流体力学

流体力学既是基础学科,又是涉及多专业多领域的应用学科;既是古老的学科,又是不断完善发展的学科。流体与我们如影随形,但你又懂其几何。加入我们,一起感受随波逐流(拉格朗日法)的畅快,一起品味驻足远眺(欧拉法)的愉悦。

大连理工大学

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  • 分类: 物理
  • 平台: 中国大学MOOC
  • 语言: 中文

课程概述

流体力学是应用面非常广的专业基础课,在航空、航天、机械、动力、化工、能源、环境等专业领域涉及广泛。本课程希望建立学生知识结构和能力结构的对应关系,从而培养学生数学、自然科学和工程知识的应用能力、对工程问题的识别和提炼、定义和表达、分析和实证的能力以及运用技术、技能和现代工程工具从事工程实践的能力。最终,为今后学生在学习专业课程,从事相关的工程技术和科学研究工作打下坚实的基础。

当前,流体力学的研究手段更加先进,与各类工程专业结合更为密切,与其他学科的交叉渗透更加广泛深入。一方面突显出学习流体力学的重要性,同时也表明流体力学这门学科的复杂程度。虽然我们每天处处接触流体,但学生普遍缺乏对流体的感性认识。此外,流体力学理论性较强,概念抽象,数学功底要求高,使流体力学课程历来被认为是教师难教、学生难学的课程之一。针对这一实际问题,团队教师在对照国内外先进教学经验的基础上,更加注重培养学生的学习兴趣和动手实践的积极性,更多地为学生提供分析和讨论实际流体力学问题的平台,鼓励学生多思考、多应用,从而建成了具有一定特色的课程体系。

本课程是过程装备和控制工程专业的核心课程,由大连理工大学化工机械学院流体与粉体教研室承担建设。课程负责教师们在刘志军教授的带领下,从2000年开始从事本课程的教学工作,师资队伍年富力强,教学经验丰富。尤其是近几年,为了进一步提高教学质量,适应新时期本科教育的发展需要,本课程在授课方式、教学方法和手段、课程内容的组织和安排、教学资源数字化等方面进行了一系列力度较大的改革,取得了好的结果。经过团队的共同努力,本课程于2013年已建成为辽宁省资源共享课。

授课目标

一、保证学生掌握流体力学中涉及的基本概念和理论;
二、培养学生合理应用模型和基础理论分析和解决流体流动问题的能力;
三、要求学生理解一些流动现象中所涉及的具体的流体力学知识,例如管内流动、边界层流动和绕流阻力等。

证书要求

本课程的学习环节包含:授课视频学习、参与课程讨论、完成章节练习题和研讨题、参加期末考试。

课程学习成绩由两部分构成:
(1)过程考核(课堂测验、课堂讨论、课后作业、分组研讨等):课堂测验,考察课程内容掌握情况;参与一定次数的课堂交流讨论;完成课后各章节作业,考核作业完成的质量;完成分组研讨报告,考察研讨报告和汇报报告的完成质量。过程考核占40%。
(2)期末考试:课程结束后,学生可以参加课程的最后考试,成绩占60%。
完成课程学习并参加考试可获得证书。证书分两种等级:总评成绩在60分至79分为合格证书,总评成绩在80分至100分为优秀证书。

预备知识

《 微积分》、《工程热力学》、《材料力学》、《理论力学》、《大学物理》。

授课大纲

一、课程的性质和任务
本课程的任务是使学生对流体及其运动规律有基本的认识,在理论和实践上掌握典型化工单体设备中流体流动规律。在着重讲述流体的性质,平衡规律和流动的几个基本方程(连续方程、能量方程及动量方程)的基础上,进一步讲述了理想和粘性流体二元流动的基本知识。对流体运动的边界层理论和湍流理论,作了较深入的讲解。使学生利用所学知识,分析和解决工业生产过程中的实际问题。

二、课程内容和学时分配
一、绪论(建议学时数:2学时)
内容:(1)流体的定义;(2)流体力学的范围;(3)流体力学的基本定律;(4)分析方法;(5)解题步骤和方法;(6)量纲和单位制

二、基本概念(建议学时数:2学时)
内容:(1)连续介质模型;(2) 速度场;(3) 一维、二维和三维流动;(4) 均匀流动和均匀流场;(5) 迹线、脉线和流线;(6) 应力场;(7) 牛顿型流体:粘性;(8) 非牛顿流体;(9) 流体运动的描述和分类

三、流体静力学(建议学时数:6学时)
内容:(1)流体静力学基本方程;(2)标准大气压;(3)绝对压强和表压;(4)静止液体对平板的作用力;(5)静止液体对曲面的作用力;(6)浮力和稳定性;(7)非惯性坐标系中的静止液体力;(8)流体静力学基本方程式的应用

四、控制体积分形式的基本方程(建议学时数:10学时)
内容:(1)系统的基本方程;(2)输运公式;(3)质量守恒方程;(4)惯性控制体的动量方程;(5)直线加速的控制体的动量方程;(6)任意加速运动的控制体的动量方程;(7) 伯努利方程的应用;(8)动量矩定理;(9)热力学第一定律;(10)热力学第二定律

五、流体运动的微分分析法简介(建议学时数:6学时)
内容:(1)场概念;(2)连续性方程;(3)二维不可压缩流动的流函数;(4)流体微元的运动(动力学);(5)流体旋转;(6)无旋流动;(7)动量方程

六、不可压缩无粘流动的流体动力学(建议学时数:4学时)
内容:(1)无粘流动的应力场;(2)无摩擦流动的动量方程:欧拉方程;(3)流线坐标中的欧拉方程;(4)伯努利方程——定常流动时欧拉方程沿着流线方向的积分;(5)静压强、滞止压强和动压强;(6)热力学第一定律与伯努利方程的关系;(7)应用于无旋流动的伯努利方程;(8)非定常的伯努利方程——欧拉方程沿着流线的积分

七、旋涡的基本理论(建议学时数:2学时)
内容:(1)旋涡的基本概念;(2)开尔文速度环量定理;(3)亥姆霍兹(Helmholtz)定理;(4)旋涡的诱导速度;(5)二元旋涡的速度分布和压强分布;

八、量纲分析与相似原理(建议学时数:4学时)
内容:(1)相似概念;(2)量纲与量纲齐次性;(3)量纲分析与瑞利法;(4)量纲分析与π定理;(5)流动相似;(6)动力相似准则;(7)常用的相似准则数;(8)相似准则的选择

九、粘性流体管内流动(建议学时数:10学时)
内容:(1)粘性流体中的基本分析;(2)不可压缩粘性流体的运动微分方程;(3)粘性流体的两种流动状态;(4)管内流动的两种阻力损失;(5)流体在圆管中的层流流动
(6)流体在圆管中的湍流流动;(7)湍流沿程损失系数的实验研究;(8)局部损失系数;(9)孔口出流;(10)管嘴出流;(11)管道的水力计算;(12)有压管道的水击(水锤)

十、粘性流体绕物体的流动(建议学时数:6学时)
内容:(1)边界层概念;(2)层流边界层的微分方程;(3)边界层的动量积分方程;(4)平板层流边界层的计算;(5)平板湍流边界层的计算;(6)平板混合边界层;(7)曲面边界层及边界层分离现象;(8)物体在流体中运动的阻力;(9)直均流绕圆柱体的运动;(10)圆球在流体中运动的阻力

十一、可压缩流体流动基础(建议学时数:2学时)
内容:(1)气体的基本性质;(2)微弱扰动的一维传播;(3)微小扰动在空气中的传播;(4)气体一维定常流动的基本方程;(5)气流的参考状态;(6)变截面的等熵流动

参考资料

使用教材
[1] Robert W. Fox (Purdue Univ.). Introduction to Fluid Mechanics (EIGHTH EDITION), JOHN WILEY & SONS, INC. 2011
[2] 丁祖荣编著. 流体力学(上&下册)(国家“十二五”规划教材). 高等教育出版社, 2013

参考教材

[1] 戴干策,陈敏恒编著. 化工流体力学,化学工业出版社,1988
[2] 黄卫星,陈文梅编编. 工程流体力学,化学工业出版社,2006

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