《流体力学(水力学)》课程教案
《流体力学》教案第一章流体及其主要物理性质
前言流体力学是力学的一门重要分支。
它是运用力学中的基本规律，研究流体平衡及其运动规律的一门学科。
这门课侧重于流体力学在工程实际中的应用，而对于我们专业来讲，则主要是研究流体力学中的不可压缩流体的平衡及运动规律部分，因为我们经常会遇到的有关水面舰艇、潜艇及鱼雷的运动问题，都是在海水中进行的，而我们一般认为海水的密度为常数，即海水为不可压缩流体。
关于流体的压缩性（可压或不可压），我们在下一节中再详细阐述。
下面就流体力学的发展简史，它的研究方法和内容，这门课程在本专业中的地位与作用等三方面的问题进行说明。
1、流体力学的发展简史流体力学成为一门完整的学科，是经历了一个漫长的历史过程。
人类最早对流体的认识是从供水、灌溉、航行等方面开始的。
例如我国古代传说中的大禹治水的故事及李冰父子在四川修建的都江堰水利工程都是劳动人民利用流体的知识去改造大自然的光辉范例。
在流体力学领域中，最早的一部科学著作是公元前250年由阿基米德所著的《论浮体》，书中精确的给出了著名的“阿基米德原理”，但在这之后的相当长时间里，流体力学几乎没有什么显著进展。
随着欧洲资本主义萌芽的产生，到十七世纪末流体力学又有了许多成就，托里拆利的孔口出流公式、巴斯卡原理、牛顿内摩擦定律等都是当时在流体力学领域内取得的成就，但这些成就都是离散的，孤立的，还不足以使流体力学发展成为独立的学科体系。
流体力学成为独立的一门学科是开始于十八世纪伯诺利（D.Bernonlli）方程和欧拉（L.Euler）方程的建立，十九世纪初期和中期，纳维埃（L.Navier）和斯托克斯（G..G..Stocks）发表了非常著名的粘性流体的运动方程式（即N-S方程）。
十九世纪末，雷诺（O.Regnolols）发现了流体的两种完全不同的流动状态，即层流和紊流。
二十世纪以来，这门科学的发展很快，库塔（W.M.Kutta）和儒可夫斯基（H.E.Joukowski）发表了机翼的升力理论，为航空事业的发展奠定了坚实的理论基础，普朗特（L.Prardtl）提出了边界层理论，这些理论对流体力学开始脱离经典式的理论研究而与工程实际相结合起着很大的作用。
水力学流体静力学PPT课件
在水利工程中，液体相对平衡 的原理被广泛应用于水坝、水 库等水工建筑物的设计和施工 中。
在医学领域，液体相对平衡的 原理也被应用于血液动力学和 药物输送等方面的研究。
04
液体内部压强与浮力
Chapter
液体内部压强的计算
压强定义
单位面积上所受的压力，用p表示 ，单位为Pa。
计算公式
p = F/A，其中F为压力，A为受力 面积。
了解液体运动的描述方法和基本方程 ；
能够运用所学知识分析和解决工程实 际问题。
教学方法与手段
01
02
03
教学方法
采用讲授、讨论、案例分 析等多种教学方法相结合 的方式。
教学手段
使用PPT课件、动画演示 、实验演示等教学手段辅 助教学。
考核方式
采用平时成绩、期末考试 成绩和实验成绩相结合的 考核方式。
的气体量来调节浮力大小。
05
流体静力学在水利工程中的应 用
Chapter
水库水位与坝体稳定性分析
水库水位确定
根据水库地形、库容曲线 及入库流量等资料，确定 水库在不同运行条件下的 水位。
坝体稳定性分析
运用土力学、岩石力学等 原理，分析坝体在静水压 力、扬压力等作用下的稳 定性，确保大坝安全。
渗流控制
液体相对平衡是流体静力学研究的基础。
等压面的形成与性质
等压面是指在液体内部，压强相等的各点所组成的面。
在重力场中，等压面是一个水平面，因为在同一水平面上，各点受到的重力作用相 同，所以压强也相等。
等压面具有传递压强的性质，即等压面上的压强可以传递到液体内部的任意一点。
液体相对平衡的应用
液体相对平衡的原理可以应用 于测量液体的密度和深度。
流体力学第五版教学设计
流体力学第五版教学设计一、课程概述流体力学是研究流体运动和力学性质的学科。
本课程是流体力学的基础理论课程，旨在培养学生对流体力学的基本理论、基本方法及其应用的基本能力。
本课程内容主要包括静力学、动力学和边界层理论等方面。
二、教学大纲1. 静力学•理解静力学概念及公式•掌握流体冲力、重力、气压等概念及其计算方法2. 动力学•辨识最小速度原理和伯努利方程•理解速度梯度、水波传播等基本概念•掌握雷诺数、黏性损失、激波等基本现象和其影响因素3. 边界层理论•理解流体运动的层状结构•掌握边界层发展过程及其应用三、教学方法本课程采用理论授课、实验分析和案例研讨相结合的教学方法。
在理论授课中，讲解基本概念和公式，注重让学生建立概念、理解基本规律。
在实验分析中，组织学生进行流体行为与应用实验，进行数据处理和分析，并探讨影响因素和理论基础。
在案例研讨中，引导学生分析实际问题，深入探讨流体力学应用。
四、教材及参考书目本课程采用教材《流体力学——第五版》，对应参考书目包括：•《流体力学导论》•《流体力学实验讲义》•《流体力学研究进展》五、考核及评价方式本课程采用课堂测验、实验报告和论文等方式进行考核，并做出以下评价：•学生的流体力学课程掌握程度•学生的流体力学应用能力•学生的流体力学实验操作能力六、教学进度安排本课程教学总计15周，具体进度安排如下：周次教学内容1-2 静力学概念、公式及应用3-4 动力学基本概念、公式及应用5-6 流体行为与应用实验7-8 伯努利方程、速度梯度及水波传播等基本概念和现象9-10 边界层发展过程及其应用11-12 激波等基本现象及其影响因素13-14 案例研讨，分析实际问题，深入探讨流体力学应用。
15 实验报告和论文撰写，闭卷考试七、总结以流体力学为代表的物理学科对现代技术的发展和应用具有重要意义。
本课程的设置不仅可以帮助学生深入了解流体力学的基本理论和方法，还可以促进学生发展实验操作能力、论文撰写能力等多种科学技能，这将为学生日后的研究和应用打下坚实的基础。
流体力学基础公开课教案
流体力学基础公开课教案一、引言流体力学是研究流体运动规律的学科，它涵盖了流体的力学性质、运动规律以及与固体的相互作用等内容。
本公开课将介绍流体力学的基础知识，帮助学生建立对流体力学的初步认识。
本课程将从流体的性质和流体静力学开始，逐步引入流体动力学的概念和原理，并通过实例分析和数学推导，帮助学生掌握流体力学的基本方法和应用。
二、流体的性质1. 流体的定义与特点流体是指能够流动的物质，包括液体和气体。
与固体不同，流体的分子间距较大，分子之间的相互作用力较弱，因此流体具有流动性和可变形性。
2. 流体的密度和压力密度是流体单位体积的质量，用ρ表示。
压力是单位面积上的力的大小，用P 表示。
密度和压力是流体力学中两个重要的物理量，它们之间的关系由流体的状态方程给出。
三、流体静力学1. 流体静力学基本原理流体静力学研究的是静止的流体，它的基本原理是平衡条件和压力传递原理。
平衡条件要求流体内部各点的压力相等，压力传递原理则说明在静止的流体中，压力沿着流体中的任意一条线是均匀的。
2. 流体的压强和压力压强是单位面积上的力的大小，用p表示。
压力是单位面积上的压强，用P表示。
流体的压力与深度、密度以及重力加速度有关，可以通过公式P = ρgh计算。
四、流体动力学1. 流体动力学基本概念流体动力学是研究流体运动规律的学科，它包括流体的速度、流速、流量等概念。
流体的速度是指流体质点在单位时间内通过某一截面的位移，用v表示。
流速是指流体通过某一截面的流量与截面积的比值，用V表示。
流量是指单位时间内通过某一截面的流体质量，用Q表示。
2. 连续性方程和质量守恒定律连续性方程是流体动力学的基本方程之一，它描述了流体在连续流动过程中的质量守恒关系。
质量守恒定律是流体动力学的基本原理之一，它要求在流体运动过程中，质量不会凭空消失或产生。
3. 动量定律和动量守恒定律动量定律是流体动力学的基本方程之一，它描述了流体在运动过程中动量的变化。
《流体力学》课件
流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。
古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。
流体力学的萌芽：距今约2200年前，希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文，他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。
建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。
此后千余年间，流体力学没有重大发展。
15世纪，意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。
但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
流体力学的主要发展：17世纪，力学奠基人牛顿（英）在名著《自然哲学的数学原理》（1687年）中讨论了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。
他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。
使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。
但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。
之后，皮托（法）发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔（法）对运动中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利（瑞士）从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。
欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。
流体力学教案单元三
学习必备欢迎下载单元三流体流动的阻力损失课题一概述1、重点、难点重点：层流和紊流以及判断层流和紊流的方法、雷诺数、层流沿程阻力损失的计算、水力光滑管与水力粗糙管、层流底层、尼古拉兹实验、局部阻力损失的计算、当量长度、管网的水力计算难点：雷诺数的物理意义、圆管内的层流的流动规律、紊流的速度分布规律、管网的水力计算2、内容一黏性流体流动的两种状态一、雷诺实验雷诺实验装置如图所示，1为尺寸足够大的水箱，实验过程中，通过溢流板7来保持水箱水位恒定。
5为颜色水瓶，当开其下部阀门6时，着色液体进入水平玻璃管，实验过程中观察着色流束的流动状态。
（1）微开启调节阀门，这时玻璃管中的着色流束呈清晰的细直线状，如图（a）所示。
该流动状态表明，流体质点仅沿管轴方向运动，流体质点间互相不掺混，这种流动状态称为层流。
（2）调节阀3逐渐开大，当流速增大到一定数值时，着色流束开始振荡处于不稳定状态，如图（b）所示。
这种流动状态称为临界状态，管道中的平均速度称为临界速度。
（3）继续开大调节阀3，使管中的流速大于临界流速。
这时，着色流束从细管中流出后，流经很短的一段距离后便与周围流体相混，如图（c）所示。
这说明流体质点在沿管轴方向运动时，也存在径向运动，流体质点间互相掺混，作无规则的运动，这种流动状态称为紊流（或湍流）。
雷诺实验表明：①当流速大于上临界流速时为紊流；当流速小于下临界流速时为层流；当流速介于上、下临界流速之间时，可能是层流也可能是紊流，这与实验的起始状态、有无扰动等因素有关，不过实践证明，是紊流的可能性更多些。
②在相同的玻璃管径下用不同的液体进行实验，所测得的临界流速也不同，黏性大的液体临界流速也大；若用相同的液体在不同玻璃管径下进行试验，所测得的临界流速也不同，管径大的临界流速反而小。
由此得出以下三个概念：层流、紊流、过渡状态 （1）、层流：流体质点平行向前推进，各层之间无掺混。
主要以粘性力为主，表现为质点的摩擦和变形。
流体力学第3版教学设计
流体力学第3版教学设计课程目标本课程旨在使学生掌握流体式样的基本原理和方法，了解与流体力学分析相关的应用领域，并掌握流体力学中的数学方法和计算工具。
教学内容本课程的教学内容主要包括以下方面：第一部分：流体的基本概念和性质1.流体的定义，流体和固体的区别2.流体的物理性质，如密度、粘性、表面张力等3.流体的流动，包括无旋流和旋转流第二部分：流体力学数学基础1.流体静力学理论，如重力、压力、浮力等2.流体动力学理论，如伯努利方程、连续性方程等3.微分形式的流体动力学方程，包括Navier-Stokes方程第三部分：应用领域1.流体力学在航空航天、汽车和海洋工程等领域的应用2.流体力学在生物医学领域的应用，如血液流动、呼吸等教学方法本课程采用以教师为主导，以学生为中心的教学模式，强调理论与实践相结合的教学方法。
1.理论教学：通过教师讲解、讲授教材视频、教学案例讲解等方式，掌握流体力学基本理论和模型建立方法。
学生通过听课、做笔记等方式学习知识。
2.实践教学：通过实验、模拟和计算等方式，培养学生的实际操作能力和解决实际问题的能力。
学生通过实验、模拟和计算等方式，掌握流体力学相关操作技能和解决问题的方法。
3.课堂互动：通过课堂讨论、学生报告等方式，促进师生之间的互动和学生的参与度。
教学评估为了评估学生的学习效果，本课程将采用以下方式进行评估：1.作业评估：学生需要按时完成课程作业并提交给教师，教师将对其进行评估。
2.课堂表现评估：学生需要积极参与课堂讨论，教师将对其参与度、思维深度等方面进行评估。
3.考试评估：学生需要参加期中考试和期末考试，教师将对其理论和实践能力进行评估。
教材主要教材：《流体力学》第三版，作者：Franz Durst。
参考教材：1.王大鹏等，流体力学，机械工业出版社，2016年。
2.米哈依尔. 米亚索舍诺，不可压缩流体力学导论，电子工业出版社，2018年。
3.郑庆文等，数值流体力学，高等教育出版社，2014年。
《水力学》课件——第三章 流体运动学
是否是接
均匀流 否
？
渐变流
流线虽不平行，但夹角较小； 流线虽有弯曲，但曲率较小。
急变流
流线间夹角较大； 流线弯曲的曲率较大。
• 渐变流和急变流是工程意义上对流动是否符合均匀流条件的
划分，两者之间没有明显的、确定的界限，需要根据实际情况
来判定
急变流示意图
五. 流动按空间维数的分类
一维流动 二维流动 三维流动
• 根据流线的定
• 在非恒定流情况下，流
义，可以推断：除
线一般会随时间变化。在
非流速为零或无穷
恒定流情况下，流线不随
大处，流线不能相
时间变，流体质点将沿着
交，也不能转折。
流线走，迹线与流线重
合。
• 迹线和流线最基本的差别是：迹线是同一流
体质点在不同时刻的位移曲线，与拉格朗日观
点对应，而流线是同一时刻、不同流体质点速
• 由确定的流体质点组成
的集合称为系统。系统在 运动过程中，其空间位 置、体积、形状都会随时 间变化，但与外界无质量 交换。
• 有流体流过的固定不变
的空间区域称为控制 体，其边界叫控制面。 不同的时间控制体将被 不同的系统所占据。
• 通过流场中某曲面 A 的流速通量
u nd A
A
称为流量，记为 Q ，它的物理意 义是单位时间穿过该曲面的流体 体积，所以也称为体积流量，单 位为 m3/s .
n A
dA
u
• u n d A 称为质量流量，记为Qm，单位为 kg/s . 流量计算
A
公式中，曲面 A 的法线指向应予明确，指向相反，流量将反
s s — 空间曲线坐标
元流是严格的一维流动，空间曲线坐标 s 沿着流线。
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《水力学》复习重点
（本）
第一章绪论
本章的教学目的及基本要求：
目的：使学生了解水力学的任务及应用领域，掌握流体的连续介质理论和流体的主要物理力学性质以及作用在流体上的力的两种形式。
基本要求：掌握流体的连续介质模型、流体的主要物理性质：易流动性、密度与重度、粘性与理想流体模型、压缩性与不可压模型、表面张力特性、汽化压强特性；掌握作用在流体上的力的两种形式：质量力与表面力
本章教学内容的重点和难点：
重点：流体的连续介质模型、密度与重度、粘性与理想流体模型、牛顿内摩擦定律、压缩性与不可压模型、质量力与表面力
难点：连续介质模型、牛顿内摩擦定律、质量力与表面力
第二章水静力学
本章的教学目的及基本要求：
目的：使学生理解静水压强的特性、液体平衡微分方程，掌握水静力学的基本方程、液柱式测压计的基本原理，最终能熟练计算作用在平面、曲面上的静水总压力。
基本要求：理解静水压强的特性，理解液体平衡微分方程，压强的表示方法、压强的计量单位、液体的相对平衡；掌握水静力学的基本方程，掌握液柱式测压计的基本原理，掌握并能熟练计算作用在平面、曲面上的静水总压力。
本章教学内容的重点和难点：
重点：静水压强的特性、液体平衡微分方程、液体的相对平衡、水静力学的基本方程、液柱式测压计、作用在平面、曲面上的静水总压力。
难点：液体平衡微分方程、液体的相对平衡、差压计、作用在平面、曲面上的静水总压力。
第三章、第四章水动力学及其理论基础
本章的教学目的及基本要求：
目的：使学生理解连续性微分方程、理想液体运动微分方程、实际流体的运动微分方程，掌握恒定总流连续性方程、理想液体元流的能量方程与实
际液体总流的能量方程、恒定总流动量方程以及恒定平面势流。
基本要求：理解连续性微分方程、理想液体运动微分方程、实际流体的运动微分方程；牢固掌握，并灵活应用恒定总流连续性方程、理想液体元流的能量方程与实际液体总流的能量方程、恒定总流动量方程以及恒定平面势流。
本章教学内容的重点和难点：
重点：连续性微分方程，理想液体运动微分方程，实际流体的运动微分方程，恒定总流连续性方程，理想液体元流的能量方程与实际流体总流的能量方程、恒定总流动量方程以及恒定平面势流。
难点：连续性微分方程，实际液体的运动微分方程，实际液体总流的能量方程、恒定总流动量方程以及恒定平面势流。
第五章流动阻力与水头损失
本章的教学目的及基本要求：
目的：使学生了解实际液体的两种流动型态，流动阻力与水头损失的两种型式，掌握沿程损失、局部损失的分析和计算方法。
基本要求：理解实际液体的两种流动型态，流动阻力与水头损失产生原因，以及边界层概念及绕流阻力概念。
掌握均匀流的基本方程、圆管层流与紊流沿程阻力系数及沿程水头损失、局部水头损失的计算方法。
本章教学内容的重点和难点：
重点：实际液体的两种流动型态的判别，均匀流的基本方程，圆管层流与紊流的流速分布、沿程阻力系数及沿程水头损失的计算，局部水头损失的计算。
难点：圆管层流与紊流的流速分布，紊流沿程阻力系数的计算。
第六章相似原理与量纲分析
本章的教学目的及基本要求：
目的：使学生掌握流动相似的基本概念，动力相似准则及理解模型设计的基本方法，能应用量纲的和谐原理进行量纲分析。
基本要求：理解几何、运动、动力、初始与边界条件相似的基本概念，掌握各种动力相似准则，特别是重力相似准则、粘性力相似准则，能灵活应用模型律进行模型设计；理解量纲与单位的基本概念，量纲的和谐原理，掌握量纲的基本分析方法：瑞利法与定理。
本章教学内容的重点和难点：
重点：重力相似准则、粘性力相似准则，模型设计；量纲的和谐原理，瑞利法与定理。
难点：动力相似准则，量纲分析：瑞利法与定理
第七章管道恒定流第八章明渠均匀流
本章的教学目的及基本要求：
目的：使学生理解水力最优断面及允许流速的基本概念，掌握明渠均匀流各类问题的水力计算方法，并能设计渠道的断面形式和渠道坡度。
基本要求：理解水力最优断面及允许流速的基本概念，牢固掌握明渠均匀流各类问题的水力计算方法及复式断面、无压圆管的的水力计算。
本章教学内容的重点和难点：
重点：明渠均匀流的基本计算公式，水力最优断面及允许流速，明渠均匀流的水力计算，无压圆管均匀流的水力计算。
难点：水力最优断面条件，无压圆管均匀流水力计算。
第九章明渠非均匀流
本章的教学目的及基本要求：
目的：使学生理解明渠非均匀流中断面单位能量、临界水深等的基本概念，掌握恒定明渠流其流动状态的判别方法，能进行水面曲线的分析与绘制
基本要求：理解并掌握明渠非均匀流中断面单位能量、临界水深的概念，掌握恒定明渠流其流动状态的判别方法，能进行水面曲线的分析与绘制
本章教学内容的重点和难点：
重点：断面单位能量、临界水深、恒定明渠流其流动状态的判别方法，水面曲线的分析与绘制。
难点：临界水深、恒定明渠流其流动状态的判别方法，水面曲线的分析与绘制。
第十章堰顶溢流、闸孔出流、洞涵过流
本章的教学目的及基本要求：
目的：使学生了解薄壁堰、实用堰、宽顶堰的基本功能与用途，掌握堰流基本的水力计算公式。
基本要求：了解薄壁堰、实用堰、宽顶堰的基本功能与用途，能进行堰流的流量计算。
本章教学内容的重点和难点：
重点：堰流基本的水力计算公式
难点：堰的流量系数的计算。