《工程流体力学》教学大纲

 

课程类别：学科基础教育课程                  课程名称：工程流体力学

开课单位：能源动力工程学院                 课程编号：Y02160102

课程性质：必修        

总学时：32（实验4学时）                 学   分：2

适用专业：车辆工程                                            

先修课程：高等数学、大学物理、理论力学

大纲编写（修订）时间：2019年3月

一、课程在教学计划中地位和作用

《工程流体力学》是车辆工程专业学科基础教育课程。本课程以流体静力学、流体运动与动力学等基本理论为铺垫，结合黏性流体管内流动及绕流物体受力等工程实例分析，使学生获得从事相关学科研究工作所必须具备的基础理论知识，掌握研究汽车内外流场相关流动问题的基本方法和必要的实践技能，为后续专业课的学习和将来从事专业技术工作打下良好的基础。

二、课程目标

通过本课程的理论教学和实验教学，使学生具备以下能力：

1. 能够准确描述流体主要物理属性及其力学特性，并能运用流体力学基本控制方程建立简单流动问题的数学模型，对数学模型正确求解并获得流体运动及受力的基本物理参数。（支撑毕业要求1）

2. 能够运用雷诺定理对黏性流体流动状态进行分析判定，并能运用流体流动基本控制方程分析管路内部流动过程中流体各能量之间的相互转化及其能量损失。（支撑毕业要求2）

3. 能够对绕流物体受到的阻力进行分析并计算其阻力大小，并能运用FLUENT软件对汽车车身外流场进行仿真分析，计算出车身外围流场流速、压强分布及汽车受到的空气阻力系数。（支撑毕业要求4）

三、基本要求

1. 本课程为专业基础课，要求先修高等数学、大学物理和理论力学课程，学生基本掌握力学基础知识及微积分等数学分析方法，为流体受力及运动分析奠定基础。

2. 本课程通过仿真分析的方法加强学生对理论知识用于指导工程实际问题的分析研究能力，要求学生至少学会使用一种CFD仿真软件对简单流动问题进行仿真分析并指导优化设计。

3. 学生需完成课堂出勤、课后作业、仿真分析报告、实验及考试等各个环节。

四、课程内容及教学方法

本课程重点讲授的内容包括：静止流体内部的压强分布、静止流体对固体壁面的作用力、流体流动基本控制方程、管道内黏性流体流动的能量损失、黏性流体绕流时对物体作用力的分析计算等。

深度和广度说明：对流体运动过程的数学描述做简单介绍，对流体的作用力、流体运动过程流量的转换及流体力学在工程中的应用作深入讲解。

为了使学生更容易对理论知识有深入了解并提升学习兴趣，教师在讲解各重点内容时以问题驱动为指导方针，运用问题引导、实例分析、软件仿真等多种教学方法，借助多媒体等直观形象的教学方法，以进一步提升教学效果。

偏差说明：为了鼓励教师引入个人授课风格或者适应技术发展的紧迫性，本课程允许教师授课内容做适当调整，最大正偏差为10%，不允许负偏差。正偏差通过压缩同等内容的学时数来完成。特殊情况，最大正偏差和置换偏差累计可达到20%，但在开课前要申请专业责任人批准。（正偏差指大纲知识点不变，新增知识点；负偏差是大纲知识点减少；置换偏差是指大纲中部分知识点被其它类似知识点替换）。

 

第一章 流体的主要物理性质

1. 本课程在专业课程体系中的地位和作用

2. 课程内容、学习方法、讲授方式、评价方式

3. 流体力学发展史及工程流体力学的研究内容、研究方法和应用

4. 流体的定义、特征和连续介质模型

5. 作用在流体上的力和流体主要物理性质

重点：连续介质模型；牛顿内摩擦定律；作用在流体上的两种力。

第二章  流体静力学

1. 流体静压强及其特性

2. 流体平衡微分方程式及其物理意义，平衡流体内部压强的分布

3. 静止流体作用于固体壁面上的总压力

4. 静止流体作用在潜体和浮体上的浮力

5. 流体静压强的测量方法及原理

重点：平衡流体内部等压面及压强的分布和计算；静止液体对固体壁面的作用力。

难点：相对平衡状态流体内部的压强分布；静止液体对曲面的作用力。

第三章  流体流动基本方程

1. 描述流体运动的方法及分析过程

2. 连续性方程、动量方程、动量矩方程和能量方程的意义并能熟练应用

3. 伯努利方程的物理意义和几何意义，熟悉伯努利能量方程实验

4. 黏性流体总流伯努利方程及其工程应用

重点：流体流动基本控制方程的意义及应用；流体流动过程中能量的相互转换。

难点：黏性流体流动过程中能量的转换。

第四章  管流损失和水力计算

1. 不可压缩黏性流体的运动微分方程，熟练掌握黏性流体管内流动的能量损失

2. 黏性流体的两种流动状态，熟悉雷诺实验

3. 圆管中黏性流体的层流流动速度及切应力分布

4. 圆管中黏性流体的湍流流动结构及速度分布

5. 突扩管、突缩管、管接头等局部损失系数的计算

6. 管路流动的水力计算

重点：黏性流体管内流动能量损失分类与计算；黏性流体流动状态的判定；管路流动的水力计算。

难点：湍流流动中速度的分布；沿程损失系数的确定。

第五章  绕流物体的受力

1. 不可压缩流边界层的摩擦阻力

2. 不可压缩流沿光滑平板的边界层特性

3. 边界层的分离与压差阻力

4. 不可压缩流体作用在物体上的阻力

5. 汽车车身外部所受气体作用力的仿真分析

重点：流体作用在物体上的阻力的分类与计算；影响边界层分离及压差阻力的关键影响因素。

难点：边界层分离的形成。

五、实验内容

实验环节主要是验证性实验，学生熟悉能量方程及流体流态判断的基本原理，通过实验操作过程、实验现象观测及实验数据记录分析，验证并掌握伯努利能量方程及雷诺数对流态判断的物理意义。

4个学时共2个实验，每个实验开始需讲解实验要求，操作规程并进行实验指导，实验过程学生需按操作规程进行仪器操作、实验现象观测和记录、实验数据采集及记录等，学生课外完成数据分析及实验报告。

实验一  能量(伯努利)方程实验

实验内容：

1. 伯努利能量方程几何意义、物理意义的验证；

2. 定常流情况下，管道内流体能量损失及能量转换的分析；

3. 流体静压、动压与总压的测量与计算。

实验要求：

1. 定常流情况下，分析不同管道断面时水流位置水头、压强水头和速度水头的沿程转化规律；

2. 理解能量方程的物理意义及几何意义，依据所测水头数据验证伯努利能量方程的几何意义；

3. 测定不同流量下管道的测压管水头及总水头值，分析流体静压、动压与总压之间的关系。

实验二  雷诺实验

实验内容：

1. 验证雷诺数Re对黏性流体流动状态的判定；

2. 分析流动参数对流动状态的影响；

3. 不同流动状态流体流动特征的区分。

实验要求：

1. 调整流体流量，观察液体流动的两种流态（层流和湍流）的流动特征及其转换时的流体现象；

2. 运用雷诺数Re的计算，对实验所测数据进行计算，分析Re与流动状态之间的关系，验证下临界雷诺数对流动状态的判据标准。

六、学时分配

章节名称	讲授（学时）	实验（学时）	小计
第一章 流体的主要物理性质	2	0	2
第二章  流体静力学	4	0	4
第三章  流体流动基本方程	8	2	10
第四章  管流损失和水力计算	6	2	8
第五章  绕流物体的受力	8	0	8
合计	28	4	32

 

七、课程目标达成评价的途径和措施

(授课教师必须明确课程考核目标、考试形式、考察环节、各环节贡献率及相关支撑材料)

1. 考核目标：在考核学生对流体力学基本知识、基本原理和方法的基础上，重点考核学生的问题分析能力和研究能力。

2. 考核方式：作业、实验、仿真分析（分组）、期末考试。

各环节成绩评定占比%

 

八、教材、补充教材及参考资料

1. 《工程流体力学》（第四版），大连理工大学出版社，孙文策主编

2. 《工程流体力学》（第二版），高等教育出版社，禹华谦主编

3. 《流体力学及其工程应用》（第10版），机械工业出版社，E•约翰芬纳莫尔，约瑟夫B•弗兰兹尼主编

4. 《精通CFD工程仿真与案例实战》，人民邮电出版社，李鹏飞，徐敏义，王飞飞主编

九、课程目标对毕业要求的支撑

注：

1、成果关联度分：L、M、H；

2、需说明目标情况分解。

 

 

十、课程目标达成评价

各环节对课程目标达成评价所使用到的权重占比分配

 

采用达成值计算法，辅以对学生的问卷调查法。

达成值计算法结合上表权重分配，采用下表进行计算。大于0.60为达成。

单一课程目标达成度评价采用下式：

总的课程目标达成度评价采用下式：

以上公式中：

k表示不同的评价方式，i表示不同的课程目标。

表示第k中评价方式期末评价成绩平均分，均为百分制；

是第k种评价方式通过第i个课程目标反应在总的课程目标评分占比；

表示第k种评价方式对第i个课程目标百分占比；

表示第i个课程目标在课程总评价中的占比。

 

十一、课程目标达成评价结果用于持续改进

课程目标达成评价结果将用于后续教学过程的持续改进。

针对课程目标达成评价中发现的问题与不足，在本次授课总结中应由授课教师分析具体原因，并给出改进建议。后续任课教师应当针对以前的问题和建议，在授课计划中做好落实改进计划，并在授课计划中予以落实。