙管的概念，了解尼古拉兹实验曲线。

二、莫迪图教学要点：了解莫迪图的结构和概念。

第七节非圆形管道沿程损失的计算教学要点：了解非圆形管道沿程阻力计算的折算办法。

第八节局部损失的计算
一、损失产生的原因教学要点：了解局部阻力产生的各种原因。

二、局部损失的计算教学要点：了解局部阻力损失的计算方法。

第九节管道水力计算
一、管道系统分类教学要点：了解各种管道的分类方法。

二、管道水力计算的主要任务教学要点：掌握管道水力计算的主要任务内容和方法。

三、紊流结构、“光滑管”和“粗糙管”教学要点：掌握串联管道的概念和计算方法。

四、并联管道教学要点：掌握并联管道的概念和计算方法。

第十节水击现象
一、水击现象的描述教学要点：了解水击现象的理论描述。

二、水击压强和传播速度教学要点：掌握水击压强的概念和传播速度的计算。

三、水击波的分类减弱水击的措施教学要点：了解水击波的分类和特性，了解减弱水击和措施。

思考题：
1、粘性流体总流伯努利方程与理想流体微元流束伯努利方程有什么不同？应用
条件是什么？
2、试从流动特征、速度分布、切应力分布和水头损失等方面来比较园管仲的层流
和紊流特征。

3、输水管道的流量一定时，随着管径增加，雷诺数是增加还是减少？
4、流动阻力与能量损失分哪几种类型？试说明它们产生的原因。

对于有数段管道
及数个管道附件的管道系统，其流动阻力应如何计算？
5、什么叫时间平均流速？试说明紊流流动引用时间平均流速的合理性与必要性。

6、何为普朗特温混合长度理论？根据这一理论紊流中的切应力应如何计算？
7、什么叫水力光滑管和水利粗糙管？与哪些因素有关？
8、按照尼古拉兹实验曲线可将流动分为哪几个区域？各区域有什么特点？如何
判别？沿程阻力系数如何确定？
9、什么叫当量直径？为什么要引入当量直径的概念？
10、管道系统是如何划分的？管道水力计算的任务是什么？
11、何为水击现象？分析水击现象时，必须考虑哪些因素的影响？
12、为什么说要尽量避免发生直接水击？怎样减少水击压强？
参考书目：
（1）Massey Rs.Mechanics of Fluid. 5th Edition. New York:Van Nostrand Rei nhold (UK) Co Ltd. 1983
（2）山东工业大学孔珑主编。

工程流体力学。

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1992. （3）于荣宪。

工程流体力学解题分析。

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高等流体力学。

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（6）清华大学热能工程系郑洽余等。

流体力学。

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（7）清华大学工程力学系编。

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（10）莫乃荣主编。

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武汉。

华中科技大学出版社。

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（11）黄卫星等。

工程流体力学。

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