-
第一章绪论
本章介绍工程流体力学及其任务,作用在流体上的力和流体的主要物理性质。使学生了解这门课的学科定位和发展史,并对研究对象“流体”的物理性质有所认识,为后续章节内容的学习奠定基础。
-
●1.1流体力学简介
本节主要介绍流体力学的研究对象、发展史、连续介质假设、研究方法等,通过学习可以对流体力学这门课的性质和重要性有个初步的认识和了解。
-
●1.2连续介质假设
连续介质假设
-
●1.3作用在流体上的力
本节主要介绍作用在流体上的两种力。按力的作用方式分为质量力和表面力,这种分析受力的方式将贯穿于流体力学的整个学习过程。
-
●1.4流体的主要物理性质
本节主要介绍流体的主要物理性质。流体的物理性质的学习可以使学生更深入了解流体力学研究对象的本质,尤其流体的黏滞性对于流体的力学规律有重要影响,是本节学习的重点和难点。
-
第二章流体静力学
本章研究流体在平衡状态(静止或相对静止)下的力学规律及其在工程上的应用。主要内容包括流体静压强的特性和分布规律,作用在平面和曲面上的液体总压力的计算等。掌握两个关键词:静压强和静压力。
-
●2.1静压强及其特性
本节学习流体静压强的两个重要特性,即垂向性和各向等值性。理解用微元分析法证明静压强各向等值性。
-
●2.2流体平衡微分方程
本节主要包括平衡微分方程的建立、平衡微分方程的积分形式以及等压面的概念和特性。平衡微分方程是流体静力学的基本方程,其积分形式是求解流体静压强基本方程的依据;等压面在流体静压强计算中有重要作用,对其特性要深刻理解。
-
●2.3重力场中流体静压强的分布规律
本节内容包括重力作用下静压强基本方程的建立、压强的度量方法、静压强基本方程的物理意义和几何意义。不同形式的静压强基本方程的应用是个重点,要求能计算各类静止流体中的压强。
-
●2.4液体总用在平面上的总压力
本节内容是求解液体作用在平面上的总压力,包括两种方法:解析法和图解法。其中解析方法可以求解任意形状平面上的总压力,求出压力的大小和作用点的位置,计算公式要熟练;图解法是利用静压强分布图求解规则受压平面的总压力的方法,静压强分布图的正确绘制很关键。
-
●2.5液体作用在曲面上的总压力
本节内容是求解液体作用在曲面上的总压力。其方法是:分别求水平分力和铅直分力。水平分力的求解与前面平面上用压力的方法一致,铅直分力为压力体的重量,压力体的绘制很关键,并且会判断其方向。
-
第三章流体运动学
本章研究流体的运动规律,包括描述流体运动的方法、欧拉法的基本概念和流体连续性方程。本章不涉及流体的动力学性质,所研究的内容及其结论,对无黏性流体和黏性流体均适用。
-
●3.1描述流体运动的方法
本节介绍两种描述流体运动的方法:拉格朗日法和欧拉法。工程流体力学中一般用欧拉法。本课程后续学习中也主要是用欧拉法研究流体运动。
-
●3.2欧拉法的基本概念
本节介绍欧拉法的基本概念,主要内容包括流动的分类,流线、迹线,流管、流束、过流断面、元流、总流等。要会利用流线微分方程求给定条件下的流线方程。
-
●3.3连续性方程
本节学习连续性方程,包括连续性微分方程和总流的连续性方程。连续性微分方程可以判断给定流动是否连续,总流的连续性方程是流体运动的基本方程,要会熟练应用。
-
第四章流体动力学基础
本章研究流体动力学问题的基本方法,建立流体动力学基本方程。流体动力学基本方程,是将经典力学的普遍原理应用于流体,得到控制流体运动的方程式,是分析和求解流体运动最基本的理论工具。基本方程既可用微分形式表示,也可用积分形式来表示,两者在本质上是一样的。求解微分形式的基本方程,可得到速度、压强等流动参数的分布,给出流场的细节;求解积分形式的基本方程,可得到有限体积控制面上流动参数的关系。
-
●4.1流体的运动微分方程
本节是流体运动微分方程的建立。包括无粘性流体的运动微分方程和黏性流体的运动微分方程。
-
●4.2元流的伯努利方程
本节内容包括无黏性流体运动微分方程的伯努利积分(理想元流伯努利方程)、黏性流体元流的伯努利方程、元流伯努利方程的物理意义和几何意义。无黏性元流伯努利方程是皮托管测点流速的理论依据,而黏性元流伯努利方程是后面求解黏性总流伯努利方程的基础。
-
●4.3恒定总流的伯努利方程
本章包括渐变流及其性质、总流伯努利方程的建立、总流伯努利方程的物理意义和几何意义、水头线、总流伯努利方程应用的补充论述。恒定总流能量方程的应用是重点,要求熟练掌握,要会定性绘制总水头线和测压管水头线。
-
●4.4恒定总流的动量方程
恒定总流的动量方程。
-
第五章量纲分析和相似原理
本章学习量纲分析方法和相似理论。从内容上看,具有相对独立性,即与前后章节的关联性不大。量纲分析和相似原理,为科学地组织实验及整理实验成果提供理论指导,对于复杂的流动问题,还可借助量纲分析和相似原理来建立物理量之间的联系。量纲分析与相似原理是发展流体力学理论,解决实际工程问题的有力工具。
-
●5.1量纲分析的意义和量纲和谐原理
本节主要介绍量纲的概念和量纲和谐原理。掌握量纲的特性,以及与单位在概念上的区别。能写出流体力学中涉及的物理量的量纲表达式,理解量纲和谐原理的含义。
-
●5.2量纲分析方法
本节学习两种量纲分析方法,瑞利法和π定理。理解两种量纲分析方法的适用条件及解题方法。
-
●5.3相似理论基础
本节介绍相似的概念和相似准则,雷诺准则和弗劳德准则需要重点掌握。
-
●5.4模型实验
本节介绍模型实验,主要是模型律的选择和应用,重点掌握雷诺模型律和弗劳德模型律的应用。
-
第六章流动阻力和水头损失
本章主要讲述流体在通道(管道、渠道)内的流动阻力和水头损失规律。实际流体具有黏性,在通道内流动时,流体内部流层之间存在相对运动和流动阻力。流动阻力做功,使流体的一部分机械能不可逆转地转化为热能而散失,机械能损失。总流单位重量流体的平均机械能损失称为水头损失,只有解决了水头损失的计算问题,前面学习的恒定总流的伯努利方程才能用于解决实际工程问题。
-
●6.1流动阻力和水头损失的分类
本节简单介绍流动阻力和水头损失的分类和计算公式。两种阻力:沿程阻力和局部阻力;两种损失:沿程损失和局部损失。重点掌握两种损失的通用计算式。
-
●6.2黏性流体的两种流态
本节讲述雷诺实验和两种流动形态,即层流和紊流。理解两种流态的本质区别以及不同的沿程水头损失规律,会用雷诺数判别流体的流动形态。
-
●6.3沿程水头损失有与切应力的关系
本节主要是建立圆管均匀流基本方程,即沿程阻力与切应力的关系式。沿程阻力是造成沿程水头损失的直接原因,因此,建立沿程阻力与切应力的关系式,再找出切应力的变化规律,就能解决沿程水头损失的计算问题
-
●6.4圆管中的层流运动
层流常见于很细的管道流动,或者低速、高黏流体的管道流动,如阻尼管、润滑油管、原油输油管道内的流动。研究层流具有工程实用意义。本节学习圆管层流运动,主要包括层流的流动特征、速度分布、层流沿程水头损失的计算等。
-
●6.5紊流运动
自然界和工程中的大多数流动都是紊流。工业生产中的许多工艺过程,如流体的管道输送、燃烧过程、掺混过程、传热和冷却等都涉及紊流问题,相比层流,紊流更具有普遍性。本节学习紊流运动的脉动性和时均化、紊流半经验理论、断面流速分布,以及黏性底层等。
-
●6.6紊流的沿程水头损失
由于紊流的复杂性,至今未能像层流那样,严格地从理论上推导出来。工程上由两种途径确定沿程阻力系数λ值,一种是以紊流的半经验理论为基础,结合实验结果,整理成半经验公式;另一种是直接根据实验结果,综合成经验公式。本节将学习尼古拉兹实验和根据实验结果完善的紊流速度分布,以及工业管道λ的计算。
-
●6.7局部水头损失
在工业管道或渠道中,往往设有转弯、变径、分岔管、量水表、控制闸门、拦污格栅等部件和设备,流体流经这些部件时,均匀流动受到破坏,流速的大小、方向或分布发生变化。由此产生局部阻力,引起局部能量损失。本节主要介绍局部损失产生的原因和几种典型局部损失的计算。
-
第七章 孔口管嘴出流和有压管流
本章在前面流体动力学基本方程和水头损失计算方法的基础上,对流动现象进行分类研究,分别研究孔口、管嘴出流和有压管流的水力计算方法。
-
●7.1孔口出流
本节主要介绍孔口出流。主要内容包括孔口出流的分类、薄壁小孔口恒定自由出流和薄壁小孔口恒定淹没出流。容器壁上开出的泄流孔、水利和市政工程中的取水、泄水闸孔,以及某些测流量的设备均属孔口。
-
●7.2管嘴出流
本节主要研究圆柱外管嘴恒定自由出流的出流量计算以及正常工作条件。水力机械用水枪及消防水枪都是管嘴的应用。
-
●7.3短管的水力计算
本节内容主要包括有压管流的分类、简单短管自由出流、简单短管淹没出流、简单短管中有压流计算的基本问题和方法。短管是指水头损失中,沿程损失和局部损失都占相当比例,两者都不可忽略的管道,如水泵吸水管、虹吸管、铁路涵管以及工业送风管等都是短管。
-
●7.4长管的水力计算
本节研究长管的水力计算,包括简单长管、串联管道和并联管道。长管是有压管道的简化模型,由于长管不计流速水头和局部水头损失,使水力计算大为简化,并可利用专门编制的计算表进行辅助计算。
-
●7.5有压管路中的水击
本节研究有压管流的水击,具体包括水击现象、水击波的传播过程、水击压强的计算以及水击危害的预防。水击压强的大幅度波动,可导致管道系统强烈振动、噪声,造成阀门破坏,管件接头断开,甚至管道爆裂等重大事故。
-
第八章明渠流动
明渠流动是水流的部分周界与大气接触,具有自由表面的流动,也称无压流。水在渠道、无压管道以及江河中流动都属无压流。本章主要学习明渠均匀流。
-
●8.1概述
本节概要介绍明渠流的特点、明渠的底坡,以及棱柱形渠道与与非棱柱形渠道的概念。
-
●8.2明渠均匀流
明渠均匀流是流线为直线的明渠水流,也就是具有自由表面的等深、等速流。明渠均匀流是明渠流的最简单形式。本节主要包括渠均匀流形成条件和特征、过流断面的几何要素、明渠均匀流的基本公式、明渠均匀流的水力计算,以及水力最优断面和允许流速。
-
●8.3无压圆管均匀流
无压圆管是指圆形断面不满流的长管道,主要用于排水管道中。本节学习圆管均匀流。内容包括无压圆管几何要素与水力计算、输水性能最优充满度和设计流速。