流体力学
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spContent=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。
—— 课程团队
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。

课程大纲

一、 绪论

1.1 流体的定义

1.2 流体力学的范围

1.3 流体力学的基本定律

1.4 分析方法

1.5 解题步骤和方法

1.6 量纲和单位制

1.7 小结

二、基本概念

2.1 连续介质模型

2.2 速度场

2.3 一维、二维和三维流动

2.4 均匀流动和均匀流场

2.5 迹线、脉线和流线

2.6 应力场

2.7 牛顿型流体:粘性

2.8 非牛顿流体

2.9 流体运动的描述和分类

2.10 小结

三、流体静力学

3.1 流体静力学基本方程

3.2 标准大气压

3.3 绝对压强和表压

3.4 静止液体对平板的作用力

3.5 静止液体对曲面的作用力

3.6 浮力和稳定性

3.7 非惯性坐标系中的静止液体力

3.8 流体静力学基本方程式的应用

3.9 小结

四、控制体积分形式的基本方程

4.1 系统的基本方程

4.2.1 输运公式:基本公式

4.2.2 输运公式:公式推导

4.3 质量守恒方程

4.4 惯性控制体的动量方程

4.5 直线加速的控制体的动量方程

4.6 任意加速运动的控制体的动量方程

4.7 伯努利方程的应用

4.8.1 积分形式的动量矩定理:欧拉涡轮方程

4.8.2 积分形式的动量矩定理:透平机械

4.8.3 积分形式的动量矩定理:旋转控制体积分形式方程

4.9 惯性控制体的热力学第一定律

4.10 惯性控制体的热力学第二定律

4.11 小结

五、流体运动的微分分析法简介

第五章小测验

5.1 场概念

5.2 连续性方程

5.3.1 流体微元的运动:旋转运动

5.3.2 流体微元的运动:速度势

5.4 动量方程

5.5 小结

六、不可压缩无粘流动的流体动力学

6.1 无粘流动的应力场

6.2 无摩擦流动的动量方程:欧拉方程

6.3 流线坐标中的欧拉方程

6.4.1 欧拉方程沿流线积分:伯努利方程推导

6.4.2 欧拉方程沿流线积分:伯努利方程应用

6.5 静压强、滞止压强和动压强

6.6 热力学第一定律与伯努利方程的关系

6.7 无旋流动的伯努利方程

6.8 非定常流动的伯努利方程

6.9 小结

七、旋涡的基本理论

7.1 旋涡的基本概念

7.2 开尔文速度环量定理

7.3 亥姆霍兹(Helmholtz)定理

7.4 旋涡的诱导速度

7.5 二元旋涡的速度分布和压强分布

7.6 小结

八、量纲分析与相似原理

8.1 相似概念

8.2 量纲与量纲齐次性

8.3 量纲分析与瑞利法

8.4 量纲分析与π定理

8.5 流动相似

8.6 动力相似准则

8.7 常用的相似准则数

8.8 相似准则的选择

8.9 小结

九、粘性流体管内流动

9.5 流体在圆管中的层流流动

9.6 流体在圆管中的湍流流动

9.7 湍流沿程损失系数的实验研究

9.8 局部损失系数

9.9 孔口出流

9.10 管嘴出流

9.11 管道的水力计算

9.12 有压管道的水击(水锤)

9.13 小结

9.0 粘性流体管内流动-引言

9.1 粘性流体中的基本分析

9.2 不可压缩粘性流体的运动微分方程

9.3 粘性流体的两种流动状态

9.4 管内流动的两种阻力损失

十、粘性流体绕物体的流动

10.1 边界层概念

10.2 层流边界层的微分方程

10.3 边界层动量积分方程

10.4 平板层流边界层的计算

10.5 边界层排挤厚度和动量损失厚度

10.6 平板湍流边界层的计算

10.7 平板混合边界层

10.8 曲面边界层及边界层分离现象

10.9 物体在流体中运动的阻力

10.10 直均流绕圆柱体的运动

10.11 圆球在流体中运动的阻力

10.12 小结

十一、可压缩流体流动基础

11.1 气体的基本性质

11.2 微弱扰动的一维传播

11.3 气体一维定常流动的基本方程

11.4 气流的参考状态

11.5 变截面的等熵流动

11.6 小结

预备知识

微积分》、《工程热力学》、《材料力学》、《理论力学》、《大学物理》

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、参加期末考试。

课程学习成绩由两部分构成:

1)过程考核(测验、课后作业等):参与一定次数的课堂交流讨论;完成课后各章节作业、测验,考核作业完成的质量。过程考核占20%

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80%

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。


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


常见问题

无。