《工程流体力学》教学大纲
课程类别：学科基础教育课程 英文名称：Engineering Fluid Mechanics
开课单位：能源动力工程学院 课程编号：Y02160102
课程性质：学科必修
总学 时：32 实验：4 学 分：2
适用专业：新能源汽车工程
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6月
一、课程性质与教学目标
（一）课程性质与任务
《工程流体力学》是新能源汽车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仿真分析，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，使学生具备下列能力：
课程目标1：能够运用流体流动基本控制方程，识别流体流动问题的特征，建立相应流动问题的数学模型，合理解释流动现象的物理本质并对数学模型正确求解。（支撑毕业要求指标点1-1）
课程目标2：能运用雷诺定理对黏性流体流动状态进行分析判定，并能运用流体流动控制方程分析管路流动过程流体各能量的相互转化及流体的压力损失。（支撑毕业要求指标点2-1）
课程目标3：能运用FLUENT仿真软件对车身外流场进行模拟计算，并能够依据模拟结果对车身造型设计进行分析评价，具备运用流体力学理论解决复杂工程问题的能力。（支撑毕业要求指标点4-3）
二、课程内容、学时分配及对毕业要求指标点的支撑
章节 |
内 容 |
讲课 |
实验 |
小计 |
支撑课程目标 |
支撑的毕业要求指标点 |
第1章 |
1 流体的主要物理性质 1.1 流体的特征及连续介质模型；主要内容：气体、液体特征对比，连续介质假设的特点。 1.2 流体的基本概念；主要内容：流体密度相关的概念。 1.3 流体的压缩性和膨胀性；主要内容：流体压缩、膨胀特性及其计算。 1.4 作用在流体上的力；主要内容：质量力与表面力的分析与计算。 1.5 流体的黏性；主要内容：流体黏性的特征、定义及大小的计算。 重点：连续介质模型、作用在流体上的力的分析计算、牛顿内摩擦定律。 |
2 |
0 |
2 |
1 |
1-1 |
第2章 |
2 流体静力学 2.1 静止流体的压强特点；主要内容：绝对静止和相对静止状态流体内部压强的大小、方向特点。 2.2 静止流体平衡方程；主要内容：静止流体平衡方程、压差公式、等压面控制方程。 2.3 重力场中静止流体内部的压强；主要内容：压强的各种表示方式。 2.4 非惯性坐标系中的静止液体；主要内容：相对平衡状态流体内部压强分布计算分析。 2.5 静止液体对壁面的作用力；主要内容：静止液体对平面、曲面的作用力的分析计算。 2.6 流体静压强的测量；主要内容：测压计的测量原理。 重点：绝对静止、相对静止状态下流体内部压强的计算及分布规律； 静止液体对平面、曲面作用力的计算。 难点：实压力体和虚压力体的识别和区分。 |
4 |
0 |
4 |
1 |
1-1 |
第3章 |
3 流体流动的基本方程 3.1 流体流动基础理论；主要内容：描述流体流动的基本方法、概念； 3.2 连续方程；主要内容：连续方程在流体中的表示形式、意义及其应用； 3.3 动量方程；主要内容：动量方程在流体中的表示形式、意义及其用于对运动流体与壁面之间作用力的分析； 3.4 动量矩方程；主要内容：动量矩方程在流体中的表示形式、意义及其用于对运动流体与旋转部件、涡轮机械之间的作用力； 3.5 能量方程；主要内容：能量方程在理想流体和实际流体中的表示形式、意义及其用于对流体流动过程能量转换的分析计算。 重点：连续方程的数学表达式及其物理意义； 动量方程的数学表达式及其物理意义； 动量矩方程的数学表达式及其物理意义； 涡轮机械的基本方程； 伯努利方程的数学表达式及其物理、几何意义； 管流能量方程的数学表达式及其物理意义。 难点：欧拉法对运动流体的描述； 动量方程、能量方程在流体力学问题分析中的应用。 |
8 |
2 |
10 |
2 |
1-1、2-1 |
第4章 |
4 管流损失和水力计算 4.1 黏性流体流动状态；主要内容：黏性流体流动状态及其判定。 4.2 黏性流体流动过程能量损失；主要内容：黏性流体流动过程能量损失的两种类型及其计算。 4.3 黏性流体圆管内层流流动和湍流流动；主要内容：黏性流体圆管内层流、湍流流动截面处的流速和切应力分布规律。 4.4 沿程损失系数和局部损失系数；主要内容：损失系数的获取方法及相关计算。 4.5管道的水力计算；主要内容：运用能量损失相关原理对管道内流动损失进行分析计算。 重点：流体流动状态的判断； 沿程能量损失和局部能量损失的计算； 圆管内层流流动时流速、流量的分析计算； 用尼古拉兹曲线和莫迪图确定沿程损失系数； 简单管道、串联管道、并联管道、分支管道的水力计算。 |
6 |
2 |
8 |
2 |
2-1 |
第5章 |
5 绕流物体的受力 5.1 边界层基本特征及控制方程；主要内容：绕流物体外围流体边界层的特性及其控制方程的分析。 5.2 平板边界层的摩擦阻力计算；主要内容：平板绕流边界层内应力分布及平板所受摩擦阻力分析计算。 5.3 边界层分离及压差阻力；主要内容：流体绕曲面时边界层分离及绕流物体压差阻力的计算分析。 5.4外流场仿真计算与分析；主要内容：运用FLUENT软件对车身外流场进行仿真分析与评价。 重点：绕流流动中平板受到的摩擦阻力的计算； 绕流物体阻力的计算。 难点：运用FLUENT软件进行仿真分析。 |
8 |
0 |
8 |
3 |
4-3 |
合 计 |
|
28 |
4 |
32 |
|
|
三、本课程开设的实验项目
编号 |
实验项目名称 |
学时 |
类型 |
要求 |
支撑课程目标 |
支撑的毕业要求指标点 |
1 |
能量(伯努利)方程实验 |
2 |
验证性 |
必做 |
2 |
2-1 |
2 |
雷诺实验 |
2 |
验证性 |
必做 |
2 |
2-1 |
注：1.类型指验证性、综合性、设计性等。
2.要求指必做、选做。
实验一、能量(伯努利)方程实验
实验目的：伯努利能量方程几何意义、物理意义的验证；定常流情况下，管道内流体能量损失及能量转化的分析；流体静压、动压与总压的测量与计算。
实验原理：伯努利能量方程。
实验仪器：伯努利方程实验台。
实验安排：教师介绍伯努利方程实验台的构造，简要介绍伯努利能量方程原理及实验要求，进行操作演示；学生以3人一组，对实验指导书中要求的管路内流体流动参数进行记录分析。
实验报告要求：简述伯努利能量方程实验操作过程；记录实验时流体温度、流量等实验条件，将实验数据及结果以表格列出；运用实验数据对伯努利能量方程进行验证分析；例举一个伯努利方程应用的实例；写出实验的心得体会。
实验二、雷诺实验
实验目的：验证雷诺数Re对黏性流体流动状态的判定；分析流动参数对流动状态的影响；不同流动状态流体流动特征的区分。
实验原理：雷诺定理。
实验仪器：雷诺实验台。
实验安排：教师介绍雷诺实验台的构造，简要介绍雷诺实验基本原理及实验要求，进行操作演示；学生以3人一组，对实验指导书中要求的表征流体流动状态的流动现象进行记录分析。
实验报告要求：简述雷诺实验操作过程；记录实验时流体温度、流量等实验条件，将实验数据及结果以表格列出；运用实验数据对黏性流体流动状态判定准则进行验证分析；例举一个雷诺定理应用的实例；写出实验的心得体会。
四、达成课程目标的途径和措施
1、把握主线，引导学生掌握工程流体力学的相关概念、基本原理与方法的实际意义，利用管路流动、车身外流场分析等实际案例，帮助学生理解和掌握流体力学参数变化特征及其与壁面结构变化之间的关系，具备选择合适的方法对工程流体力学参数进行计算分析的能力；
2、采用多媒体教学手段，配合例题的讲解及适当的习题，保证讲课进度的同时，注意学生的掌握程度和课堂的气氛；
3、采用案例式教学，结合工程实际，进行流体力学参数的计算和分析，从而具备相关知识和方法的实际应用能力；
4、本课程有4个学时的实验，具体实验内容见“三、本课程开设的实验项目”。
五、考核方式
1.课程考核方式：课后作业、流场仿真作业（分组）、课内实验、期末考试。
2. 定量评价
本课程包含3个分课程目标，有4个考核方式，各考核方式对课程目标达成评价的权重占比分配如下：
表5.1 各考核方式对课程目标达成评价的权重占比分配
课程目标 |
分课程目标权重 （本列总和为1） ∑Pi=1 |
各考核方式评价比例分配 （每行总和为1） ∑Wik=1 |
各考核方式在课程目标达成中的占比 （所有行列总和为1）∑∑Sik=1 Sik=Pi×Wik |
课后 作业 |
实验 报告 |
流场仿真作业 |
期末 考试 |
课后 作业 |
实验 报告 |
流场仿真作业 |
期末 考试 |
1 |
0.25 |
0.5 |
0 |
0 |
0.5 |
0.125 |
0 |
0 |
0.125 |
2 |
0.5 |
0.1 |
0.2 |
0 |
0.7 |
0.05 |
0.1 |
0 |
0.35 |
3 |
0.25 |
0.1 |
0 |
0.8 |
0.1 |
0.025 |
0 |
0.2 |
0.025 |
各考核环节对课程目标达成的贡献率 |
0.2 |
0.1 |
0.2 |
0.5 |
那么第i个分课程目标的评价基于各环节k的贡献加权求和，就是该分课程目标的达成度Ai，即
5-1
而多个分课程目标再根据比例加权求和，就得到本门课程的课程目标达成度A。
5-2
其中： k表示不同的考核环节，i表示不同的分课程目标；
是第k种评价方式通过第i个课程目标反映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；
Gik表示第k种考核方式支撑第i个课程目标的达成度。
3. 定性评价
定性评价指利用学生的调查问卷进行课程目标达成情况评价，按照各课程目标分项设计合适的问卷，调查学生掌握知识及获得能力等课程目标达成情况。其中成绩均采用百分制统计，五级分制转换为百分制时，优对应95分，良对应85分，中对应75分，及格对应65分，不及格对应55分。
综合定性与定量评价结果，取最小量为最终评价结果。
六、评价标准：
6.1 课后作业评价标准
基本要求 |
评价标准 |
权重 |
90-100分 |
75-89分 |
60-74分 |
0-59分 |
掌握工程流体力学基本概念、控制方程，能够运用流体力学基本控制方程，识别流体流动问题的特征，建立相应流动问题的数学模型并进行求解。 （支撑课程目标1、毕业要求指标点1-1） |
按时交作业；计算方法正确；计算结果准确；步骤书写规范。 |
按时交作业；计算方法正确；计算结果偏差较小；步骤书写较规范。 |
按时交作业；计算方法基本正确；计算结果偏差较小；步骤书写较规范。 |
不能按时交作业，有抄袭现象；或者计算方法有误、计算结果偏差较大。 |
0.625 |
结合所学相关知识，能运用雷诺定理对黏性流体流动状态进行分析判定，能运用流体流动控制方程分析管路流动过程流体的能量损失。（支撑课程目标2、毕业要求指标点2-1） |
按时交作业；能够应用相关知识分析解决实际工程问题，计算方法正确；计算结果准确；步骤书写规范。 |
按时交作业；能够应用相关知识分析解决实际工程问题，计算方法正确；计算结果偏差较小；步骤书写较规范。 |
按时交作业；能够应用相关知识分析解决实际工程问题，计算方法基本正确；计算结果偏差较小；步骤书写较规范。 |
不能按时交作业，有抄袭现象；或者计算方法有误、计算结果偏差较大。 |
0.25 |
能运用绕流物体受力的基本原理和方程，对绕流物体所受到的流体作用力进行分析和计算。（支撑课程目标3、毕业要求指标点4-3） |
按时交作业；能够应用相关知识分析解决实际工程问题，计算方法正确；计算结果准确；步骤书写规范。 |
按时交作业；能够应用相关知识分析解决实际工程问题，计算方法正确；计算结果偏差较小；步骤书写较规范。 |
按时交作业；能够应用相关知识分析解决实际工程问题，计算方法基本正确；计算结果偏差较小；步骤书写较规范。 |
不能按时交作业，有抄袭现象；或者计算方法有误、计算结果偏差较大。 |
0.125 |
6.2 实验教学评价标准
基本要求 |
评价标准 |
权重 |
90-100分 |
75-89分 |
60-74分 |
0-59分 |
能够根据实验指导书规定的实验目的与要求，进行伯努利能量方程的验证实验，记录并分析实验数据，完成实验报告。 （支撑课程目标2、毕业要求指标点2-1） |
按时参加实验，按时交实验报告；实验数据与分析详实、正确；图表清晰，语言规范，符合实验报告要求。 |
按时参加实验，按时交实验报告；实验数据与分析正确；图表清晰，语言规范，符合实验报告要求。 |
按时参加实验，按时交实验报告；实验数据与分析基本正确；图表较清晰，语言较规范，基本符合实验报告要求。 |
没有按时交实验报告；或者实验数据与分析不正确；或者实验报告不符合要求。 |
0.5 |
能够根据实验指导书规定的实验目的与要求，进行雷诺定理的验证实验，记录并分析实验数据，完成实验报告。（支撑课程目标2、毕业要求指标点2-1） |
按时参加实验，按时交实验报告；实验数据与分析详实、正确；图表清晰，语言规范，符合实验报告要求。 |
按时参加实验，按时交实验报告；实验数据与分析正确；图表清晰，语言规范，符合实验报告要求。 |
按时参加实验，按时交实验报告；实验数据与分析基本正确；图表较清晰，语言较规范，基本符合实验报告要求。 |
没有按时交实验报告；或者实验数据与分析不正确；或者实验报告不符合要求。 |
0.5 |
6.3 流场仿真作业评价标准
基本要求 |
评价标准 |
权重 |
90-100分 |
75-89分 |
60-74分 |
0-59分 |
能够按小组分工完成车身外流场模拟计算及车身造型分析评价，完成仿真报告的撰写，并清晰的进行陈述，表达自己的设计思想。（支撑课程目标3、毕业要求指标点4-3） |
车身模型制作及外流场模拟过程详实、正确；仿真报告撰写层次清晰，论述正确；报告陈述清晰，PPT制作质量高，回答问题正确。 |
车身模型制作及外流场模拟过程正确；仿真报告撰写层次清晰，论述正确；报告陈述清楚，PPT制作质量较高，回答问题正确。 |
车身模型制作及外流场模拟过程基本正确；仿真报告撰写层次清楚，论述基本正确；报告陈述清楚，PPT制作质量一般，回答问题基本正确。 |
车身模型制作及外流场模拟过程有原则性错误；或者仿真报告撰写有原则性错误；或者报告陈述有原则性错误，回答问题有原则性错误。 |
1 |
6.4 考试评价标准
基本要求 |
评价标准 |
权重 |
90-100分 |
75-89分 |
60-74分 |
0-59分 |
掌握工程流体力学基本概念、控制方程，能够运用流体力学基本控制方程，识别流体流动问题的特征，建立相应流动问题的数学模型并进行求解。 （支撑课程目标1、毕业要求指标点1-1） |
应用工程流体力学基本概念判断问题正确，流体静力学、动力学问题数学模型正确，计算准确。 |
应用工程流体力学基本概念判断问题基本正确，流体静力学、动力学问题数学模型正确，计算较准确。 |
应用工程流体力学基本概念判断问题基本正确，流体静力学、动力学问题数学模型基本正确，计算结果偏差较小。 |
应用工程流体力学基本概念判断问题错误很多，流体静力学、动力学问题数学模型不正确，计算结果偏差较大或有原则性错误。 |
0.25 |
结合所学相关知识，能运用雷诺定理对黏性流体流动状态进行分析判定，能运用流体流动控制方程分析管路流动过程流体的能量损失。（支撑课程目标2、毕业要求指标点2-1） |
结合雷诺定理判定流体流态并分析流动能量损失正确、合理；应用流体流动基本控制方程，结合流动能量损失特征，对各种管路中的流动损失分析正确；计算准确。 |
结合雷诺定理判定流体流态并分析流动能量损失正确；应用流体流动基本控制方程，结合流动能量损失特征，对各种管路中的流动损失分析基本正确；计算较准确。 |
结合雷诺定理判定流体流态并分析流动能量损失基本正确；应用流体流动基本控制方程，结合流动能量损失特征，对各种管路中的流动损失分析基本正确；计算结果偏差较小。 |
流体流动状态判断或能量损失类型区分有错误；管路流动能量损失分析有错误；计算结果偏差较大。 |
0.7 |
能运用绕流物体受力的基本原理和方程，对绕流物体所受到的流体阻力进行分析计算。（支撑课程目标3、毕业要求指标点4-3） |
绕流物体受力分析正确、合理；绕流物体受流体作用力数学模型正确；计算准确。 |
绕流物体受力分析正确；绕流物体受流体作用力数学模型基本正确；计算较准确。 |
绕流物体受力分析基本正确；绕流物体受流体作用力数学模型基本正确；计算结果偏差较小。 |
绕流物体受力分析有错误；绕流物体受流体作用力数学模型不正确；计算结果偏差较大。 |
0.05 |
七、参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）
1.工程流体力学，孙文策主编，大连理工大学出版社，2015年9月第5版；
2.工程流体力学，禹华谦主编，高等教育出版社，第2版；
3.流体力学及其工程应用，E•约翰芬纳莫尔，约瑟夫B•弗兰兹尼主编，机械工业出版社，第10版；
4.精通CFD工程仿真与案例实战，李鹏飞，徐敏义，王飞飞主编，人民邮电出版社；
制定人：韩文艳 审定人： 批准人：
年 月 日
