《船舶流体力学》课程教学大纲

一、 课程教学大纲基本信息

二、 课程性质、任务与目的及基本要求

   课程性质：本课程是船舶与海洋工程专业的学科基础必修课程，是一门核心专业课程。

任务与目的：流体力学是船舶与海洋工程的一门主要的专业基础课程，培养学生分析、解决问题的能力，并为后继课程的学习打下坚实的基础。

基本要求: 通过本课程的学习，使学生掌握流体运动的基本概念、基本规律和流体对船舶或海洋结构物作用力的产生机理及基本计算方法。

三、 教学内容及要求

第一章 流体的性质

【 目的要求】

1. 了解流体的主要物理力学性质

2. 理解理解易流动特性和粘滞性，理解质量力和表面力，理解连续介质（质点的概念）、粘性流体、理想流体、不可压缩流体、可压缩流体。

3. 掌握牛顿内摩擦定律。质量力和表面力的计算。

【主要内容】

1.流体的定义。

2.流体的特性。

3.流体连续介质模型。

4.作用在流体上的力。

重点 ：易流动性、粘滞性、牛顿内摩擦定律、质量力、表面力、连续介质概念。

难点 ：粘性及粘性力计算。

第二章 流体静力学

【 目的要求】

1. 理解和掌握流体静压强及其特性

2. 理解欧拉平衡微分方程的物理意义。

3. 熟练掌握流体静压强公式，熟练掌握点压强的计算方法，掌握压强的计算基准和表示方法，熟练掌握静压强分布图，掌握压强的量测方法。

4. 熟练掌握计算作用于平面壁和曲面壁上的流体总压力。

1.压力，压力变化。

2.静水压力。

3.压力测量。

4.压力分布

5.平板压力。

6.曲面压力。

重点 ：流体静压强及其特性，点压强的计算，静压强分布图，压力体图，作用于平面壁的液体总压力，作用于曲面壁的流体总压力。

难点 ：复杂情况点压强的计算（利用等压面），压力体图，作用于曲面的流体总压力。

第三章 流体运动学基本理论

【 目的要求】

1. 了解描述流体运动的两种方法，掌握迹线、流线的概念及方程，掌握质点加速度表达式。

2. 了解描述流体运动的一些基本概念。

3. 熟练掌握流体运动学的积分形式和微分形式的基本方程。

【主要内容】

1.描述流体运动的两种方法。

2.迹线和流线。

3.流体微团变形和旋转。

4.有旋运动和无旋运动。

5.速度势。

重点 ：迹线与流线，应用欧拉法求流体质点的加速度，连续性方程。

难点 ：欧拉法表示的流体质点的加速度，流线。

第四章 流体动力学基本理论

【 目的要求】

1. 理解伯努利方程各项的意义

2. 熟练掌握伯努利方程、动量方程及与连续性方程的联合应用。

【主要内容】

1.流体动力学两个研究途径。

2.雷诺输运定理。

3.连续方程（质量守恒方程）。

4.流函数。

5.动量方程。

6.流体运动基本控制方程。

7.Bernouli方程。

重点 ：流函数、基本控制方程、伯努利方程及其应用，动量方程及其应用。

难点 ：伯努利方程、动量方程以及与连续性方程的联合应用。

第五章 旋涡理论

【 目的要求】

1. 熟练掌握无旋流和有旋流的定义，理解无旋流与有旋流。

2. 掌握涡线，涡管，漩涡强度，诱导速度等概念。

3. 熟知旋涡运动特点，兰金组合涡压力、速度分布规律，毕—沙定理应用。

【主要内容】

1.涡量场

2.Stokes定理。

3.涡量场的特性。

4.Helmholtz定理。

5.涡量的形成机理。

6.涡量动力学方程。

7.诱导速度场。

重点 ：Stokes定理、汤姆逊定理，毕—沙定理及应用，兰金组合涡，诱导速度。

难点 ：Stokes定理，诱导速度场。

第六章 势流理论

【 目的要求】

1. 了解速度势和流函数存在的条件及其特点，能求解平面势流流场的流函数和速度势。

2. 熟知几种简单势流，绕圆柱有环流动与无环流动特性。

3. 能运用势流迭加法和映像法求解简单流动问题。

4. 了解理想流体流动物面条件，驻点的概念，能求解升力，阻力，附加惯性力与附加质量。

【主要内容】

1.势流的基本控制方程。

2.势流的线性叠加原理。

3.物体绕流的势流流动。

4.匀速运动物体的势流流动。

5.物体势流绕流的有环流动。

6.非匀速运动物体的势流流动。

7.附加质量。

8.固定物体在非定常中绕流。

重点 ：理想流体物面条件，几种简单平面势流、绕圆柱有环流与无环流，附加惯性力与附加质量。

难点 ：流函数与速度势函数，势流叠加原理的运用，附加质量。

第七章 波浪理论

【 目的要求】

1. 掌握微振幅波运动的基本方程、边界条件。

2. 理解（熟悉）流体质点运动规律，压力分布。

3. 掌握自由面形状、波速、波长、周期，群速等波浪运动参数的计算。

【主要内容】

1.水波现象，水波描述。

2.水波的基本控制方程。

3.Airy波。

4.线性平面行进波。

5.波的线性叠加原理。

6.波能，波能传播。

7.船兴波阻力。

重点 ：波浪运动基本方程、边界条件，微振幅波特点、性质，波能与兴波阻力，波群与波群速。

难点 ：Airy波色散关系，波群和群速度。

第八章 粘性不可压流体理论

【 目的要求】

1. 掌握粘性流体基本控制方程。

2. 领会流动的力学相似概念，各个相似参数的物理意义，量纲分析法的应用。

3. 掌握П定理的应用，运用相似定理指导模型试验及试验结果的换算。

4. 熟知粘性流体两种流态及其判别，掌握简单管路的水力计算。

【主要内容】

1.粘性流动现象，粘性流动与理想流体。

2.粘性流动的基本控制方程。

3.几个简单的粘性流动。

4.层流与湍流。

5.湍流运动。

6.物体在流体中受到的力。

重点 ：粘性流体两种流态、圆管内层流、湍流及特点。

难点 ：湍流以及物体在流体中的作用力。

第九章 边界层理论

【 目的要求】

1. 理解掌握边界层的概念，掌握边界层的厚度表达式。

2. 掌握N—S方程推导的思路，各项的意义，二元平板间粘性流体流动特点。

3. 熟知边界层分离、形状阻力及减阻方法、运用边界层动量积分方程求解平板边界层问题、掌握船体摩擦阻力的计算方法。

【主要内容】

1.边界层概念。

2.边界层描述。

3.平面层流边界层控制方程。

4.曲面边界层分离现象。

5.边界层流动分离的控制。

重点 ：边界层概念，边界层动量积分方程，平板边界层，曲面边界层分离，减少粘性阻力方法。

难点 ：曲面边界层分离。

第十章 相似分析理论

【 目的要求】

1. 了解并掌握几何相似、运动相似、动力相似的定义，Re，Fr，Eu等相似参数的含义，量纲的定义。

2. 领会流动的力学相似概念，各个相似参数的物理意义，量纲分析法的应用。

3. 掌握П定理的应用，运用相似定理指导模型试验及试验结果的换算。

【主要内容】

1.相似概念和相似原理。

2.方程分析法

3.量纲分析

4.Rayleigh法和Π定理

5.模型试验设计

6.水面船舶阻力试验设计

重点 ：相似分析基本原理和分析方法。

难点 ：量纲分析法。

四、实验内容及要求

    实验1．静水压力试验

    【目的要求】 

    1、掌握用测压管测量流体静压强的技能

    2、验证不可压缩流体静力学基本方程。

    3、通过对诸多流体静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实际 问题的能力。

    4、巩固绝对压强、相对压强、真空度概念。

    【主要内容】 

    1. 搞清仪器组构及其用法

    2. 记录仪器编号及各常数

    3. 量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。

    4. 测出4# 测压管插入小水杯中的深度(现场)。

    5. 测定油比重。

    实验2．文丘里流量计试验

    【目的要求】 

    1、掌握文丘里流量计的原理。

    2、学习用比压计测压差和用体积法测流量的实验技能。

    3、利用量测到的收缩前后两断面测管水头差，根据理论公式计算管道流量，并与实测流量进行比较，从而对理论流量进行修正，得到流量计的流量系数，即对文透里流量计作出率定。

    【主要内容】 

    1.了解用压差计测压差和用体积法测流量的原理和步骤。

    2.整理实验结果，得出流量计在各种流量下的 ， ， ， 和 值，绘制实 的率定关系曲线及 曲线。

    3. 对实验结果进行分析讨论。

    实验3．伯努利方程实验

    【目的要求】 

    1、观察流体流经能量方程试验管的能量转化情况，对实验中出现的现象进行分析，加深对能量方程的理解；

    2、掌握一种测量流体流速的原理；

    3、验证静压原理。

    【主要内容】 

    1．验证静压原理：

    2．测速。能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管，可测得管内任一点的流体点速度。

    3．观察和计算流体、管径，能量方程试验管（伯努利管）对能量损失的。

    实验4．雷诺实验

    【目的要求】 

    1、观察流体在不同流动状态时流体质点的运动规律。

    2、观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。

    3、测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数

    【主要内容】 

    1．准备工作。将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度不变。

    2．使玻璃管中水稳定流动，使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。

    3．观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量，计算出下临界流速 。

五、学时分配建议

六、教学建议

先修课程：

高等数学，复变函数，场论。

对本课程所使用的教材要求：

根据本大纲要求，编写出较新较高水平的讲义。

对教学手段的改进：

1）虽然本课程是以理论教学为主，但也要充分利用船舶与海洋工程流体力学实验室，提高学生对流体性质的感性认识，进一步提升学生将理论与实践相结合的能力。

2）应用多媒体、课程网站、数字化学习中心等现代教育技术手段，充分调动学生学习的主动积极性，不断提高教学效果和教学质量。

3）重视课外作业。

4）加强教学法研究和教学经验交流。

七、课程考核方式

考试成绩：由平时成绩和期末考试成绩组成，其中平时成绩占20%,期末成绩占80%。期末闭卷笔试。

八、教材及参考书建议

1. 教材

《船舶流体力学》，朱仁庆等，国防工业出版社，2015。

2. 参考书目

[1] 《流体力学》，张兆顺、崔桂香，清华大学出版社，2002

[2] 《流体力学》，周光坰，严宗毅等，高等教育出版社，2000

广州航海学院

教学日历

编号：GMU-B-14-04

2018～2019学年第2学期