《流体力学》课程教学大纲88学时Word文档格式.docx

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水力学是根据经典力学的普遍规律，结合流体的特性，运用理论分析和实验研究相结合的方法建立和发展起来的。

学习水力学的先修课程是高等数学和基础力学。

作为一门专业基础课，水力学将为学习给水工程、排水工程等多门专业课阐释必要的水力学原理，并为从事专业技术工作创造条件。

二、课程教学内容及要求

第一章绪论

教学内容：

水力学的研究对象；

质量力和表面力的作用方式，单位质量力和应力；

流动性、惯性和重力特性、压缩性和膨胀性、粘性等流体的主要物理性质；

连续介质、理想流体及不可压缩流体模型。

基本要求：

本章是水力学的开篇，通过本章的学习，理解流体的基本特征，作用在流体上的力，以及流体的主要物理性质，初步认识水力学课程。

1．识记连续介质概念[1]，质量力和表面力的定义[1]，密度、容重及比重的定义[1]，压缩系数和膨胀系数的定义式[2]。

2．领会流动性的力学含义[2]，单位质量力和应力的概念[1]，粘性的物理概念[2]。

3．应用牛顿内摩擦定律计算粘性效应[1]；

液体压缩性的计算[2]。

重点：

密度、容重的区别与联系，牛顿内摩擦定律。

难点：

粘性及粘性力计算。

第二章流体静力学

流体静压强及其两个基本特性；

流体平衡微分方程的建立及其物理意义；

等压面及其基本特征；

重力作用下流体静压强的分布：

流体静力学基本方程及其意义；

流体相对平衡的典型例子；

压强的度量基准：

绝对压强和相对压强，真空度；

表示压强的三种单位：

应力单位、液柱单位、大气压单位及相互间的换算；

液柱式测压计；

作用于平面壁的静水总压力；

作用于曲面壁的静水总压力计算，实压力体和虚压力体，阿基米德原理。

通过本章的学习，理解流体静压强的特性，掌握流体静压强的分布规律和静水总压力的计算方法。

1．识记流体静压强的两个特性[1]，流体平衡微分方程及其全微分式[2]，流体静力学基本方程[1]，绝对压强、相对压强、真空度的定义[1]，标准大气压和工程大气压[2]，帕斯卡原理[3]，等压面的方程及形状[1]，静水总压力的计算公式[1]，压力体的确定[2]，阿基米德原理[2]。

2．领会流体平衡微分方程的物理意义[2]，静止和相对平衡情况下压强分布积分式的建立[2]，测压管水头的物理意义[2]，液体压力计的测压原理[1]，计算平面壁、曲面壁所受静水总压力的原理[1]。

3．应用流体静力学基本方程计算点压强[1]；

应用液柱式测压计测量压强和压强差[1]。

4．应用流体平衡微分方程计算相对平衡时的压强分布[2]；

计算作用于平面壁的静水总压力及其作用点[1]；

计算曲面所受静水总压力的水平分力和铅垂分力[2]。

应用流体静力学基本方程计算点压强，静水总压力计算。

相对平衡时的压强分布。

第三章流体动力学基础

教学内容:

描述流体运动的两种方法；

流动分类；

流线、元流、总流、流量、断面平均流速等欧拉方法中的若干概念；

有旋流与无旋流，平面势流；

连续性微分方程、总流连续性方程；

理想流体、粘性流体的运动微分方程；

元流能量方程及其应用；

渐变流及其性质；

总流能量方程及其扩展；

总流能量方程的应用；

动量方程及其应用。

基本要求:

通过本章的学习，理解描述流体运动的两种方法，理解欧拉法的基本概念，建立总流运动的三个基本方程：

连续性方程、能量方程和动量方程，熟练掌握综合运用三个基本方程计算总流运动的方法。

1.识记欧拉法描述流体运动的一般表达式[3]，恒定流、均匀流、一元流[2]，流量和断面平均流速的概念[1]，无旋流条件[2]，连续性方程的各种表达式[1]，理想流体、粘性流体运动微分方程的表达式[2]，元流、总流能量方程的表达式及渐变流性质、动能修正系数[1]，动量方程表达式及动量修正系数[1]。

2.理解当地加速度和迁移加速度[2]，流线及其性质[2]，平面势流的流函数和势函数[2]，各微分方程的物理意义[3]，总流三大方程的物理意义、应用条件、方程扩展及应用注意事项[1]。

3．平面势流的流函数、势函数和流速的互算[2]；

应用连续性方程计算断面平均流速和流量[1]；

应用元流能量方程计算沿流线流速和压强的变化[1]，皮托管测点流速[2]。

4．应用总流能量方程及连续性方程分析计算总流运动问题[1]；

文丘里流量计测管道流量[1]；

应用总流动量方程及连续性方程、能量方程分析计算水流与周界之间的相互作用力[1]。

应用总流能量方程及连续性方程分析计算总流运动问题。

平面势流的流函数和势函数。

第四章相似原理与量纲分析

力学相似的含义，几何相似、运动相似及动力相似，相应物理量的比尺；

雷诺准则、弗劳德准则、欧拉准则；

模型律的选择，自动模拟的概念；

模型试验的设计；

量纲、无量纲量、量纲和谐原理；

量纲分析的瑞利方法；

π定理与布金汉量纲分析法。

通过本章的学习，理解相似概念和主要的相似准则，理解量纲的概念和量纲和谐原理，熟悉模型试验的设计和量纲分析方法。

1．识记力学相似的含义[2]，各独立准则和导出准则[2]，各相似准数的表达式[1]，基本量纲和导出量纲[2]，量纲和谐原理[2]，两种量纲分析法的应用步骤[2]。

2．领会各相似准数的物理意义[2]，模型试验完全相似的困难和模型律选择的原则[1]，自动模拟[2]，物理量的无量纲组合[1]，量纲分析法的局限性[2]。

3．按雷诺模型律或弗劳德模型律设计模型试验[1]；

应用瑞利法或布金汉法建立物理现象的方程式结构[1]。

按雷诺模型律或弗劳德模型律设计模型试验。

第五章流动阻力和水头损失

流动阻力和水头损失的两种形式；

层流、紊流、雷诺数；

均匀流动基本方程式；

圆管过流断面上的切应力分布；

圆管层流运动的理论分析及主要结论；

紊流运动的基本特征及时均法；

紊流切应力与混合长度理论；

圆管紊流的一些结论；

尼古拉兹实验与沿程阻力系数的计算；

非圆管的沿程水头损失计算；

局部水头损失的一般分析及几种典型的局部阻力系数；

边界层概念及绕流阻力。

通过本章的学习，理解粘性流体的两种流态，理解通道内流动阻力的规律，掌握沿程水头损失和局部水头损失的计算方法。

了解边界层概念及绕流阻力。

1．水头损失的分类和一般表达式[1]，雷诺数[1]，均匀流动基本方程[2]，圆管断面切应力的线性分布[2]，圆管层流的断面流速分布、断面平均流速、沿程阻力系数等结论[1]，紊流运动的掺混与脉动现象[3]，紊流阻力分区及各区沿程阻力系数的影响因素[2]，谢才公式[2]，当量直径[2]，突然扩大、管道直角进口、管道出口的局部阻力系数[1]，绕流阻力的一般表达式[2]。

2．层流、紊流的特征及判别[2]，圆管层流的理论分析方法[2]，紊流运动时均化的意义[3]，紊流附加切应力与混合长度理论[3]，水力光滑与水力粗糙[2]，处理非圆管水头损失计算的方法[2]，局部水头损失产生的原因[2]，边界层特征及曲面边界层的分离现象[2]，绕流阻力系数的变化规律[3]。

3．圆管层流的水力计算[1]；

应用莫迪图或经验公式确定紊流的沿程阻力系数[1]；

应用达西公式、谢才公式计算沿程水头损失[1]；

局部水头损失计算[1]；

绕流阻力计算[2]。

4．沿程水头损失、局部水头损失结合能量方程的水力计算[1]。

计算沿程水头损失、局部水头损失。

紊流切应力与混合长度理论。

第六章孔口管嘴出流和有压管流

孔口出流的分类、水力特点及基本公式；

薄壁小孔口恒定出流的流速系数、流量系数；

孔口非恒定出流；

管嘴出流的水力特点、基本公式、流量系数；

圆柱形外管嘴的真空现象和正常工作条件；

闸孔出流的水力特点和流量公式；

短管的水力特点、典型短管的水力计算；

长管的水力特点；

简单管道水力计算的比阻法、流量模数法；

串联管路、并联管路的水力计算；

沿程均匀泄流管路的水头损失；

管网的水力计算基础；

有压管路的水击现象和水击压强的计算；

离心泵的主要性能参数。

通过本章的学习，学会运用总流运动基本方程和流动阻力与水头损失的理论，分析孔口管嘴出流、闸孔出流及有压管流，掌握其水力特点和计算方法。

了解水击现象。

1．识记孔口管嘴出流、闸孔出流的基本公式和流量系数[1]，长管、短管的水力特点[2]，简单管道的比阻法、流量模数法计算公式[1]，沿程均匀泄流管路的水头损失计算公式[2]，水击现象和直接水击压强的计算公式[3]，离心泵的主要性能参数[2]。

2．自由出流和淹没出流的比较[2]，孔口和管嘴过流能力的比较[2]，圆柱形外管嘴的真空现象和正常工作条件[1]，串联管路、并联管路的流量规律和水头损失规律[1]，枝状管网的控制点选择[2]，环状管网的基本关系式[2]，水击波的传播过程[3]。

3．孔口出流的水力计算[1]；

管嘴出流的水力计算[1]；

闸孔出流的水力计算[1]；

水击压强的计算[2]。

4．虹吸管、水泵吸水管、有压涵管等典型短管的水力计算[1]；

串联管路、并联管路的水力计算[1]；

管网的水力计算[2]。

串联管路、并联管路的水力计算。

环状管网的水力计算。

第七章明渠均匀流

明渠流动的特点；

顺坡、平坡和逆坡渠道；

棱柱形渠道和非棱柱形渠道；

明渠均匀流产生的条件和特征；

明渠均匀流的基本计算公式；

水力最优断面和允许流速；

明渠均匀流水力计算的三类问题：

验算渠道的输水能力，求渠道底坡，设计渠道断面尺寸；

无压圆管均匀流的水力特征和水力计算问题；

无压圆管均匀流的最大设计充满度和允许流速；

复式断面明渠均匀流的水力计算。

通过本章的学习，理解明渠均匀流产生的条件和特征，掌握明渠均匀流水力计算的方法。

1．明渠均匀流产生的条件和特征[2]，明渠均匀流的基本计算公式[1]，矩形、梯形断面水力要素的计算和水力最优条件[1]，水力最优梯形断面的水力半径[1]，不淤允许流速和不冲允许流速[2]，无压圆管均匀流的基本公式[2]。

2．领会设计渠道断面尺寸的补充条件[2]；

无压圆管均匀流的水力最优充满度[2]，无量纲流量、流速曲线[2]；

复式断面明渠均匀流的水力计算方法[2]。

3．明渠均匀流水力计算的三类问题：

验算渠道的输水能力，求渠道底坡，设计渠道断面尺寸[1]；

无压圆管均匀流的水力计算问题[2]。

梯形断面渠道的三类计算问题。

无压圆管均匀流的水力特征和水力计算问题。

第八章明渠非均匀流

明渠非均匀流的特征，壅水现象和降水现象；

明渠水流的三种流态和弗劳德数；

断面比能及其随水深的变化；

临界水深和临界坡度；

水跌现象；

水跃现象及水跃基本方程，水跃函数，共轭水深、水跃长度、水跃能量损失的计算；

明渠渐变流微分方程；

明渠渐变流水面曲线分析，12种水面曲线型式及工程实例；

水面曲线的连接，水跃连接的三种形式；

明渠渐变流水面曲线计算的数值积分法和分段求和法。

通过本章的学习，理解明渠水流的三种流态，以及断面比能、临界水深、临界坡度等基本概念。

了解水跃和水跌现象。

掌握棱柱形渠道恒定渐变流水面曲线的分析和计算。

1．识记断面比能[1]，临界水深[1]，临界坡度[2]，弗劳德数[1]，缓流、急流、临界流的特征[1]，缓坡、急坡、临界坡的界定[2]，水跃现象与水跌现象[2]，水跃方程与共轭水深[2]，明渠渐变流微分方程[2]，12种水面曲线的形状[2]，远驱式水跃、淹没式水跃、临界式水跃连接[2]。

2．断面比能随水深的变化[1]，临界水深的决定因素[2]，三种流态的各种判别方法[1]，水跃函数曲线[2]，明渠渐变流水面曲线的性质及定性分析方法[1]，水面曲线的连接[1]，水面曲线计算的数值积分法和分段求和法的原理[2]。

3．应用各种方法判别明渠流态[1]；

水跃的简单计算[2]。

4．应用明渠渐变流微分方程定性分析水面曲线的形状和变化趋势[1]，在给定渠道中定性绘出水面曲线[1]；

应用数值积分法和分段求和法计算水面曲线[2]。

棱柱形渠道恒定渐变流水面曲线的分析和计算。

棱柱形渠道恒定渐变流水面曲线的分析。

第九章堰流

堰流的水力特点和主要特征量；

堰流的分类；

堰流基本公式；

矩形薄壁堰的流量公式及流量系数计算，淹没标准及淹没系数；

三角堰、梯形堰的流量；

实用堰流量公式及流量系数，淹没标准及淹没系数；

宽顶堰流动图形和流量基本公式，流量系数，淹没标准及淹没系数，侧收缩系数；

水工建筑物下游的水流衔接与消能。

通过本章的学习，理解堰流的水力特征，堰流的基本公式，以及淹没、侧收缩对过流能力的影响。

掌握各种堰型的应用特点和水力计算方法。

1．识记堰流的水力特点和主要特征量[1]，堰流的分类[1]，堰流基本公式[1]，矩形薄壁堰的流量公式[1]，实用堰流量公式[1]，宽顶堰流动图形和流量基本公式、淹没条件[1]，水工建筑物下游的水流衔接与消能方式[2]。

2．领会各种堰型的溢流情况[2]，流量系数的比较[2]，淹没影响和侧收缩影响[2]。

3．应用薄壁堰测量流量[1]；

实用堰、宽顶堰的水力计算[2]；

消力池的水力计算[3]。

堰流的水力特征，堰流的基本公式。

消力池的水力计算。

第十章渗流

渗流的水力特点、渗流模型、渗流分类；

渗流达西定律及适用范围；

渗透系数的确定；

渐变渗流的裘皮衣公式、基本微分方程、浸润曲线分析；

集水廊道、完全潜水井的浸润线方程和产水量公式；

完全自流井的水头线方程和产水量公式；

井群的浸润面方程。

教学要求：

通过本章的学习，理解渗流的基本概念和阻力规律，掌握渐变渗流浸润线的计算和汲水建筑物水力计算的方法。

1．识记孔隙率[1]，渗流模型[1]，达西定律及适用范围[1]，渗透系数的确定[2]，裘皮衣公式[1]，渐变渗流的基本微分方程和浸润曲线的四种形式[1]，集水廊道、完全潜水井的浸润线方程和产水量公式[2]，完全自流井的水头线方程和产水量公式[2]。

2．渗流模型与实际渗流的比较[2]；

达西定律和裘皮衣公式的区别[2]；

浸润曲线分析[2]。

3．渐变渗流浸润线的计算[1]；

集水廊道、井和井群的水力计算[2]。

达西定律，浸润曲线分析。

浸润曲线分析，井群的浸润面方程。

三、课程教学基本要求

1.课堂讲授

本课程教学以课堂讲授为主。

对要求掌握和理解的内容比较详细地讲解，对要求简单了解的教学内容粗讲或课后自学。

课堂讲授过程中穿插讨论、课堂练习等教学手段。

2.作业

本课程为专业基础必修课，可安排6~8次作业，每次作业的题目数量控制在5~12题。

题目的形式主要为检查对概念、现象理解的思考题及对一些重点问题的应用计算题。

3.实验

课程实验可安排4~5次，具体内容见实践教学环节。

要求学生参考实验指导书进行实验的设计、数据处理和分析。

4.考核

本课程为考试课。

考核依据为闭卷笔试成绩与平时作业成绩相结合。

考试题目形式主要有选择题、填空题、简答题和计算题。

四、实践教学环节（实验）

实验是学习水力学课程的重要环节。

实验以观察流动现象，加深对理论的认识为主要目的，并初步了解压强、流速、流量的常规测量方法。

实验内容如下：

1.静水压强测量

2.能量方程验证

3.沿程阻力系数和局部阻力系数测定

4.水跃和宽顶堰实验