中国海洋大学本科生课程大纲
课程名称 | 环境流体力学 Environmental Fluid Mechanics | 课程代码 | 074502101211 |
课程属性 | 学科基础 | 课时/学分 | 48/3 |
课程性质 | 必修 | 实践学时 | 0 |
责任教师 | 张越美 | 课外学时 | 0 |
一、课程介绍
1.课程描述：
许多环境问题涉及流体运动。流体运动决定着物质在大气、河流、湖泊、海洋和地下水中的迁移输运过程。《环境流体力学》内容不仅包括流体静力学、运动学、动力学、量纲分析和相似原理、层流湍流和边界层等流体力学基本知识和方法，还包括环境流体（大气、河流、湖泊、海洋和地下水）的运动特征和物质在环境流体中的输运过程等。通过该课程的学习，学生对流体力学不仅有基本认识，掌握其基本理论和方法，还具有利用理论方法对实际流体运动和物质输运问题涉及的力学和污染物浓度分布问题有一定的定量计算能力。
2.设计思路：
按从运动现象到力学本质，从理论知识到工程应用，本课程依次讲述流体力学的重要知识模块，包括流体静力学、运动学、动力学、量纲分析和相似原理、层流湍流和边界层、环境流体的运动特征和物质在环境流体中的输运计算等八大知识内容模块。
重点讲述的知识点包括：静止流体的压力和压强计算；应用流体连续方程计算流速；运动方程、伯努利方程和动量方程综合运用，计算流速、压强和压力；量纲分析法建立物理量的计算公式；层流和湍流的差异以及湍流运动方程；绕流阻力计算；环境流体的运动特征、近似理论和运动方程；(瞬时和连续)点源（溶解态的保守和非保守物质）在（无或多）边界影响下的一维、二维和三维对流扩散下的浓度分布计算。
本课程有相应的实验课程相辅助，教学过程注重流体力学理论知识与应用实践的联系。课程采用课堂教学和网络学习相结合的混合教学模式，开展课堂讲授、课后作业、学生小组讲座和网上学习等多种教学形式。通过课堂讲授和课下作业，学生掌握流体力学的基本概念、原理、方程和综合计算应用。在小组的讲座和课堂讨论环节，学生查阅资料和交流合作完成PPT讲座。在网络学习环节，学生完成思考题和各小组讲座的交流探究。
3. 课程与其他课程的关系：
先修课程：高等数学II；并行课程：《环境流体力学》实验；后置课程：《环境影响评价》、《环境海洋学》、《空气污染气象学》、《近海环境预测技术》。本课程为这四门课程提供了环境动力学的理论和计算方法基础。
二、课程目标
本课程目标是培养环境科学专业学生应用数学和流体力学知识，解决实际环境问题中流体动力学的定量计算问题，引导学生探究和创新，增强沟通能力和团队合作意识。到课程结束时，学生应能：
（1）认识环境问题和流体运动的关系，掌握流体力学基本知识和方法，分析计算环境问题中的流体动力学问题，具备学习后续课程及从事物质输运预测技术工作的基础知识。
（2）具备运用计算机，查询和分析网络资料、制作自主探究讲座ppt和使用网络教学平台的能力。
（3）针对实际问题开展小组自主研究，通过课堂演讲和在线研究报告的互动提问解答等形式展现其研究成果；提高研究创新和团队合作能力。
三、学习要求
为达到最佳的学习效果，学生需完成所有的课程任务：
课前，学生按教学计划完成相应章节的预习。课中，学生认真听课，力争即时理解重点知识内容，积极参与课堂小组讨论。课下，及时完成和上交课后作业，小组成员加强交流合作，利用互联网和图书资料主查询有关知识，按时及时完成小组专题讲座和在线学习的各项探究活动。
四、参考教材与主要参考书
1、选用教材：刘鹤年主编，《流体力学》[M]. 北京，中国建筑工业出版社，2004年第二版。
2、主要参考书（电子书）
[1] 余常昭. 1992. 环境流体力学导论[M].北京.清华大学出版社
[2] 《环境中的输运》（MIT麻省理工学院开放课程，英文版讲义），英文课程名称： Transport Processes in the Environment (Lecture Notes) .网址：http://ocw.mit.edu/courses/civil-and-environmental-engineering/1-061-transport-processes-in-the-environment-fall-2008/
[3] 《河流、湖泊和河口的水动力和水质模拟》(第9版,英文版)，英文书名：Hydrodynamics and Water Quality Modeling Rivers, Lakes and Estuaries，季正刚（Zhen-Gang Ji）著，约翰威利父子公司（John Wiley & Sons, Inc.）2008年出版。
[4] 《环境流体力学》(英文版)，英文书名：Environmental Fluid Mechanics，希尔·罗宾（Hillel Rubin）, 约瑟夫·阿特金森（Joseph Atkinson）著.马可德克尔，公司（Marcel Dekker, Inc.） 2001出版。
五、进度安排
序号 | 专题 | 主题 | 计划 课时 | 主要内容概述 | 课外练习 |
1
| 绪论
| 流体力学研究任务和方法；作用在流体上的力；流体主要物理性质；课程课程要求和学生分组 | 3
| 环境流体力学研究内容和3种研究方法；流体的常见作用力；牛顿内摩擦定律的计算；流体的粘性和不可压缩性； | 《流体力学》作业P14-15： 运用牛顿内摩擦定律，计算粘度和摩擦力； 网上学习任务 |
2
| 流体静力学 | 静止流体中应力的特性；流体平衡微分方程；重力场中流体静压强的分布规律；流体的相对平衡 |
6
| 流体静压强及其特性；流体平衡微分方程；计算重力场中流体静压强的分布；计算液体的相对平衡问题；计算流体对平面和曲面的压 力。 | 《流体力学》作业P40-44： 计算静止和含对平衡流体的压力和压强 网上学习任务 |
3
| 流体运动学
| 流体运动的描述方法；欧拉法的基本概念；连续性方程 |
6
| 拉格朗日法和欧拉法；流体流动的分类判别；流体加速度、质点导数的概念；流线和轨迹方程的推导和计算；推导可压缩流体和不可压缩流体的连续性方程。 | 《流体力学》作业P65-66： 计算加速度、流线和轨迹；流体流动的分类判别（恒定、无旋、均匀、不可压缩）；网上学习任务 |
4
| 流体动力学
| 流体的运动微分方程；伯努利方程；恒定总流的动量方程；无粘性流体的无旋流动
|
6
| 无黏流体运动微分方程、黏性流体运动微分方程（N-S方程）； 无粘性、粘性和无旋下伯努利方程的物理意义和适应范围。运用连续方程、运动方程、伯努利方程、动量方程计算解决工程中有关流速、压强、作用力的计算。 |
《流体力学》作业 P105-108： 应用连续方程、伯努利方程、动量方程，计算流速、流量、压强和作用力； 网上学习任务 |
5
| 量纲分析和相似原理
| 量纲分析的意义和量纲和谐原理；量纲分析；相似理论；学生讲座
|
3
| 量纲分析法（瑞利法和π定理），建立待定物理量和其他相关量之间的计算公式。物理模型和原型相似需满足4方面相似（几何、运动、动力、边界和初始条件）。 | 《流体力学》作业P126-127： 量纲分析法（瑞利法和π定理），建物理量公式。 计算物理模型与原型的比例；网上学习任务 |
6
| 层流、湍流和边界层
| 粘性流体的两种流态；湍流运动；边界层和绕流阻力；学生讲座
|
3
| 流体的层流和湍流两种流态和数学研究方法的差异，雷诺数含义，运用临界雷诺数判断流态的方法。湍流运动的特征和时均化方法，湍流的时均化运动方程。普朗特混合长理论的思想和计算公式。边界层的流动特点和边界层厚度的定义、绕流产生的卡门涡街现象、计算绕流阻力。 |
《流体力学》作业P171-173： 计算雷诺数，判断层流和湍流的流态；计算绕流阻力； 网上学习任务 |
7
| 环境流体的动力学特征
| 环境流体的概念和运动特点；环境流体运动控制方程；地球自转对环境流体运动的影响；Bousinesq近似； 静压近似； 学生讲座 |
6
| 大气、河流、湖泊和水库、 地下水、海洋和河口的流体运 动特点；环境流体流动密度变化小的Bousinesq近似理论及应用；环境流体垂向的压强与重力平衡理论（Hydrostatic Approximation ）和应用；地球自转对流体运动的偏转作用和应用。 |
网上学习任务 |
|
环境流体中的物质输运
|
物质的对流-扩散；
瞬时点源的对流和扩散；
界面影响下的对流和扩散；
连续点源的对流和扩散；
非保守物质的对流和扩散；
悬浮物的输运；
学生讲座
|
15
| 4种物质输运作用；费克定律；物质的对流扩散方程的推导和简化；判别对流和扩散作用大小；判别瞬时源和连续源，实例应用计算。
静止流体中的扩散和均匀恒定流动下的对流和扩散下，瞬时点源（一维、二维、三维）的浓度方程和浓度分布（方程解）的应用计算。
常见的4类边界，物质对流和扩散受一个边界和2个边界影响下的浓度分布的计算方法和应用。
连续点源形成的高斯 羽流，连续点源（一维、二维、 三维）恒定流动稳态下的浓度 方程和浓度分布计算。
非保守物质的对流扩散一级反应方程、水-固边界交换和水-气界面交换，实例应用计算。 悬浮物与溶解态输运的不同，悬浮颗粒的对流扩散方程、沉降速度（Wp）的计算，悬浮物在层流和湍流中的输运特征和应用；实例应用。 |
网上学习任务 |
六、成绩评定
（一）考核方式A：A.闭卷考试 B.开卷考试 C.论文 D.考查 E.其他
（二）统考方式A：A.统一B.提前
（三）成绩综合评分方法：
综合评价项目 | 得分 |
1.课下作业、课堂讨论、小组讲座、在线学习 | 50 |
2.期末考试成绩 | 50 |
总计 | 100 |
课程成绩由平时成绩和期末成绩构成，课程综合成绩=平时成绩（100分×50%）+期末考试成绩（100分×50%）。平时成绩结合课下作业、课堂讨论、小组讲座、在线学习等环节。
平时成绩（100分）=课下作业（100分）×30% +课堂讨论（10分）+小组讲座（30分）+在线学习（30分）
附：作业和平时表现评分标准
1）作业的评分标准（满分100分）
作业的评分标准 | 得分 |
1.严格按照要求及时完成，概念清晰，解决方案正确、合理（或作业有少量错误，能及时订正正确），能提出不同的解决问题方案。 | 90-100分 |
2.基本按照要求并及时完成，概念基本清晰，解决方案基本正确、基本合理。 | 70-80分 |
3.不按照要求，未及时完成，概念不清，解决方案基本不正确、基本不合理。 | 40-60分 |
4.不按照要求，未及时完成，概念不清，不能制定正确和合理解决问题的方案。 | 0-30分 |
2）课堂讨论评分（满分10分）标准
课堂讨论评分标准 | 得分 |
1.资料的查阅、知识熟练运用，积极参与讨论、能阐明自己的观点和想法，能与其他同学合作、交流，共同解决问题。 | 9-10分 |
2.基本做到资料的查阅、知识的运用，能参与讨论、能阐明自己的观点和想法，能与其他其他同学合作、交流，共同解决问题。 | 7-8分 |
3.做到一些资料的查阅和知识的运用，参与讨论一般、不能阐明自己的观点和想法，与其他同学合作、交流，共同解决问题的能力态度一般。 | 4-6分 |
4.不能做到资料的查阅和知识的运用，不积极参与讨论，不能与其他同学合作、交流，共同解决问题。 | 0-3分 |
3）学生小组讲座（满分30分）评分标准
考核指标： 5项 | 得分 |
1.选题深度（主题符合要求，研究有深度） | 10分 |
2. ppt制作美观 | 5分 |
3.思路清晰 | 5分 |
4.简洁易懂的讲解 | 5分 |
5．良好的互动气氛 | 5分 |
4）学生在线学习（总分30分）的评分标准
考核指标：3项 | 得分 |
1. 个人在答疑讨论区发帖和解答次数（数量≧10，内容简要合理） | 10分 |
2. 小组完成各章节的思考题的回帖（完成所有，主题适宜，内容简要合理） | 10分 |
3.小组ppt讲座的互动交流（完成所有小组的提问解答，内容简要合理） | 10分 |
七、学术诚信
学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等，均属造假行为。他人的想法、说法和意见如不注明出处按盗用论处。本课程如有发现上述不良行为，将按学校有关规定取消本课程的学习成绩。
八、大纲审核
教学院长：院学术委员会签章：