spContent=《地球流体力学》(原名《流体力学》)课程是南京大学大气科学学院的专业核心课和主要基础课程之一,主要的研究对象为地球上流体(大气、海洋)的宏观运动规律,本课程授课对象是大气科学/应用气象学专业本科二年级学生,也是本科生接触到的第一门动力学课程,为后期的专业课程学习奠定了动力学基础。
《地球流体力学》(原名《流体力学》)课程是南京大学大气科学学院的专业核心课和主要基础课程之一,主要的研究对象为地球上流体(大气、海洋)的宏观运动规律,本课程授课对象是大气科学/应用气象学专业本科二年级学生,也是本科生接触到的第一门动力学课程,为后期的专业课程学习奠定了动力学基础。
—— 课程团队
课程概述
在人类生活的地球上,最常见的流体就是覆盖在整个地球上的大气以及占据地球面积70%的海洋。大气与海洋不仅是地球生命形成的重要因素,它们的运动和变化还与人类的生存发展休息相关,构成了人类活动赖以生存的地球环境。与一般流体不同,由于受到地球的影响,大气和海洋在大尺度运动上都具有了地球的固有特征:例如在地球旋转的作用下,大气的海洋的运动都具有涡旋运动的特征;还有在地球重力场的作用下,较重的流体位于低层,较轻的流体位于高层,形成了垂直方向上的密度差。基于这些动力学上的共同特征,大气与海洋也被概括成“地球物理流体”或者“地球流体”。那么,流体运动到底遵循什么样的规律?流体与固体间、流体与流体间会产生什么样的相互作用?考虑了地球影响之后,地球流体会运动形成什么样的独特特征?我们的《地球流体力学》课程将一一为您解答。
授课目标
通过本课程的学习,帮助学生从经典力学的概念和研究方法过渡到流体力学的概念和研究方法。学生应掌握分析简单流体问题的基本方法,同时利用所学的理论和方法解决涡旋、旋转流体、流体波动等实际问题,为进一步学习大气科学、海洋科学、水科学等其他专业课程奠定理论基础。
成绩 要求
学习者通过参与课程学习、主题讨论,完成课后习题、单元测试和最终的课程考试后,成绩达到合格以上,即可申请证书。
课程大纲
基本概念
课时目标:建立流体的概念,了解流体的宏观物理性质,掌握研究流体运动的基本方法
1.1 流体的物理性质和宏观模型
1.2 流体运动的速度和加速度
1.3 流线和迹线
1.4 速度的分解
1.5 涡度、散度和形变率
1.6 速度势函数和流函数
基本方程
课时目标:认识流体运动所遵循的基本规律,掌握刻画流体运动的基本方程。
2.1 连续方程
2.2 作用于流体的力和应力张量
2.3 运动方程
2.4 能量方程
2.5 简单情况下的NS方程的一些准确解
相似原理和量纲分析
课时目标:本章主要介绍实验流体力学的相似原理和量纲分析方法。
3.1 流体力学的模型试验和相似概念
3.2 相似判据
3.3 无量纲方程
3.4 特征无量纲数
3.5 量纲分析和π定理
涡旋动力学基础
课时目标:理解涡旋运动形成的原因。
4.1 环流定理
4.2 涡度方程
4.3 涡度场和散度场所确定的速度场
4.4 两直线涡旋及运动
旋转流体动力学
课时目标:了解旋转对流体运动产生的影响以及旋转流体运动的特征。
5.1 旋转参考系中的流体运动
5.2 旋转流体的无量纲方程和罗斯贝数
5.3 Proudman-Taylor定理
5.4 Taylor流体柱
5.5 地转流动
流体波动
课时目标:掌握波动的概念、表征方法和形成机制。
6.1 波动的概念
6.2 重力表面波和界面波
6.3 波动能量和能量的传播速度
6.4 势能波动
湍流
课时目标:本章主要介绍湍流的基本特征和研究方法。
7.1 引言——湍流运动的特点和研究方法
7.2 湍流平均运动方程和雷诺应力
7.3 湍流半经验理论
7.4 湍流能量方程
边界层流体力学
课时目标:本章将介绍流体边界层的基本概念、基本特征及层流边界层的控制方程。
8.1 边界层的基本概念
8.2 层流边界层方程
8.3 湍流边界层
8.4 湍流边界层平均流速的分布
展开全部
预备知识
本课程主要面向大气科学、海洋科学、水科学等地球科学相关专业本科学生,需要大学数学和大学物理基础。
参考资料
余志豪等编著 《流体力学》 第三版,气象出版社
吴望一编著,《流体力学》(上、下册),北京大学出版社
Pijush K. Kundu等编写的《Fluid Mechanics》(5th Edition)
J. Pedlosky, 《Geophysical fluid dynamics》, 1987, Springer