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《水力學(xué)》課程教學(xué)大綱
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發(fā)表于 2010-10-13 01:20
樓主
一、水力學(xué)課程的性質(zhì)和任務(wù)
（一）課程的性質(zhì)和任務(wù) 水力學(xué)是水利類各專業(yè)的一門主要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。 水力學(xué)課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握液體運(yùn)動的一般規(guī)律和有關(guān)的基本概念、基本理論，學(xué)會必要的分析計(jì)算方法和一定的實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)，為學(xué)習(xí)專業(yè)課程，從事專業(yè)技術(shù)工作，進(jìn)行科學(xué)研究打下必要的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。（二）本課程與其它有關(guān)課程的聯(lián)系和分工 學(xué)生學(xué)習(xí)水力學(xué)以前必須學(xué)完高等數(shù)學(xué)、普通物理、理論力學(xué)、材料力學(xué)和算法語言等課程。這樣，對于有關(guān)內(nèi)容，如微分、積分、矢量、偏導(dǎo)數(shù)、泰勒公式、微分方程、液體的物理特性、動能定律、動量定律、達(dá)朗貝爾原理、勢函數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變和計(jì)算機(jī)編程具有一定的基礎(chǔ)，在水力學(xué)中主要是運(yùn)用這些知識，不必詳細(xì)講解。 水力學(xué)是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，應(yīng)當(dāng)理論聯(lián)系實(shí)際，但應(yīng)以分析水流現(xiàn)象，揭示水流運(yùn)動規(guī)律，加強(qiáng)水力學(xué)的基本概念和基本原理的講解為主，不宜過分強(qiáng)調(diào)專業(yè)需要，以致削弱水力學(xué)基礎(chǔ)理論的講解。 二、課程教學(xué)基本內(nèi)容和重點(diǎn) （一）基本內(nèi)容 1、緒論 （1）水力學(xué)任務(wù)和水利工程中的水力學(xué)問題； （2）液體主要物理力學(xué)性質(zhì)，內(nèi)摩擦定律，牛頓液體與非牛頓液體； （3）連續(xù)介質(zhì)和理想液體概念； （4）作用在液體上的力：表面力和質(zhì)量力； （5）水力學(xué)的研究方法。 2、水靜力學(xué) （1）靜水壓強(qiáng)及其特性； （2）重力作用下靜水壓強(qiáng)的基本方程式及其物理意義，等壓面的概念； （3）壓強(qiáng)的表示法：絕對壓強(qiáng)、相對壓強(qiáng)和真空度； （4）壓強(qiáng)的量測：測壓管、U型水銀壓力計(jì)、壓差計(jì)； （5）作用于平面上的靜水總壓力：壓強(qiáng)分布圖，靜水總壓力的大小、方向和作用點(diǎn)； （6）作用于曲面上的靜水總壓力：水平壓強(qiáng)分布圖和壓力體圖； （7）作用于物體上的靜水總壓力，物體的浮沉； （8）幾種質(zhì)量力作用下的液體平衡。 3、水動力學(xué)基礎(chǔ)（一元流） （1）描述液體運(yùn)動的兩種方法：拉格朗日法和歐拉法，流線和跡線； （2）恒定流與非恒定流； （3）水流的幾個(gè)基本概念：流管、微小流束、總流、過水?dāng)嗝�、流量、斷面平均流速、一元流、二元流、三元流�?br /> （4）恒定一元流連續(xù)性方程； （5）均勻流、非均勻流、漸變流與急變流； （6）恒定一元流微小流束能量方程和總流能量方程及其應(yīng)用，畢托管、文 丘里流量計(jì)、孔口出流、管嘴出流，變水頭孔口出流時(shí)間計(jì)算； （7）恒定一元流動量方程及其應(yīng)用舉例。 4、量綱分析和相似原理 （1）量綱的基本概念，量綱和單位； （2）量綱合諧原理； （3）π定理及其應(yīng)用舉例； （4）相似概念，流動相似特征，幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似； （5）單項(xiàng)力作用下的相似準(zhǔn)則：重力準(zhǔn)則（佛汝德準(zhǔn)則）、粘性準(zhǔn)則（雷諾準(zhǔn)則），簡介慣性力相似準(zhǔn)則、表面力相似準(zhǔn)則、彈性力相似準(zhǔn)則、壓力相似準(zhǔn)則； （6）水工模型設(shè)計(jì)簡介。 5、液流型態(tài)和水頭損失 （1）水頭損失的概念和分類，沿程水頭損失和局部水頭損失； （2）邊界條件對水頭損失的影響； （3）均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力關(guān)系，沿程水頭損失的一般表達(dá)式：達(dá)西公式； （4）液體運(yùn)動的兩種型態(tài)及其判別：層流和紊流及其判別，雷諾數(shù)的物理意義； （5）圓管中層流運(yùn)動及其沿程水頭損失； （6）紊流特征：脈動現(xiàn)象、瞬時(shí)值、時(shí)均值、脈動值、紊動強(qiáng)度，紊動產(chǎn)生附加切應(yīng)力，混合長度理論，粘性底層，紊流速度分布； （7）沿程阻力系數(shù)變化規(guī)律：沿程阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)和相對粗糙度的關(guān)系（尼庫拉茲圖），莫迪圖，水力光滑區(qū)、過渡區(qū)和粗糙區(qū)的差別及計(jì)算各區(qū)λ值的經(jīng)驗(yàn)公式； （8）沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式：謝才公式、曼寧公式； （9）局部水頭損失：局部水頭損失的一般表達(dá)式，圓管突然放大的局部水頭損失，局部阻力系數(shù)。 6、恒定有壓管流 （1）管道類型； （2）簡單管道水力計(jì)算的基本公式； （3）簡單管道水力計(jì)算的基本類型和實(shí)例； （4）復(fù)雜管道的水力計(jì)算：串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分岔管道、沿程均勻泄流管道（農(nóng)水）管網(wǎng)（給排水）； （5）測壓管水頭線和總水頭線繪制； （6）變水頭管道泄流時(shí)間的計(jì)算。 7、非恒定有壓管流 （1）閥門突然關(guān)閉和逐漸關(guān)閉時(shí)管道中的水擊：水擊現(xiàn)象，水擊波傳播速度，直接水擊和間接水擊； （2）管道非恒定流的基本方程：連續(xù)性方程和運(yùn)動方程； （3）水擊的基本微分方程組：水擊連續(xù)性方程、水擊運(yùn)動方程，水擊連鎖方程及其應(yīng)用； （4）調(diào)壓井水面振蕩簡介。 8、明渠恒定水流 （1）明渠恒定均勻流 ①明渠類型； ②明渠均勻流的特性及產(chǎn)生的條件； ③明渠均勻流計(jì)算公式； ④水力最佳斷面和允許流速； ⑤明渠均勻流水力計(jì)算類型； ⑥粗糙度不同的明渠和復(fù)式斷面明渠的水力計(jì)算。 （2）明渠恒定非均勻流 ①明渠水流的三種流態(tài)及判別，佛汝德數(shù)的物理意義； ②斷面比能及比能曲線的特性； ③臨界水深計(jì)算及實(shí)例； ④緩坡、陡坡和臨界坡度； ⑤明渠非均勻漸變流的微分方程式：基本方程式、水深、斷面比能和水位沿程變化的微分方程； ⑥棱柱體渠道恒定漸變流水面曲線的分析； ⑦棱柱體及非棱柱體渠道水面曲線計(jì)算：逐段試算法； ⑧恒定非均勻流流量和糙率計(jì)算； ⑨河道水面曲線的計(jì)算：試算法和圖解法。 （3）水躍 ①棱柱體水平明渠水躍方程； ②水平明渠水躍共軛水深的計(jì)算； ③水躍方程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證； ④棱柱體水平明渠水躍能量損失和躍長的計(jì)算。 *9、明渠非恒定流 （1）明渠非恒定流的特性和波的分類； （2）明渠非恒定漸變流基本方程式：連續(xù)性方程和運(yùn)動方程； （3）初始條件和邊界條件； （4）明渠非恒定流的計(jì)算方法：特征線法和瞬態(tài)法； （5）明渠非恒定急變流：波額流段的連續(xù)性方程和動量方程，波額流量。 10、堰流和閘孔出流 （1）堰流類型：薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰； （2）堰流的基本公式； （3）薄壁堰、實(shí)用堰和寬頂堰的水力計(jì)算，流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、流速系數(shù)和淹沒系數(shù)，實(shí)用堰剖面設(shè)計(jì)原則簡介； （4）閘孔出流的水力計(jì)算：底坎為寬頂堰型和曲線型實(shí)用堰的閘孔出流。 11、泄水建筑物下游水流銜接和消能 （1）底流式消能的水力計(jì)算，溢流壩下游收縮斷面水深的計(jì)算，降低護(hù)坦及建消能壩形成消能池的水力計(jì)算； Δ（2）挑流式消能的水力計(jì)算： Δ（3）面流消能及消能戽消能水流特性簡介。 12、液體運(yùn)動的流場理論 （1）流場、速度、加速度； （2）流線、跡線及其微分方程； （3）液體微團(tuán)運(yùn)動的基本形式：平移、線變形、角變形和旋轉(zhuǎn)； （4）無渦流、有渦流、速度環(huán)量和渦通量； （5）液體運(yùn)動的連續(xù)性方程式； （6）理想液體運(yùn)動微分方程式及其積分，動水壓強(qiáng)特性，歐拉方程式，葛羅米柯方程式及其積分； （7）實(shí)際液體運(yùn)動微分方程式：納維埃一斯托克斯方程； （8）邊界層概念。 13、恒定平面勢流 （1）恒定平面勢流的流速勢及流函數(shù)； （2）流網(wǎng)法解平面勢流：流網(wǎng)原理，流網(wǎng)的繪制和應(yīng)用。 14、滲流 （1）滲流基本概念和滲流模型； （2）達(dá)西定律及其應(yīng)用條件，滲透系數(shù)； （3）恒定均勻滲流和非均勻漸變滲流，杜比公式； （4）棱柱體地下河槽恒定漸變流浸潤線的分析和計(jì)算； （5）普通井及井群滲流計(jì)算； （6）滲流場的基本微分方程式及其解法簡介； （7）用流網(wǎng)法解平面滲流； （8）水電比擬法繪流網(wǎng)。 注：有符號Δ者，水工、農(nóng)水、施工講，水文、水資源、給排水不講；有符號*者，水文、水資源講，水工、農(nóng)水、施工、給排水不講。 （二）各部分內(nèi)容的重點(diǎn)、深度和廣度 1、緒論 （1）液體的物理力學(xué)性質(zhì)是重點(diǎn)，對液體的粘滯性，牛頓內(nèi)摩擦定律要講深講透，使學(xué)生掌握； （2）水力學(xué)任務(wù)和水利工程中的水力學(xué)問題，水力學(xué)研究方法只需作簡單扼要介紹； （3）學(xué)生能正確理解理想液體和連續(xù)介質(zhì)的概念及其應(yīng)用。 2、水靜力學(xué) （1）重點(diǎn)是靜水壓強(qiáng)的基本公式、等壓面概念和作用在平面、曲面上的靜 水總壓力，能正確熟練地繪出壓力體圖。本章應(yīng)配合一定數(shù)量的習(xí)題，使學(xué)生熟練地掌握： （2）壓強(qiáng)的表示方法和壓強(qiáng)單位較多，應(yīng)講解其關(guān)系，避免引起混亂； （3）幾種質(zhì)量力作用下的液體平衡，應(yīng)結(jié)合例題講解，如圓柱盛水容器等角速度旋轉(zhuǎn)和小車勻加速運(yùn)動，以加強(qiáng)壓強(qiáng)微分方程式理解和運(yùn)用。 3、水動力學(xué)基礎(chǔ) （1）這部分內(nèi)容頭緒較多，講授時(shí)要注意系統(tǒng)性，做到承上啟下，前后連貫； （2）連續(xù)性方程、能量方程、動量方程是重點(diǎn)，這部分應(yīng)講深講透，結(jié)合實(shí)例分析三大基本方程的應(yīng)用條件和注意的問題及解題步驟，使學(xué)生正確理解其意義，通過習(xí)題熟練地掌握這些方程： （3）液體運(yùn)動的兩種方法，主要使學(xué)生理解歐拉法，由歐拉法引出流線的概念，講清楚流線的特點(diǎn)； （4）應(yīng)使學(xué)生正確理解流量、斷面平均流速、漸變流和急變流動水壓強(qiáng)分布的概念和應(yīng)用。 4、量綱分析和相似原理 （1）π定理的應(yīng)用和相似準(zhǔn)則是重點(diǎn)； （2）著重指出無量綱數(shù)在表達(dá)普遍的水流規(guī)律中的重要意義； （3）使學(xué)生正確理解量綱合諧是分析流動的一個(gè)重要手段，說明相似的重要性。 5、液流型態(tài)和水頭損失 （1）這部分內(nèi)容頭緒繁多，講授中要點(diǎn)明各部分內(nèi)容之間的關(guān)系，彼此緊密銜接，上下呼應(yīng)，做到條理分明。講完后應(yīng)總結(jié)，使學(xué)生明確問題的提出、發(fā)展和結(jié)論，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體； （2）達(dá)西公式、層流紊流特征、雷諾數(shù)、沿程阻力和局部阻力是重點(diǎn)； （3）使學(xué)生清晰理解造成水頭損失的原因及影響因素； （4）著重講述雷諾數(shù)的物理意義和流態(tài)判別； （5）對紊流各區(qū)的沿程阻力系數(shù)λ值的經(jīng)驗(yàn)公式只提出不必作深入講解。 6、有壓管道恒定流 （1）短管和長管水力計(jì)算和水頭線繪制是重點(diǎn)。通過習(xí)題使學(xué)生掌握計(jì)算方法和總水頭線、測壓管水頭線的繪制； （2）管道水力計(jì)算類型可總結(jié)式講述，使學(xué)生有一個(gè)完整概念； （3）復(fù)雜管道著重講述各種管道的特點(diǎn)和用基本公式解題的方法。 7、有壓管中的非恒定流 （1）水擊過程、管道非恒定流的基本方程是重點(diǎn)，著重使學(xué)生掌握其物理概念； （2）通過習(xí)題作業(yè)使學(xué)生能夠會應(yīng)用水擊連鎖方程解題，不必過多地結(jié)合專業(yè)講述管道非恒定流的計(jì)算； （3）調(diào)壓井只簡單介紹，得出調(diào)壓井計(jì)算的基本微分方程，不必講述求解過程。 8、明渠恒定流 （1）明渠均勻流的特性、佛汝德數(shù)物理概念及緩流、急流、臨界流的判別，棱柱體明渠水面曲線分析，水躍的共軛水深計(jì)算是重點(diǎn)； （2）明渠均勻流水力計(jì)算，學(xué)生應(yīng)掌握試算法和圖解法； （3）水面曲線只著重分析底坡i＞0、i＜ik的棱柱體渠道，其它底坡的水面曲線只列出結(jié)論。水面曲線的定性分析要多布置一定的習(xí)題使學(xué)生熟練掌握； （4）水面曲線計(jì)算方法較多，主要講逐段試算法，學(xué)生會編程序計(jì)算，其它方法可以簡要介紹或不講； （5）河道水面曲線計(jì)算對水文專業(yè)學(xué)生要求掌握； （6）水躍主要講解棱柱體水平底坡明渠中的水躍，對底坡i＞0的棱柱體或非棱柱體渠道只作簡介或省略。 9、明渠非恒定流 （1）連續(xù)性方程和運(yùn)動方程是重點(diǎn)； （2）學(xué)生應(yīng)掌握特征線法和瞬態(tài)法計(jì)算水面曲線，結(jié)合大作業(yè)加深和鞏固基本方程的理解； （3）明渠非恒定急變流只扼要講解，潰壩水流可以不講。 10、堰流閘孔出流 （1）堰流、閘孔出流的判別和過流能力的計(jì)算是重點(diǎn)； （2）學(xué)生應(yīng)正確理解堰閘的流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)和淹沒系數(shù)，會根據(jù)不同類型堰閘選用各種系數(shù)，對各種系數(shù)不必過多講解。寬頂堰最大流量系數(shù)小于0.385應(yīng)使學(xué)生掌握： （3）實(shí)用堰剖面設(shè)計(jì)只介紹WES剖面，其它類型剖面可以不講。講解的目的在于說明剖面對流量系數(shù)的影響。 11、 泄水建筑物下游水流的銜接和消能 （1）底流式消能的水力計(jì)算是重點(diǎn)； （2）溢流壩下游收縮斷面水深計(jì)算著重講迭代法，簡單講試算法和查圖法； （3）挑流式消能主要分析挑流長度的挑坎尺寸，簡介沖刷坑深度； （4）面流消能簡介水流特點(diǎn)。 12、液體運(yùn)動的流場理論 （1）重點(diǎn)是液體運(yùn)動的連續(xù)性方程、實(shí)際液體運(yùn)動的微分方程及其物理意義； （2）液體微團(tuán)運(yùn)動的基本形式，要使學(xué)生有一個(gè)正確的理解。講授時(shí)以說明物理概念和數(shù)學(xué)表達(dá)式的物理意義為主； （3）講清理想液體和實(shí)際液體動水壓強(qiáng)的區(qū)別及關(guān)系，可以不必詳細(xì)推導(dǎo)； （4）歐拉方程和納維埃一斯托克斯方程是流體力學(xué)中的基本方程，應(yīng)使學(xué)生能正確地理解和分析應(yīng)用。講解中應(yīng)與前面恒定流基本方程聯(lián)系起來。 l3、恒定平面勢流 （1）流網(wǎng)原理和流網(wǎng)繪制是重點(diǎn)； （2）說明勢函數(shù)和流函數(shù)的物理概念及其關(guān)系，使學(xué)生有一個(gè)正確的理解。 14、滲流 （1）滲流的達(dá)西定律和電擬法是本章重點(diǎn)； （2）通過習(xí)題要求學(xué)生初步繪制流網(wǎng)和掌握用流網(wǎng)法求解滲流場的方法； （3）電比擬法中著重講原理，配合實(shí)驗(yàn)使學(xué)生初步掌握電擬法的操作； （4）土壩滲流可以簡介，不必詳細(xì)講解。 三、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)及學(xué)習(xí)分配 （一）習(xí)題作業(yè) 習(xí)題作業(yè)的基本要求是：鞏固和加深理解所學(xué)的基本概念和基本理論，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和靈活運(yùn)用知識的能力，提高計(jì)算技能，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和獨(dú)自獲取知識的能力。習(xí)題作業(yè)也是理論聯(lián)系實(shí)際的一個(gè)途徑。習(xí)題包括思考題和計(jì)算題。 習(xí)題作業(yè)應(yīng)與講課密切配合。講課中講解必要的例題，課后布置習(xí)題作業(yè)，利用課外時(shí)間完成。輔導(dǎo)課可用來分析總結(jié)習(xí)題中的錯誤和問題，在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行課堂討論，解決有關(guān)概念或原理中的疑難問題。 水力學(xué)課外學(xué)時(shí)為課內(nèi)學(xué)時(shí)的1.5倍，除了復(fù)習(xí)、閱讀參考書外，可用來完成習(xí)題作業(yè)。完成習(xí)題作業(yè)的數(shù)量為130~200題，針對具體情況，可以布置必作題和選作題，既要避免學(xué)生負(fù)擔(dān)過重，又要做到因材施教，使能力較強(qiáng)的學(xué)生獲得較多的訓(xùn)練。 水文、水資源學(xué)生應(yīng)作明渠非恒定流大作業(yè)。 |
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