1、中央广播电视大学“开放教育试点”土木工程专业( 专升本)流体力学课程教学大纲流体力学教学大纲第一部分 大纲说明一、 课程的性质与任务流体力学是中央广播电视大学“开放教育试点”工学科土建类土木工程专业的一门公共必修课程。该课程的主要任务是使学生掌握流体（水流）运动的一般规律和有关的基本概念、基本原理、基本方法和一定的试验技能，注意培养学生发现和解决问题的能力，为学习专业课程、从事专业技术工作或进行科学研究打下基础。二、 课程的教学基本要求学生学完本课程后应达到下列基本要求：1具有一定的理论基础。正确理解流体力学的基本概念。掌握连续性方程、能量方程、动量方程的应用。掌握水流运动的分析方法。认识量纲
2、分析与实验的关系。2对工程中的一般流体问题具有分析和计算的能力。3掌握一定的实验技能与方法，具有测量运动参数、分析实验数据和编写实验报告的能力。三、 课程教学要求的层次有关定义、定理、性质、特征等概念的内容按“知道、了解、理解”三个层次要求；有关计算、解法、公式、法则等方法的内容按“会、掌握、熟练掌握”三个层次要求；实验按“观察、学会、能、测定、掌握、应用”六个层次要求。第二部分 学时、教学安排、教材与教学环节一、 学时分配与学分1学时分配本课程共 72 学时章号 内容 课内学时 实验名称：学时 备注1 绪论 2 2 流体静力学 6 3 流体运动学 11 流场演示实验：1 4 流体动力学基础
3、12 能量方程实验：2 5 流动阻力和能量损失 13 雷诺实验：1沿程水头损失实验：26 孔口、管嘴和有压管流 6 7 明渠恒定流 8 8 堰流 6 堰流实验：2 9 渗流 4 10 相似原理与量纲分析 4 合计：72 学时 64 8 2学分本课程共 4 学分。二、 教学安排流体力学课程安排在第三学期，一个学期完成全部教学任务。三、 文字教材根据远距离教育要求，本课程的文字教材以文字主教材和文字辅助教材两部分组成，并采用合一式编排。文字教材是学生学习课程的主要用书，主教材部分的内容是课程的基本内容，是教学的主要依据。辅教材部分的内容是对主教材相应内容进行归纳、总结，通过例题与习题，帮助学生理解
4、和掌握课程的内容。文字教材是学生获得知识和提高能力的重要媒体之一，教材的内容要具有科学性，概念叙述要准确无误，方法的阐述要详细，论证要清楚，要体现远程开放教育的特点，要适合成人、以业余学习为主的特点，要便于自学。四、 教学环节1本课程配有电视课，是重要的教学形式。2自学自学是电大学生获得知识的重要方式，自学能力的培养也是远程开放高等教育的目的之一，本课程的教学要注意对学生自学能力的培养。学生可以通过自学，收看电视、直播课堂、网上教学辅导等方式进行学习，各教学点可以采用灵活多样的助学方式，帮助学生学习。3面授助学面授助学要服从与教学大纲、文字教材、音像教材，采用讲解、讨论、答疑等方式，通过解题思
5、路分析，计算方法训练，培养学生分析和计算、解决问题的能力。4作业独立完成作业是学生学好本课程的一项重要的、必不可少的工作。作业内容以教材中的习题为主，通过这些习题的练习，逐步加深对课程中各种概念的理解、熟悉分析和计算方法，达到基本掌握本课程主要内容的目的。5实验实验是巩固和加深所学知识的重要手段，亦是培养学生掌握一定的实验技能、具有分析实验数据和编写报告能力的重要途径。学生应在教师的指导下独立完成规定的实验并编写实验报告。6考试考试题目要全面，符合教学大纲要求，同时要做到体现重点，题量适度，难度适中，题量和难度的梯度应按教学要求的不同层次安排。不出难题、怪题。第三部分 教学内容与教学要求第一章
6、 绪论（2 学时）一、教学内容1-1 流体力学的任务及研究对象1-2 流体的主要物理力学性质1 易流动性2 惯性3 粘滞性4 压缩性和膨胀性5 表面张力特性1-3 作用在流体上的力1 质量力2 表面力1-4 流体的力学模型与研究方法1 力学模型2 研究方法重点：力的单位、易流动性、粘滞性、牛顿内摩擦定律、质量力、表面力、连续介质概念二、教学要求1 了解流体的主要物理力学性质，理解易流动特性和粘滞性，掌握牛顿内摩擦定律。2 理解质量力和表面力，掌握其表示方法。3 理解连续介质（质点的概念） 、粘性流体、理想流体、不可压缩流体、可压缩流体。知道流体的研究方法。第二章 流体静力学（8 学时）一、教学
7、内容2-1 流体静压强及其特性1 静压强的定义2 静压强的特性2-2 流体的平衡微分方程及其积分1 流体的平衡微分方程欧拉平衡微分方程2 流体的平衡微分方程的积分3 等压面及其特性2-3 流体静压强分布规律1 流体静压强公式2 压强的计算基准和表示方法3 静压强分布图4 压强的量测仪器和方法2-4 作用于平面的液体总压力1 图解法2 解析法2-5 作用于曲面的液体总压力1 水平分力2 铅垂分力3 总压力2-6 浮力与浮体的稳定性1 浮力2 潜体的平衡及其稳定性3 浮体的稳定性重点：静压强及其特性，点压强的计算，静压强分布图，压力体图，作用于平面的液体总压力（图解法） ，作用于曲面的液体总压力。
8、难点：复杂情况点压强的计算（利用等压面） ，压力体图，作用于曲面的液体总压力。二、教学要求1 理解和掌握静压强及其特性2 会欧拉平衡微分方程的推导，理解欧拉平衡微分方程的物理意义。3 熟练掌握流体静压强公式，熟练掌握点压强的计算方法，掌握压强的计算基准和表示方法，熟练掌握静压强分布图，掌握压强的量测方法。4 熟练掌握计算作用于平面的液体总压力。5 熟练掌握计算作用于曲面的液体总压力。第三章 流体运动学（13 学时）一、教学内容3-1 流动描述1 描述流体运动的两种方法2 迹线与流线3 质点速度、加速度3-2 描述流体运动的一些基本概念1 恒定流与非恒定流2 流管、总流、流量、断面平均流速3 一
9、元流、二元流、三元流4 均匀流与非均匀流、渐变流与急变流3-3 流体运动的连续性方程1 流体运动的连续性方程：从三维流动入手推导2 总流的连续性方程：由三维连续性方程导出恒定总流的连续性方程3 连续性方程的应用：由一断面的平均速度求另一断面的平均速度；检验给定流动是否满足连续性方程3-4 流体微团运动分析1 流体微团运动的基本形式：平移、线变形、角变形、旋转的概念及其相应表达式2 无旋流与有旋流：基本概念、无旋流满足的条件3-5 平面势流1 速度势函数及其性质2 流函数及其性质3 流函数与速度势函数的关系4 几种简单的平面势流：均匀直线流、源流与汇流、环流5 流网法解平面势流：流网原理6 势流
10、叠加法解平面势流：势流叠加原理重点：迹线与流线，质点加速度，连续性方程，无旋流与有旋流，流函数与速度势难点：微团运动的基本形式及其相应表达式，流函数与速度势函数建议：对微团运动分析的内容，不必详细讲解，但需明确指出流体微团运动的基本形式：平移、线变形、角变形、旋转。对无旋流（势流）强调对基本概念的理解。二、教学要求1 了解描述液体运动的两种方法，掌握迹线、流线的概念及方程，掌握质点加速度表达式。2 了解描述流体运动的一些基本概念。3 熟练掌握连续性方程，尤其总流的连续性方程。4 理解无旋流与有旋流。5 了解几种简单的平面势流，知道流网法、势流叠加法解平面势流的原理。三、教学实验1 实验名称:
11、流场演示实验2 实验内容：演示不同边界条件下的水流形态、水流绕不同形状物体的流动现象。3 实验要求：观察不同边界条件下的水流形态、水流绕不同形状物体的流动现象。第四章 流体动力学（14 学时）一、教学内容4-1 理想流体运动微分方程Euler 运动微分方程1 理想流体动压强的特性2 Euler 运动微分方程：推导、加速度项展开、静止条件下简化为 Euler 平衡方程4-2 实际流体运动微分方程Navier-Stokes 方程1 实际流体质点应力分析2 实际流体运动基本微分方程（切应力表示）3 Navier-Stokes 方程（简介）4-3 理想流体及实际流体恒定元流的能量方程（Bernoull
12、i 方程）1 理想流体恒定元流的能量方程2 实际流体恒定元流的能量方程3 解释能量方程中各项意义4 能量方程应用（说明：上述方程亦可由理想流体、实际流体运动微分方程的积分导出，不详细推导）4-4 实际流体恒定总流的能量方程1 实际流体恒定总流的能量方程推导：对元流能量方程在总流断面上积分。2 实际流体恒定总流的能量方程的应用应用条件、有能量输入输出、应用、总水头线和测压管水头线4-5 动量方程推导、应用条件和方法、应用重点：能量方程及其应用，动量方程及其应用难点：能量方程、动量方程以及与连续性方程的联合应用。建议：对理想、实际流体运动微分方程的内容作一般介绍，指出方程的用途，即联立连续性方程理
13、论上可求解流场中每一点的速度和压强，对学生不作要求。二、教学要求1 理解能量方程各项的意义2 熟练掌握能量方程、动量方程及与连续性方程的联合应用。三、教学实验1 实验名称: 能量方程实验2 实验内容：验证能量方程、分析各种能头的转化、绘制测压管水头线及总水头线。3 实验要求：掌握各种能头的测定，掌握测压管水头线及总水头线的绘制方法。第五章 流动阻力和能量损失（13 学时）一、教学内容5-1 两种流态和判别标准1 雷诺实验和两种流态2 流态判别标准5-2 边界层与边界层分离现象简介1 边界层的基本概念2 平板上的边界层和曲面上的边界层分离现象3 绕流运动5-3 流动阻力与能量损失的关系1 沿程阻
14、力和沿程损失2 局部阻力和局部损失5-4 层流运动1 层流运动的流速分布2 层流的沿程损失5-5 紊流运动1 紊流运动的分析方法 2 紊流阻力3 紊流速度分布5-6 紊流沿程阻力系数1 尼古拉兹实验2 莫迪图3 紊流沿程阻力系数的计算公式5-7 局部阻力1 突然放大处的局部损失2 局部阻力系数和减阻措施简介重点：雷诺数，尼古拉兹实验，紊流的阻力系数，沿程损失，局部损失。难点：紊流流速分布和紊流阻力分析。建议：5-2 边界层与边界层分离现象简介、5-5 紊流运动两节的内容略讲。二、教学要求1 知道雷诺实验过程，了解层流与紊流流态的特点，熟练掌握流态判别标准。2 知道边界层理论。3 理解流动阻力的
15、两种形式，掌握沿程损失和局部损失的计算方法。4 了解圆管中层流运动的流速分布，熟练掌握层流沿程损失的计算公式。5 知道紊流运动的分析方法，知道摩阻速度。6 理解尼古拉兹实验，了解莫迪图，掌握阻力系数的确定方法，会使用阻力系数计算公式解决工程问题。7 掌握管道流动中局部阻力计算方法，知道局部阻力减阻措施。三、教学实验实验 1 1 实验名称：雷诺实验2 实验内容：观察液体运动的两种流态-层流和紊流现象，加深对基本特征的认识。3 实验要求：观察液体运动的两种流态，测定临界雷诺数。实验 2 1 实验名称：沿程损失实验2 实验内容：测定沿程阻力系数，绘制阻力系数与雷诺数的关系曲线。3 实验要求：学会流量
16、的量测，掌握沿程阻力系数的测定方法。第六章 孔口、管嘴和有压管流（6 学时）一、教学内容6-1 孔口出流1 孔口的基本概念2 孔口自由出流3 非全部收缩与全部收缩，完善收缩与不完善收缩4 孔口淹没出流6-2 管嘴出流1 圆柱形外管嘴出流2 其它类型管嘴出流简介6-3 短管的水力计算1 短管自由出流2 短管淹没出流3 实际工程问题中的短管计算：虹吸管、水泵水力学计算6-4 长管的水力计算1 简单长管的水力计算2 串联管路3 并联管路6-5 管网计算基础1 枝状管网2 环状管网6-6 有压管流中的非恒定流1 水击现象2 直接水击和间接水击重点：恒定流孔口出流、管嘴出流，短管、长管水力计算。难点：短
17、管水力计算。建议：环状管网、水击现象、直接水击和间接水击的内容只强调基本概念。二、教学要求1 理解孔口自由、淹没出流的概念，掌握恒定流孔口出流的计算方法。2 了解管嘴出流。3 熟练掌握短管水力计算和相关工程问题的计算方法。4 掌握长管水力计算。5 知道枝状、环状管网计算过程。6 了解水击发生的条件，知道有压管流中水击过程。第七章 明渠恒定流 （8 学时）一、 教学内容 7-1 明渠的分类1 棱柱型渠道与非棱柱型渠道2 顺坡、平坡和逆坡渠道 7-2 恒定均匀流特征1 恒定均匀流水力特征2 恒定均匀流产生条件 7-3 恒定均匀流基本公式1 谢才（Antoine Chezy）公式2 曼宁(Rober
18、t Manning) 公式3 巴甫洛夫斯基(H. H. a ) 公式 7-4 明渠水力最优断面和允许流速1 水力最优断面2 渠道的允许流速 7-5 恒定均匀流水力计算基本问题1 验算渠道的输水能力2 确定渠道底坡3 确定渠道断面尺寸 7-6 无压圆管均匀流的水力计算。1 无压圆管的水力要素2 无压圆管均匀流水流特征3 无压圆管均匀流的水力计算问题 7-7 恒定非均匀流产生条件及其特征1 恒定非均匀流产生条件2 恒定非均匀流水流特征 7-8 明渠非均匀流的若干概念1 急流、缓流、临界流及其判别标准2 断面比能3 临界水深 7-9 水跃1 水跃现象2 水跃的基本方程3 水跃函数图示4 共轭水深的计
19、算5 水跃的能量损失与长度的计算 7-10 明渠恒定非均匀渐变流的水面曲线1 明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程2 棱柱型渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线定性分析3 明渠恒定非均匀流渐变流水面曲线计算（分段求和法）重点：无压恒定均匀流特征、断面单位能量、临界水深、急流、缓流、临界流的概念及判别标准、明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程、水面曲线定性分析。难点：非均匀渐变流的基本微分方程、水面曲线定性分析。建议：水力最优断面、水跃的内容只讲基本概念。二、 教学要求1 了解明渠的分类，理解棱柱型渠道与非棱柱型渠道、顺坡、平坡和逆坡渠道的概念。2 掌握明渠恒定均匀流特征及产生条件。3 掌握谢才公式、曼宁
20、公式，知道巴甫洛夫斯基公式。4 知道水力最优断面和允许流速。5 熟练掌握渠道输水能力水力计算，会确定渠道底坡和渠道断面尺寸。6 了解无压圆管均匀流水流特征，会进行无压圆管的水力计算。7 理解明渠恒定非均匀流特征及产生条件。8 理解断面单位能量、临界水深，掌握急流、缓流、临界流及其判别标准。9 了解水跃现象、水跃的基本方程、水跃函数图示，知道水跃的能量损失与长度计算方法。10 知道明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程，会水面曲线定性分析。第八章 堰流（6 学时）一、教学内容 8-1 堰流的定义及其分类薄壁堰、实用堰、宽顶堰 8-2 堰流的基本公式1 堰流的基本公式的建立。2 堰流量系数及其影响因素
21、。 8-3 薄壁堰三角堰、矩形堰、梯形堰流量公式 8-4 宽顶堰1 自由式无侧收缩宽顶堰2 淹没式无侧收缩宽顶堰3 侧收缩宽顶堰 8-5 小桥孔径的水力计算1 小桥孔径水力计算公式2 小桥孔径水力计算原则重点：宽顶堰水流特征、小桥孔径的水力计算。难点：宽顶堰水流特征及水力计算原则，影响过流能力系数的选择。二、教学要求1 了解堰流的定义及其分类。2 掌握堰流的基本公式。3 知道三角堰、矩形堰、梯形堰流量公式。4 理解宽顶堰水流特征，掌握形成淹没式宽顶堰的充分、必要条件。5 理解小桥孔径水力计算原则。三、教学实验1 实验名称：堰流实验2 实验内容：测定无侧收缩非淹没宽顶堰流量系数，观察宽顶堰水流现
22、象及淹没式宽顶堰的淹没过程。3 实验要求：观察、总结宽顶堰水流特征，学会水位量测技术，掌握流量系数测定方法。第九章 渗流 （4 学时）一、 教学内容 9-1 渗流基本定律1 渗流模型2 达西渗流定律3 渗流系数 9-2 地下水的均匀流和非均匀渐变流1 杜比（J.Dupuit）公式2 渐变渗流基本微分方程3 渐变渗流浸润线 9-3 集水廊道和井1 集水廊道2 潜水井（无压井）3 大口井4 自流井（承压井）5 井群 应用势流叠加原理，计算降低基坑中的地下水位 9-4 应用流网解渗流问题1 经透水层渗入下游的流量2 作用在基底上的浮托力的分布重点：达西定律、恒定渐变渗流的杜比公式。大口井、井群（基坑
23、）的水力计算。难点：井群（基坑）的水力计算。二、教学要求1 了解渗流模型，理解渗流达西定律，2 理解非均匀渐变渗流断面流速均匀分布（杜比公式） ，知道渐变渗流基本微分方程，知道浸润面的概念。3 掌握大口井、井群（基坑）的水力计算。第十章 量纲分析和相似原理（4 学时）一、教学内容10-1 量纲分析1 量纲和谐原理2 定理10-2 相似原理1 几何相似2 运动相似3 动力相似10-3 相似准则1 重力相似准则2 粘性力相似准则3 压力相似准则10-4 相似原理的应用1 模型律的选择2 模型的设计重点：量纲分析法，相似原理，相似准则。难点：量纲分析法。二、教学要求1 理解流体力学中的量纲和谐原理，知道定理内容。2 理解几何、运动、动力相似之间的关系，了解牛顿相似原理。3 理解弗汝德准则、雷诺准则，会弗汝德准则的应用。4 知道模型设计过程。
