《粘性流體力學(xué)》課程教學(xué)大綱

《粘性流體力學(xué)》教學(xué)大綱課程英文名Viscousfluidmechanics課程代碼B0801Z08學(xué)分3總學(xué)時(shí)48理論學(xué)時(shí)48實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)0課程類別專業(yè)課課程性質(zhì)任選先修課程高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、理論力學(xué)、流體力學(xué)適用專業(yè)工程力學(xué)開課學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院一、課程地位與課程目標(biāo)（一）課程地位粘性流體力學(xué)是研究粘性流體運(yùn)動(dòng)以及與固體之間相互作用的一門學(xué)科，是工程力學(xué)等專業(yè)學(xué)生的一門選修課程。本課程主要講解粘性流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),如張量、應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系；粘性流體方程組的推導(dǎo)，一些簡單流動(dòng)的Navier-Stokes方程的求解方法；了解層流邊界層的求解方法，層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)捩及湍流邊界層的求解方法，了解湍流的統(tǒng)計(jì)理論以及層流和湍流尾流和射流的求解等。本課程為學(xué)生了解近代流體力學(xué)的研究方法及研究進(jìn)展提供知識(shí)準(zhǔn)備；同時(shí)也是數(shù)學(xué)、物理及工程力學(xué)等課程所講授知識(shí)工具的具體運(yùn)用和鞏固、強(qiáng)化，為學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決具體力學(xué)問題提供練習(xí)機(jī)會(huì)。（二）課程目標(biāo)1.系統(tǒng)掌握矢量分析與場論的基本知識(shí)；2.了解粘性流體力學(xué)的研究對象，任務(wù)和方法，了解粘性流體力學(xué)在工程技術(shù)中的地位；掌握流體粘性的基本概念；掌握流體運(yùn)動(dòng)的描述方法及作用在流體上的力；掌握牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系。3.掌握粘性流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、動(dòng)量矩方程、能量方程的建立方法，掌握流體力學(xué)方程組及其表達(dá)式、非慣性系中的動(dòng)量方程、流體力學(xué)方程組的定解條件。4.掌握典型的粘性流體方程組的精確解法；5.掌握極低雷諾數(shù)流動(dòng)的幾種典型流動(dòng)的方程組解法。6.掌握不可壓縮層流邊界層的基本概念、基本方程、精確解；掌握邊界層的相似性解、邊界層的積分關(guān)系及其應(yīng)用；了解非定常層流邊界層的典型解法。7.掌握湍流運(yùn)動(dòng)的基本方程的建立及其封閉模式；8.思政和勞務(wù)教育目標(biāo)通過本課程的德育學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解本課程中蘊(yùn)含的文化基因和價(jià)值范式，在專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)中不斷進(jìn)行理想層面的精神指引，激勵(lì)學(xué)生自覺把個(gè)人的理想追求融入到實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中。二、課程目標(biāo)達(dá)成的途徑與方法以課堂教學(xué)為主，結(jié)合自學(xué)、課堂提問、課堂討論、課外作業(yè)等。自學(xué)內(nèi)容：需要補(bǔ)充的相關(guān)知識(shí)，如矢量分析與場論、相關(guān)的應(yīng)用軟件；課堂教學(xué)：主要內(nèi)容采用課堂教學(xué)來完成，利用自制的PPT課件，結(jié)合板書來完成；課堂提問：將重要的知識(shí)點(diǎn)、容易混淆的概念或知識(shí)，采取課堂提問的方式，加深學(xué)生的認(rèn)識(shí)與理解；課堂討論：將課程中具有共性的研究方法、理論及核心內(nèi)容，采取課堂討論的方式，以提高學(xué)生宏觀上分析問題與解決問題的能力；課外作業(yè)：為了鞏固所學(xué)知識(shí)，每章精選一些具有代表性知識(shí)點(diǎn)的問題，布置成課外作業(yè)，通過批改作業(yè)，以發(fā)現(xiàn)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中存在的問題，以及時(shí)解決。思政和勞務(wù)教育：學(xué)習(xí)我國科學(xué)家錢學(xué)森、周培源、陸士嘉等在流體力學(xué)發(fā)展中的突出貢獻(xiàn)和愛國情懷，介紹我國古代詩詞中對流體力學(xué)現(xiàn)象觀察和描述的佳句以及著名水利工程，了解現(xiàn)代粘性流體力學(xué)在我國流體工程中的重要應(yīng)用。三、課程目標(biāo)與相關(guān)畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐程度（H、M、L）畢業(yè)要求5課程目標(biāo)1H課程目標(biāo)2H課程目標(biāo)3H課程目標(biāo)4H課程目標(biāo)5H課程目標(biāo)6M課程目標(biāo)7L四、課程主要內(nèi)容與基本要求章次主要內(nèi)容基本要求第0章矢量分析與場論錢學(xué)森學(xué)生張德良追憶恩師：他的愛國心是科學(xué)家楷模深刻理解矢性函數(shù)的概念熟練掌握矢端曲線掌握矢性函數(shù)的極限和連續(xù)性熟練掌握矢性函數(shù)的導(dǎo)數(shù)與微分熟練掌握導(dǎo)矢的幾何意義掌握矢性函數(shù)的微分熟練掌握矢性函數(shù)的導(dǎo)數(shù)公式熟練掌握場的概念熟練掌握數(shù)量場的等值面掌握矢量場的矢量線熟練掌握方向?qū)?shù)熟練掌握梯度熟練掌握通量熟練掌握散度熟練掌握環(huán)量熟練掌握旋度熟練掌握哈密頓算子熟練掌握曲線坐標(biāo)的概念熟練掌握拉梅系數(shù)熟練掌握坐標(biāo)變換掌握柱坐標(biāo)熟練掌握球坐標(biāo)理解基矢量對坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)理解正交曲線坐標(biāo)系中的梯度、散度、旋度熟練掌握第1章粘性流體力學(xué)引論粘性流體和理想流體熟練掌握粘度熟練掌握流體粘性的微觀機(jī)理熟練掌握跡線、脈線、流線和時(shí)間線熟練掌握Helmholtz微元速度分解定理熟練掌握應(yīng)變率張量熟練掌握渦量熟練掌握質(zhì)量力熟練掌握表面力熟練掌握應(yīng)力張量掌握表面張力熟練掌握牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系熟練掌握第2章粘性流體運(yùn)動(dòng)的基本方程介紹古代詩詞對流體力學(xué)現(xiàn)象的描述和著名水利工程理解連續(xù)方程熟練掌握動(dòng)量方程熟練掌握動(dòng)量方程的一般形式熟練掌握Navier-Stokes方程熟練掌握流體的動(dòng)量矩方程了解流體的能量方程熟練掌握流體力學(xué)方程組熟練掌握在直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式熟練掌握在柱坐標(biāo)系中的表達(dá)式熟練掌握在球坐標(biāo)系中的表達(dá)式掌握非慣性系中的動(dòng)量方程掌握固壁邊界條件熟練掌握液體-流體界面的邊界條件熟練掌握現(xiàn)代粘性流體力學(xué)在我國流體工程中的重要應(yīng)用掌握平行平板間的定常剪切流熟練掌握同軸旋轉(zhuǎn)圓筒間的Couette流熟練掌握同軸圓筒間的軸向流熟練掌握圓管中的Poiseuille流熟練掌握矩形截面管中的Poiseuille流理解橢圓截面管中的Poiseuille流理解平板突然起動(dòng)熟練掌握平板振蕩流熟練掌握圓管內(nèi)Poiseuille流的起動(dòng)過程掌握圓管振蕩流理解氣泡的徑向運(yùn)動(dòng)理解楔形槽道內(nèi)的平面徑向流理解軸對稱駐點(diǎn)流了解旋盤流了解第4章流體流動(dòng)微分方程極低雷諾數(shù)的流動(dòng)熟練掌握小球的極慢運(yùn)動(dòng)熟練掌握二維擴(kuò)散槽內(nèi)的徑向流掌握楔形狹縫內(nèi)的Couette流掌握偏心圓筒間狹縫內(nèi)的流動(dòng)掌握圓盤間的擠壓流掌握Oseen近似熟練掌握狹縫流的平均慣性法理解雷諾數(shù)不很小的圓球定常繞流理解第5章不可壓縮層流邊界層邊界層的基本特征熟練掌握二維邊界層方程熟練掌握邊界層厚度熟練掌握Blasius方程熟練掌握Blasius方程的求解熟練掌握Falkner-Skan方程掌握二維收縮槽內(nèi)的相似性解掌握平面自由射流掌握卡門動(dòng)量積分關(guān)系熟練掌握平板邊界層的近似解熟練掌握吸氣平板邊界層掌握沿曲面邊界層的近似解掌握在靜止流體中物體突然起動(dòng)理解小幅高頻振蕩物體外的邊界層理解第6章湍流運(yùn)動(dòng)的基本方程及其封閉模式湍流運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性熟練掌握湍流的統(tǒng)計(jì)方法熟練掌握雷諾方程、脈動(dòng)方程熟練掌握雷諾應(yīng)力的物理意義熟練掌握雷諾應(yīng)力和湍動(dòng)能的輸運(yùn)方程熟練掌握雷諾應(yīng)力和湍動(dòng)能的輸運(yùn)過程熟練掌握渦粘模式掌握雷諾應(yīng)力模式掌握五、課程學(xué)時(shí)安排章教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)學(xué)生任務(wù)（作業(yè)、自學(xué)、討論等任務(wù)要求）對應(yīng)課程目標(biāo)第0章矢量分析與場論81.完成《矢量分析與場論》習(xí)題1—1、1-3、1-4，2—2、2-4、2-5，3-1、3-3、3-4，4-2、4-3，5-2、5-3、5-6，7-2、7-4，8-1、8-3、8-10作業(yè)；2.課后自學(xué)Mathtype、Origin應(yīng)用軟件。3.查閱我國科學(xué)家在粘性流體力學(xué)發(fā)展中做出的貢獻(xiàn)的相關(guān)資料；課程目標(biāo)1第1章粘性流體力學(xué)引論61.完成綜述：在不同雷諾數(shù)條件下，圓柱繞流的不同尾跡形態(tài)大作業(yè)；2.課后自學(xué)MathCAD應(yīng)用軟件。課程目標(biāo)2第2章粘性流體運(yùn)動(dòng)的基本方程61.完成推導(dǎo)出雷諾輸運(yùn)公式，并寫出推導(dǎo)粘性流體運(yùn)動(dòng)基本方程組的思路大作業(yè)；2.課后自學(xué)Mathematic應(yīng)用軟件。課程目標(biāo)3第3章粘性流體方程組的精確解61.完成4-4,4-5，4-7,4-9，4-22,4-23作業(yè)；2.課后自學(xué)Maple應(yīng)用軟件。課程目標(biāo)4第4章極低雷諾數(shù)的流動(dòng)81.完成5-2,5-3,5-4,5-8作業(yè)；2.課后自學(xué)Matlab應(yīng)用軟件。課程目標(biāo)5第5章不可壓縮層流邊界層61.完成求解平板推導(dǎo)平板層流邊界層的Blasius方程，并結(jié)合數(shù)值方法求解大作業(yè)；2.課后自學(xué)Profili應(yīng)用軟件。課程目標(biāo)6第6章湍流運(yùn)動(dòng)的基本方程及其封閉模式81.完成通過邊界層控制體推導(dǎo)卡門動(dòng)量積分方程，分別確定1—4階速度分布，計(jì)算出相應(yīng)的邊界層參數(shù)作業(yè)；2.課后自學(xué)Fluent應(yīng)用軟件。課程目標(biāo)7六、實(shí)踐環(huán)節(jié)及基本要求無七、考核方式及成績評定考核內(nèi)容考核方式評定標(biāo)準(zhǔn)（依據(jù)）占總成績比例過程考核含到課率、課堂討論發(fā)言、平時(shí)作業(yè)等考核10次，每次10分20%期末考核大作業(yè)根據(jù)4次大作業(yè)成績80%考核類別考杳成績登記方式百分制八、推薦教材與主要參考書（一）推薦教材：粘性流體力學(xué)，朱克勤