教学大纲

一、课程基本信息

课程代码：NA235

课程名称（中/英文）：船舶流体力学/Introduction to Marine Hydrodynamics

学时/学分：68/4

先修课程：《高等数学》《线性代数》《理论力学》

面向对象：船舶与海洋工程、轮机工程、港口航道与海岸工程及其相关专业的本科生。

二、课程性质和任务

 《船舶流体力学》是船舶与海洋工程本科学习的一门重要的专业基础课程，它主要介绍船舶流体力学的基础知识和分析方法，包括流体的基本性质、流体静力学、流体运动的描述方法、流体动力学基本控制方程、流体旋涡运动、理想流体势流运动、水波运动、粘性流体力学、流体边界层、流体力学相似与因次分析法、计算流体力学和实验流体力学等基本概念和知识。要求学生学习和掌握船舶流体力学的基本概念、理论和分析方法，学习计算流体力学和实验流体力学的入门知识；不仅对流体力学的理论体系有全面了解和认识流体力学新的发展方向，而且要用流体力学的观点和方法观察、思考和分析流动现象。

三、教学内容和基本要求

《船舶流体力学》课程分为十二章，各章内容自成体系又相互连贯，注重流体力学概念介绍和系统讲解流体力学的理论和分析方法。

序号	知识模块顺序	学时	章节重点及难点
1	序论和流体的基本特性介绍	2	重点说明连续介质的概念及其在流体力学中的重要意义。着重讲授流体的粘性和牛顿内摩擦定律，介绍牛顿流体和非牛顿流体的区别。说明理想流体的基本性质。
2	流体静力学	5	着重讲述在静止流体中，某一点的静压力和该点深度的关系，等压面的概念。强调静止流体对平面和曲面的作用力、压力体和浮力的计算。
3	流体运动学	6	难点是如何运用欧拉法来描述流体运动。重点说明欧拉法，讲清流线、迹线、流管、定常和非定常、有旋和无旋运动、一元二元和三元流动以及质点导数等基本概念。推导连续方程，说明其物理意义，并以此引入流函数的概念。由无旋运动概念导出速度势。
4	流体动力学	6	欧拉方程、伯努利方程、动量方程及其应用是本章的重点。应注意伯努利积分的条件及其每项的物理意义。
5	流体的旋涡运动	6	理解涡量场、涡线、涡管、涡丝、涡通量、旋涡强度、速度环量、点涡的基本概念，重点讲解Stokes定理， Kelvin定理，旋涡不生不灭定理，旋涡场Helmholtz三定理。
6	理想流体的势流运动	8	重点是如何利用迭加法，确定满足内外边界条件的速度势。熟练导出绕圆柱体无环流和有环流流动的速度势、速度、压力的表达形式。正确理解流体作变速运动时附加惯性力和附加质量的概念及其计算方法。
7	水波基本理论	6	重点讲授小振幅波基本方程和边界条件、初始条件。
8	不可压粘性流体运动的基本理论	7	重点讲授粘性流体的本构关系（即广义牛顿流体内摩擦定律）、粘性流体压力与理想流体压力的区别；N-S方程的各项物理意义及其在不同条件下的简化。
9	边界层基本理论	6	本章重点是边界层基本方程、动量积分方程、边界层离体及其条件。学生必须掌握边界层排挤厚度、动量损失厚度、平板边界层动量积分方程及其平板边界层的计算、边界层离体的条件。
10	流动相似与因次分析	4	重点是流体动力相似的概念、因次分析法和相似准则的意义及其应用。
11	计算流体力学基本知识介绍	4	重点是流动问题的数值模型的建立，计算区域和边界条件的选取和定义，网格划分与生成，方程离散方法与格式。
12	实验流体力学基本知识介绍	4	重点是实验模型的选取与设计，实验方案确定，测试仪器选取与布置，采集实验数据，处理和分析实验数据。

四、课程实验内容和基本要求

实验流体力学是流体力学非常重要的一个分支，主要用实验方法研究自然界或工农业中的流动现象和规律以及流体与固体之间的相互作用。实验研究的内容可分为基础性和应用性两种。前者主要研究流动的基本现象和规律，如物体表面边界层的发展、湍流结构、旋涡、分离运动、尾迹等。由于实验条件可控，产生的流动具有典型性，有利于揭示复杂流动的本质和规律，提供合理的流动模型，成为理论发展的基础。应用性研究主要为工程设计提供有关布局技术和具有足够精度的流体动力数据。

实验名称	学时	实验内容	试验介绍
旋涡流谱显示实验	2	通过粘性流体在大雷诺数下流动，观察流体绕流运动的流谱	漩涡流谱仪是另一种流场显示装置。贮液槽连接一水泵，液体从中路由下而上流入二块间距较近的有机玻璃板槽，沿两侧流下回贮液槽。设计了多种形状的流道和绕流物，显示各种不同的流动现象，如粘性流体绕圆柱体、钝体、流线型体、节流器、收缩扩张管等的流谱，分离流动、卡门涡街等。流道隔成三个区，中间向上流，两侧向下回流，形成循环式流动。流体在流动时吸进空气，形成无数个小气泡，气泡随液体一起流动，在灯光照射下显示流体的流动图谱。
流体流速和流量测量	3	熟悉用毕托管测流速并计算流量	流体流动时的能量，对于不可压缩的流体，三种能量（静压能、动压能、位压能）之和为一个常数。本实验位压能很小，可以忽略。因此，静压能和动压能之和为常数，称为总压能，总压力和静压力通常用毕托管来测量，测量时，将毕托管插入被测气流中，压力计上则反映出h总和h静。毕托管测得的为某点的局部速度，为了测定截面上的平均速度，必须将截面按面积均分若干份，测定各份速度，然后再求它们的算术平均值。

 

五、对学生能力培养的要求

本课程主要是为了让学生了解和掌握流体力学的基本概念和知识，学会用流体力学的观点和方法观察、思考、解释和分析流动现象，同时了解计算流体力学和实验流体力学的入门知识，认识流体力学新的发展方向，为后续船舶、海洋、轮机和港口等的专业课程学习奠定基础。

六、教材和教学资料：

1、《船舶与海洋工程水动力学基础》，自编讲义；

2、《船舶流体力学》多媒体课件，共2000多页，16GB；

3、《船舶流体力学》网站，http://dcwan.sjtu.edu.cn/naocecfd/

4、《水动力学基础》，刘岳元、冯铁城、刘应中编，上海交通大学出版社，1990；

5、《流体力学》，许维德，国防工业出版社，1989；

6、《Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications》, Y.A. Cengel & J.M. Cimbala, McGraw-Hill, 2006.

7、《Fluid Mechanics》，5th Ed., F.M.White, McGraw-Hill, 2003.

8、《An Introduction to Fluid Dynamics》, G.R. Batchelor, Cambridge University Press, 1967.

七、其它说明

1、课程相关实验安排在力学系流体力学实验室，船舶与海洋工程系的船舶拖曳水池、风浪流水池和深水实验水池进行。

2、基于学业规范的要求（道德行为规范、作业规范、试验规范等）：

（1）应遵守学校《上海交通大学学生手册（本科生）》里有关学术诚实的条例；

（2）上课准时，上课期间，关掉手机。

3、考试成绩除了笔试（70%）外，还包括平时的作业和讨论（30%）。