到達目標
流体工学のエネルギー保存則を表すベルヌーイの定理を理解し、実際の管路設計等に応用できる能力を身に付ける。また、ナビエ・ストークスの運動方程式の意味がわかるレベルに到達する。輸送機器の速度を測定する方法や管の配置を設計する方法を習得する。
ルーブリック
| 理想的な到達レベルの目安 | 標準的な到達レベルの目安 | 未到達レベルの目安 |
| 理想流体の運動 | 理想流体の運動を理解し、他条件でも解析ができる | 理想流体の運動を理解している | 理想流体の運動を理解していない |
| ベルヌーイの定理と運動量保存 | ベルヌーイの定理と運動量保存を理解し、他条件でも解析ができる | ベルヌーイの定理と運動量保存を理解している | ベルヌーイの定理と運動量保存を理解していない |
| 粘性流体の運動 | 粘性流体の運動を理解し、他条件でも解析ができる | 粘性流体の運動を理解している | 粘性流体の運動を理解していない |
| 管路内の圧力損失 | 管路内の圧力損失の計算ができる | 管路内の圧力損失を理解している | 管路内の圧力損失を理解していない |
学科の到達目標項目との関係
C-1
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JABEE C-1
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教育方法等
概要:
水・空気に代表される「流体」の特性とその流れの力学の基本的事項を理解する。理想流体の流れ、ナビエストークス方程式、流体の運動量の法則、翼に作用する抗力と揚力、粘性流体の流れ、境界層とはく離、管路内の流れを座学の講義形式で学習する。
授業の進め方・方法:
[15分]前回の課題レポートの解説
[60分]基本事項の確認
[15分]課題レポート
注意点:
・事前学習：教科書を一読すること
・事後学習：授業中に行った演習問題の復習をし，値により結果がどのように変化するか考察すること。課題レポートが終わっていない場合は取り組み、必ず提出すること。
授業の属性・履修上の区分
授業計画
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
Orientationと流体力学の概説、レイノルズ数 |
本授業の全体論とレイノルズ数について説明できる。
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| 2週 |
理想流体の運動 流体力学で必要になる数学 |
ベクトルの内積と外積、完全微分方程式が理解できる。
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| 3週 |
理想流体の運動 流れの観察、連続の方程式 |
流れを観察する方法と連続の方程式を説明できる。
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| 4週 |
理想流体の運動 連続の式、定常流と非定常流、オイラーの運動方程式 |
連続の式、定常流と非定常流の違い、オイラーの運動方程式を理解できる。
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| 5週 |
理想流体の運動 流線と流管、流れ関数 |
流線と流感の違いが説明できる。流線の方程式から流れ関数が導出できる。
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| 6週 |
理想流体の運動 流体の変形と回転 |
流体の変形と回転を説明できる。
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| 7週 |
理想流体の運動 速度ポテンシャル |
速度ポテンシャルを求めることができる。
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| 8週 |
総合問題演習 |
前期前半で学習した内容をより深く説明および計算ができる。
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| 2ndQ |
| 9週 |
前期中間試験 |
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| 10週 |
エネルギー保存 ベルヌーイの定理 |
ベルヌーイの定理を導出できる。
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| 11週 |
エネルギー保存 ベルヌーイの定理の応用(1) |
ベルヌーイの定理を応用し、トリチェリの定理の導出、ピトー管を用いて流速の測定が可能になる。
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| 12週 |
エネルギー保存 ベルヌーイの定理の応用(2) |
ベルヌーイの定理を応用し、ベンチュリ管を用いて流量の測定が可能になる。
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| 13週 |
運動量の法則 運動量の法則の応用(1) |
流体の運動量保存則を導出できる。運動量の法則を用いて、物体に作用する力の計算ができる。
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| 14週 |
総合問題演習 |
前期後半で学習した内容をより深く説明および計算ができる。
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| 15週 |
前期期末試験 |
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| 16週 |
試験返却・運動量の法則(2) |
未習得内容をより深く説明および計算ができる。運動量の法則を用いて、物体に作用する力の計算ができる。
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| 後期 |
| 3rdQ |
| 1週 |
運動量の法則 運動量の法則(3) |
運動量の法則を用いて、物体に作用する力の計算ができる。
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| 2週 |
粘性流体の運動 応力について,応力と速度の関係 |
応力について、応力と速度の関係について説明できる。
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| 3週 |
粘性流体の運動 ナビエ・ストークスの運動方程式 |
ナビエ・ストークスの運動方程式を導出できる。
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| 4週 |
粘性流体の運動 ナビエ・ストークス方程式の幾つかの解(1) |
粘性流体の流れをナビエ・ストークスの運動方程式から求めることができる。
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| 5週 |
粘性流体の運動 ナビエ・ストークス方程式の幾つかの解(2) |
粘性流体の流れをナビエ・ストークスの運動方程式から求めることができる。
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| 6週 |
粘性流体の運動 ナビエ・ストークス方程式の幾つかの解(３) |
粘性流体の流れをナビエ・ストークスの運動方程式から求めることができる。
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| 7週 |
総合問題演習 |
後期前半で学習した内容をより深く説明および計算ができる。
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| 8週 |
後期中間試験 |
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| 4thQ |
| 9週 |
次元解析 ナビエ・ストークス方程式の無次元化・レイノルズ相似法則 |
ナビエ・ストークス方程式を無次元化することができる。レイノルズ相似法則を説明することができる。
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| 10週 |
次元解析 バッキンガムのπ定理 |
バッキンガムのπ定理を用いて、実用式を導出できる。
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| 11週 |
管路内の流れ 層流､乱流 |
層流､乱流について説明できる。臨界レイノルズ数、遷移について説明できる。
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| 12週 |
圧力損失 管摩擦損失係数、管路の諸損失、ダルシー・ワイズバッハの式 |
管摩擦損失係数、管路の諸損失、ダルシー・ワイズバッハの式について説明できる。
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| 13週 |
管路系の総損失、ポンプ動力 |
管路系の総損失、ポンプ動力について説明できる。
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| 14週 |
総合問題演習 |
後期後半で学習した内容をより深く説明および計算ができる。
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| 15週 |
後期期末試験 |
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| 16週 |
答案返却、境界層・はく離・物体に働く力 |
未習得内容をより深く説明および計算ができる。境界層・はく離・円柱周りの流れを説明できる。
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モデルコアカリキュラムの学習内容と到達目標
| 分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
| 専門的能力 | 分野別の専門工学 | 機械系分野 | 熱流体 | 定常流と非定常流の違いを説明できる。 | 4 | 前4 |
| 流線と流管の定義を説明できる。 | 4 | 前5 |
| 連続の式を理解し、諸問題の流速と流量を計算できる。 | 4 | 前3,前4 |
| オイラーの運動方程式を説明できる。 | 4 | 前4 |
| ベルヌーイの式を理解し、流体の諸問題に適用できる。 | 4 | 前9,前10,前11 |
| 運動量の法則を理解し、流体が物体に及ぼす力を計算できる。 | 4 | 前12,前13,後1 |
| 層流と乱流の違いを説明できる。 | 4 | 後10 |
| レイノルズ数と臨界レイノルズ数を理解し、流れの状態に適用できる。 | 4 | 後11 |
| ダルシー・ワイスバッハの式を用いて管摩擦損失を計算できる。 | 4 | 後12 |
| ムーディー線図を用いて管摩擦係数を求めることができる。 | 4 | 後13,後14 |
| 境界層、はく離、後流など、流れの中に置かれた物体の周りで生じる現象を説明できる。 | 4 | 後16 |
| 抗力について理解し、抗力係数を用いて抗力を計算できる。 | 4 | 前16 |
| 揚力について理解し、揚力係数を用いて揚力を計算できる。 | 4 | 前16 |
評価割合
| 試験 | 課題レポート | 合計 |
| 総合評価割合 | 80 | 20 | 100 |
| 専門的能力 | 80 | 20 | 100 |