地球流体力学
地球流体力学
1000+ 人选课
更新日期:2025/05/30
开课平台智慧树
开课高校南京大学
开课教师房佳蓓杨修群黄丹青胡海波张洋
学科专业理学大气科学类
开课时间2025/01/21 - 2025/07/20
课程周期26 周
开课状态开课中
每周学时-
课程简介
《地球流体力学》课程就是以地球流体(大气、海洋)为研究对象,讨论流体的宏观运动规律、流体与固体之间、流体与流体之间的相互作用,以及地球旋转对流体运动的影响。课程内容围绕基本概念、基本方程和基本方法,共分八个专题予以介绍,在介绍流体基础概念和基本方法之后,对流体动力学方程组给出详细的推导和物理解释,扼要介绍流体力学实验的相似原理和量纲分析。对流体运动的几种主要形式——涡旋、旋转效应、波动运动做概念性讲解。另外,对湍流和边界层也有简单介绍。本课程通过讲述上述内容,使得学生掌握分析简单流体问题的基本方法,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了理论基础。
课程大纲

在线教程

章节简介教学计划
基础概念
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连续介质假说
房佳蓓
描述流体运动的两种方法
房佳蓓
刻画流体运动的几何图像
房佳蓓
涡度
房佳蓓
散度
房佳蓓
形变率
房佳蓓
基本方程
连续方程
房佳蓓
作用于流体上的力
房佳蓓
运动方程
房佳蓓
能量方程
房佳蓓
相似原理和量纲分析
量纲分析-无量纲量
黄丹青
无量纲方程
黄丹青
特征无量纲数
黄丹青
涡旋动力学基础
环流定理
房佳蓓
涡度方程
房佳蓓
旋转流体动力学
地球流体运动方程
杨修群
Taylor-Proudman定理
杨修群
地转运动
杨修群
流体波动
波动的概念
胡海波
重力表面波和界面波
胡海波
波动能量和能量的传播速度
胡海波
旋转产生的波动
胡海波
湍流
湍流运动的特点和研究方法
胡海波
湍流平均运动方程和雷诺应力
胡海波
湍流能量方程
胡海波
边界层流体力学
边界层的基本概念
张洋
层流边界层
张洋
  • 第一章基础概念

    (1)引入描述流体的宏观理论模型
    (2)掌握描述流体运动的方法
    (3)了解刻画流体运动的几何图像
    (4)认识表征流体运动特征的3种重要的物理量

  • 1.1连续介质假说

    本节主要介绍描述流体的宏观模型,即连续介质模型,实现从经典力学观点到流体力学观点的转换

  • 1.2描述流体运动的两种方法

    本节主要介绍描述流体运动的拉格朗日方法和欧拉方法的差别、各自的数学表达式和两种变量之间的相互转换。

  • 1.3刻画流体运动的几何图像

    本节主要介绍刻画流体运动的两种几何图像——流线和迹线的定义、数学方程、求法和它们的关系。

  • 1.4涡度

    本章主要介绍表征流体旋转程度的物理量——涡度的概念、表达式、物理含义和计算方法。

  • 1.5散度

    本节主要介绍散度的定义、表达式和物理含义。

  • 1.6形变率

    本节主要介绍形变率的分类、表达式和物理含义。

  • 第二章 基本方程

    (1)认识流体运动所遵循的基本规律
    (2)掌握流体运动的基本方程

  • 2.1连续方程

    本节主要基于质量守恒定律推导流体连续方程,并介绍几种不同形式的连续方程。

  • 2.2作用于流体上的力

    本节主要介绍流体所受到的质量力和表面力的概念、表达式及区别。

  • 2.3运动方程

    本节主要基于动量守恒定律推导流体运动方程(N-S方程),并介绍各项的物理意义。

  • 2.4能量方程

    本节主要基于能量守恒定律推导流体能量方程。

  • 第三章 相似原理和量纲分析

    (1)介绍实验流体力学中的相似概念和相似原理
    (2)掌握方程无量纲化的方法和主要的特征无量纲数

  • 3.1量纲分析-无量纲量

    本节主要介绍相似概念和相似判据、无量纲量的定义和特点。

  • 3.2无量纲方程

    本节主要介绍什么是无量纲方程、为何对方程进行无量纲化以及如何将方程进行无量纲化处理。

  • 3.3特征无量纲数

    本节主要介绍特征无量纲数的特点以及三个重要的无量纲数的定义和用途。

  • 第四章 涡旋动力学基础

    (1)了解涡旋运动产生的原因
    (2)掌握描述涡旋运动的方程及各项的物理意义

  • 4.1环流定理

    本节主要通过推导证明环流定理,说明速度环流守恒的条件和变化的原因。

  • 4.2涡度方程

    本节推导涡度方程,介绍涡度方程各项的物理含义,说明流体涡度发生变化的原因。

  • 第五章 旋转流体动力学

    (1)引入旋转参考系下流体运动方程和涡度方程
    (2)了解旋转效应做引起的流动特征的本质变化

  • 5.1地球流体运动方程

    本节引入旋转参考系,推导旋转参考系中的流体运动方程,介绍旋转流体与一般流体的不同。

  • 5.2Taylor-Proudman定理

    本节主要推导旋转参考系下流体的涡度方程,证明旋转流体的准两维运动特征。

  • 5.3地转运动

    本节主要介绍旋转流体的一种最重要的运动形式,强调旋转流体与非旋转流体的本质差别。

  • 第六章流体波动

    (1)掌握流体波动的基本概念和表示方法
    (2)了解重力波的形成原因

  • 6.1波动的概念

    本节主要介绍流体波动的基本概念以及表征波动的波函数和波参数。

  • 6.2重力表面波和界面波

    本节以重力波为例,介绍浅水重力波和界面波的形成机制和传播速度。

  • 6.3波动能量和能量的传播速度

    本节主要推导波动能量的表达式,介绍群速度的概念和表达式。

  • 6.4旋转产生的波动

    本节主要介绍势能波动的概念和特征,推导其频散关系方程和相速度表达式。

  • 第七章湍流

    (1)理解湍流的概念和研究方法
    (2)掌握湍流平均运动方程和能量方程

  • 7.1湍流运动的特点和研究方法

    本节主要介绍湍流的概念、湍流和层流的区别以及湍流的研究方法。

  • 7.2湍流平均运动方程和雷诺应力

    本节主要推导湍流的平均运动方程,引出湍流脉动对平均运动产生的雷诺应力。

  • 7.3湍流能量方程

    本节推导湍流平均运动和脉动运动的能量方程,讨论湍流运动能量变化的原因。

  • 第八章边界层流体力学

    (1)掌握边界层的定义和主要特征
    (2)了解层流边界层运动方程

  • 8.1边界层的基本概念

    本节主要介绍边界层的定义和边界层的主要特征。

  • 8.2层流边界层

    本节主要推导了描写层流边界层流动的基本方程,得到普朗特边界层方程。

  • 开始学习
  • 第一章  作业测试
    第一章 基础概念

    1.1 连续介质假说

    1.2 描述流体运动的两种方法

    1.3 刻画流体运动的几何图像

    1.4 涡度

    1.5 散度

    1.6 形变率

    视频数6
  • 第二章  作业测试
    第二章 基本方程

    2.1 连续方程

    2.2 作用于流体上的力

    2.3 运动方程

    2.4 能量方程

    视频数4
  • 第三章  作业测试
    第三章 相似原理和量纲分析

    3.1 量纲分析-无量纲量

    3.2 无量纲方程

    3.3 特征无量纲数

    视频数3
  • 第四章  作业测试
    第四章 涡旋动力学基础

    4.1 环流定理

    4.2 涡度方程

    视频数2
  • 第五章  作业测试
    第五章 旋转流体动力学

    5.1 地球流体运动方程

    5.2 Taylor-Proudman定理

    5.3 地转运动

    视频数3
  • 第六章  作业测试
    第六章 流体波动

    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 旋转产生的波动

    视频数4
  • 第七章  作业测试
    第七章 湍流

    7.1 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 湍流能量方程

    视频数3
  • 第八章  作业测试
    第八章 边界层流体力学

    8.1 边界层的基本概念

    8.2 层流边界层

    视频数2
  • 期末考试