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SPOC学校专有课程
工程流体力学
第1次开课
开课时间: 2020年09月13日 ~ 2020年12月30日
学时安排: 3-5小时每周
当前开课已结束 已有 74 人参加
老师已关闭该学期,无法查看
spContent=望长空,风起云动,看大地,潮兴波涌。 流体运动作为一种物理现象,普遍存在于自然界中。因为大气运动,才有风雨雷电;因有潺潺流水,方能万木葱茏。鱼翔浅底,譍击长空,砥柱中流,浪遏飞舟,皆因流动。因为流动,船舶得以航行,飞机得以升空,凡此种种,流动给我们以便利。但是,狂风海啸也给我们以惶恐。格物致知,趋利避害,理论先导,其力无穷! 古有大禹治水、李冰修建都江堰,今有空客翱翔、嫦娥奔月,都是人类在认识自然改造自然的过程中,利用流体运动规律而创造的智慧的结晶。帕斯卡、牛顿、欧拉、伯努利、纳维、斯托克斯、普朗特等无数大家先贤为我们奠定了质量守恒、动量守恒、能量守恒三大定律基础,进而实现了航天飞行、水力发电、气力输送、液压传动。流体运动是科学技术领域的重大问题,广泛应用于气象预报、航天航空、水利工程、能源动力、船舶与车辆设计、冶金化工、机械传动、仪器仪表、体育运动研究等科技领域之中。
望长空,风起云动,看大地,潮兴波涌。 流体运动作为一种物理现象,普遍存在于自然界中。因为大气运动,才有风雨雷电;因有潺潺流水,方能万木葱茏。鱼翔浅底,譍击长空,砥柱中流,浪遏飞舟,皆因流动。因为流动,船舶得以航行,飞机得以升空,凡此种种,流动给我们以便利。但是,狂风海啸也给我们以惶恐。格物致知,趋利避害,理论先导,其力无穷! 古有大禹治水、李冰修建都江堰,今有空客翱翔、嫦娥奔月,都是人类在认识自然改造自然的过程中,利用流体运动规律而创造的智慧的结晶。帕斯卡、牛顿、欧拉、伯努利、纳维、斯托克斯、普朗特等无数大家先贤为我们奠定了质量守恒、动量守恒、能量守恒三大定律基础,进而实现了航天飞行、水力发电、气力输送、液压传动。流体运动是科学技术领域的重大问题,广泛应用于气象预报、航天航空、水利工程、能源动力、船舶与车辆设计、冶金化工、机械传动、仪器仪表、体育运动研究等科技领域之中。
—— 课程团队
课程概述

     ●课程简介

    流体力学,作为解释和研究流体运动基本规律的学科,形成和发展于人类认识自然、改造自然的过程中。工程流体力学,侧重于研究解决工程技术中的流动规律及其力学作用。它以质量守恒、动量守恒、能量守恒三大基本定律为基础,解决工程技术中面临的运动受力、流动测量、阻力计算、流体输送等工程实际问题,因此广泛应用于气象预报、航天航空、水利工程、能源动力、船舶与车辆设计、冶金化工、机械传动、仪器仪表、体育运动研究等科技领域之中。

    通过本课程的学习,引导学生理解和掌工程流体力学的基本知识、基本原理和最新进展,培养学生解决工程流体力学实际问题的能力,初步了解计算流体力学的思路和方法,培养学生的多维度、创新性和批判性思维能力。并为后续课程的学习及日后从事与炉窑热工、制冷与空调、动力机械、检测与控制技术等相关的研究、设计与管理工作打下良好基础。

    核心理念

(1)探索以学生为中心的适应度:重点关注如何实现学生是学习本课程的主动执行者而教师只是学习的推动者和引导者的教学理念;如何在教学中采用线上、线下混合的教学方式,以实现师生全方位、多维度互动;混合式教学是否有利于培养学生的思辨能力、批判性思维和解决实际问题的能力;高度关注如何实施教学全过程的形成性评价及其有效性。

(2)探索实施以产出为导向的教学模式:对本课程的有效性,评估以教学效果和教学目标的达成等为导向的教学理念的有效性及可操作性。

(3)探索如何对本课程的混合式教学实施持续改进:探索推动持续改进的有效性以及如何基于有效的内部和外部反馈的两个闭环提升教学质量。

    ●课程特色

    本课程以“提出问题-分析问题-简化求解-扩展应用”为教学思想,围绕流动问题的理论分析、数值计算和实验研究三大求解思路,系统地讲述流体基本性质、流体静力学、理想流体一元及二元流动、粘性流体层流运动、湍流简析、量纲分析与相似原理、计算流体力学基础等内容,同时注重将理论应用于解决典型工程问题。讲解力求重点突出,深入浅出,活泼生动;重在激发学习兴趣,启迪思维,培养分析和解决问题的能力。

我们在本课程的教学中贯彻采用讲解式、启发式、提问式、互动式、探索式等方法构建“课堂+互联网+实践”三位一体的混合式教学模式,在讨论式教学和翻转课堂等方式中,增加课堂趣味性和学生参与度,促进学生经积极思考和争论,实现核心知识内化,提升学习实效性,引导学生通过信息检索获取最新的专业信息和数据资源,培养学生建立终身学习的习惯。




授课目标

   (1)熟练掌握流体静力学、流动阻力计算、粘性流动基础、气体的一元流动等知识,要求了解流动相似原理、流动测量与显示技术、理想流体动力学、激波、射流等内容,了解本学科的最新前沿进展

   (2)掌握基本流体力学知识,解决生活及工程中基本流动问题的能力;通过流体力学理论学习建立现代工程流体力学体系,同时通过实验环节提升学生工程分析能力,从而达到运用所学知识分析解决工程流体问题,达到培养学生解决复杂工程流动问题的能力。

   (3)通过课程的学习建立流体力学体系,提升工程应用素质。通过课程中的分析讨论辩论培养分析沟通交流素质。通过课外导学的模式,提升自主学习和终身学习的意识,形成不断学习和适应发展的素质。


成绩 要求

本课程对学生的学习评估和考核高度注意形成性评价和综合性全面评价。采用全过程考核与期中、期末考试相结合的方式,综合评价学生对课程教学内容的学习效果和对知识点的融会贯通,在整个课程的教学过程中实施形成性评价,综合学生在线上、线下教学活动中参与互动、讨论、回答问题、课堂测验、作业完成情况等表现及期中考试、期末考试等主要教学环节,全时段、动态地了解学生的学习情况和进展。

    其中,课堂互动占10%,线上线下课后大作业占10%,线上讨论参与度占5%,线上测试占15%,期中考试占20%,期末考试占40%。

以第19讲一氧化磷酸为例,本章节的学习考核为:

(1)线上线下课堂表现与互动(10%):主要考核学生在线下线上课堂的表现、参与程度、回答问题的能力、参与课堂讨论的积极性等。

(2)线上讨论参与和表现(5%):主要考核学生参与线上每周讨论主题的程度和知识掌握情况。

(3)线上线下作业(10%):考察各章节相关的作业完成情况。

(4)线上线下阶段测试(15%):线上主要以客观题为主,考试试题有选择、填空题、判断题等多种题型,线下有口试、笔试等方式。

(5)期中考试(20%)和期末考试(40%):传统的笔试,考试试题有单选题、多选题、填空题、简答题、论述分析题、计算题等多种题型。


课程大纲
绪论
课时目标:了解 “流体力学”发展简史,课程学习目的、意义与要求
1.1流体与流体力学概念
1.2知识体系与应用领域
1.3流体力学研究方法
1.4学习中应注意的问题
流体的基本性质
课时目标: 熟练掌握流体的基本性质:密度、粘性、连续介质假设、质量力和表面力, 深入理解粘性产生的原因及其影响因素,能运用牛顿内摩擦定律解决工程实际问题,了解表面张力与毛细现象产生的原因。
2.1流体的密度与可压缩性
2.2流体的分散性与连续介质假说
2.3流体的粘性与理想流体模型
2.4表面张力与毛细现象
2.5 流体的受力
流体静力学
课时目标: 理解静止流体的应力特征,熟练掌握静止流体的力平衡微分方程及静止液体的压强概念、分布及测量方法;能运用静止液体作用在壁面上的总压力解决工程实际问题。
3.1 静止流体中应力的特征
3.2 流体平衡的微分方程及其积分
3.3 重力场中静止流体压强分布规律及压强的测量
3.4 静止液体作用在平面上的总压力
3.5 静止液体作用在曲面上的总压力
3.6 液体的相对平衡
理想流体动力学基本方程
课时目标:了解描述流体运动的两种方法;掌握流体运动的基本概念:流线、迹线、流束、管流、过流截面;掌握连续性方程、理想流体运动微分方程、伯努利方程及动量方程的推导方法及其物理意义。
4.1 描述流体运动的两种方法
4.2 随体导数与流动分类
4.3 流体力学基本概念
4.4 连续性方程
4.5 理想流体运动微分方程
4.6 理想流体的伯努利方程
4.7 伯努利方程的扩展应用
4.8 动量方程与动量矩方程
4.9 动量方程与动量矩方程应用举例
不可压缩黏性流体一元流动
课时目标:理解流动阻力损失产生的原因,掌握管内湍流的沿程阻力系数和局部阻力系数的计算方法。了解圆管中层流流动分析和管内湍流的分区特征与速度分布。能运用粘性流体管内流动的伯努利方程解决工程实际问题。
5.1 黏性流体管内流动的伯努利方程及能量损失
5.2 黏性流体的两种流动形态
5.3 圆管中的层流
5.4 圆管中的湍流
5.6 沿程阻力系数
5.7 局部阻力系数
5.8 管路计算
5.9 工程实例分析
理想流体平面
课时目标:掌握流函数、势函数、有旋无旋、速度环量与涡量概念及有旋无旋判断方法,掌握基本的平面势流的复位势,了解有势流动叠加运算。
6.1 引言:理想流体微团运动分析
6.2 速度环量与涡量及速度势与流函数概念
6.3 关于速度势与流函数的求解
6.4 复位势及几种简单的平面流动的复势
6.5 简单有势流动的叠加
6.6 理想流体的漩涡运动
黏性流体运动方程及其基本解
课时目标:了解雷诺输运定理、亥姆霍兹定理、本构方程;掌握纳维—斯托克斯方程的推导方法及其意义;了解运动方程组的封闭性与定解条件及二维平面层流求解。
7.1 黏性运动的特征
7.2 雷诺输运定理与连续性方程
7.3 变形率张量与亥姆霍兹定理
7.4 黏性流体受力分析及动量方程
7.5 本构关系与纳维—斯托克斯方程
7.6 运动方程组的封闭性与定解条件
7.7 二维平面层流解
7.8 二维轴对称层流解
边界层流动
课时目标:了解边界层流动的基本特征、边界层运动方程及其相似性解、平板边界层的布拉修斯精确解、边界层积分方程解法。
8.1 导言
8.2 边界层流动的基本特征
8.3 边界层运动方程
8.4 平板边界层的布拉修斯精确解
8.5 边界层积分方程解法
湍流与湍流理论
课时目标:了解湍流的形成及特征、湍流运动基本方程、湍流模式理论。
9.1 湍流的形成与特征
9.2 湍流的描述方法
9.3 湍流模式理论
相似原理与量纲分析法
课时目标:掌握单位与量纲的概念及常用的相似准数;掌握量纲分析法;运用相似原理进行模型实验设计。
10.1 量纲与量纲分析法(1)-瑞利法
10.2 量纲分析法(2)- Π定理
10.3 相似理论与相关准则数
10.4 局部相似与量级分析法
计算流体动力学基础
课时目标:了解数值求解步骤及数值计算的基本方法。
11.1 计算流体动力学简介
11.2 CFD求解的一般步骤
11.3 实例分析
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预备知识

高等数学、大学物理

参考资料

1、《工程流体力学》,周乃君主编,机械工业出版社,2018

2、《工程流体力学》,莫乃榕主编,华中科技大学出版社,2003

3、《工程流体力学》,李玉柱贺五洲主编,清华大学出版社,2006 

4《流体力学(第三版)》,罗惕乾.北京:机械工业出版社,2007;

5、 流体力学(上、下册),周光迥等.(第二版),高等教育出版社



常见问题

1)如何描述流体的运动?

2)流体的质量守恒方程怎样表述?

3)如何根据牛顿第二定律导出流体的运动方程?

4)如何求解流体与固壁之间的相互作用力?  


源课程

该SPOC课程部分内容来自以上源课程,在源基础上老师进一步增加了新的课程内容

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张家元

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陈卓

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