概要:
気体や液体のように,自由に形を変えながら流動する物質を総称して流体という。流体力学は、このような流体の流れを扱う学問である。複雑な数式演算が伴うため、難しい印象を与えるが、基本的には古典物理学の諸法則に基づいている。本授業では、多様な流動現象に共通する基本的な運動法則を数理に基づいて理解するとともに、計算流体力学(CFD)解析により管内層流の流れ場を計算する能力を養う。
授業の進め方・方法:
物理学、数学及び水力学を十分に理解しておくこと。数式の操作が多いが、その根底にある物理現象に常に留意すること。
物理学、数学および水力学を十分に理解しておくことが望ましい。
数式の操作が多いが、微分・積分学、ベクトル演算の基礎的知識があれば十分に理解が可能である。
そして数式の根底にある物理現象に常に留意すること。授業の理解に必要な数学を復習しておくこと。
注意点:
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
後期 |
3rdQ |
1週 |
授業計画の説明 1. 完全流体の力学 1.1 流体の物理的性質 |
授業計画・達成目標・成績の評価方法等の説明。 流体力学にあらわれる物理量の単位と単位系、流体の物性と物理的性質を理解する。
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2週 |
1.2 流速と流量、流れの加速度 |
流速と流量、流れの加速度を学び、流体力学の基礎事項を理解する。
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3週 |
1.2 流速と流量、流れの加速度 |
流速と流量、流れの加速度を学び、流体力学の基礎事項を理解する。
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4週 |
1.2 流速と流量、流れの加速度 1.3 流体力学の基礎方程式 |
流速と流量、流れの加速度を学び、流体力学の基礎事項を理解する。 連続の式と、オイラーの運動方程式を導き、圧縮性流体と非圧縮性流体を理解する。
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5週 |
1.3 流体力学の基礎方程式 |
連続の式と、オイラーの運動方程式を導き、圧縮性流体と非圧縮性流体を理解する。
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6週 |
2. 粘性流体の力学 2.1 粘性流体の運動 I |
粘性係数、応力テンソルと変形速度の関係を理解する。
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7週 |
2.1 粘性流体の運動 I 2.2 粘性流体の運動 II |
粘性係数、応力テンソルと変形速度の関係を理解する。 Navier–Stokesの方程式を導き、粘性流体の基礎を理解する。
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8週 |
2.2 粘性流体の運動 II |
Navier–Stokesの方程式を導き、粘性流体の基礎を理解する。
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4thQ |
9週 |
3. 円管内層流・乱流と計算流体力学(CFD)解析 3.1 円管内の層流 |
レイノルズ数、層流、層流の管摩擦係数について学ぶ。
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10週 |
3.1 円管内の層流 3.2 円管内の乱流 |
レイノルズ数、層流、層流の管摩擦係数について学ぶ。 乱流、レイノルズ応力、乱流の速度分布の対数法則と指数法則について理解する。
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11週 |
3.2 円管内の乱流 |
乱流、レイノルズ応力、乱流の速度分布の対数法則と指数法則について理解する。
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12週 |
3.3 CFD解析 |
層流と乱流CFD解析手法について学び、円管内層流について実際にCFD解析を行う。
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13週 |
3.3 CFD解析 |
層流と乱流CFD解析手法について学び、円管内層流について実際にCFD解析を行う。
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14週 |
3.3 CFD解析 |
層流と乱流CFD解析手法について学び、円管内層流について実際にCFD解析を行う。
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15週 |
学年末試験 試験答案の返却及び解説 |
試験問題の解説及びポートフォリオの記入。
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16週 |
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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 | 圧縮性流体と非圧縮性流体の違いを説明できる。 | 4 | 後2 |
流体の定義と力学的な取り扱い方を理解し、適用できる。 | 4 | 後1 |
流体の性質を表す各種物理量の定義と単位を理解し、適用できる。 | 4 | 後1 |
ニュートンの粘性法則、ニュートン流体、非ニュートン流体を説明できる。 | 3 | 後2 |
絶対圧力およびゲージ圧力を説明できる。 | 4 | |
パスカルの原理を説明できる。 | 4 | |
液柱計やマノメーターを用いた圧力計測について問題を解くことができる。 | 4 | |
平面や曲面に作用する全圧力および圧力中心を計算できる。 | 4 | |
物体に作用する浮力を計算できる。 | 4 | |
質量保存則と連続の式を説明できる。 | 4 | 後4,後12,後13,後14 |
ピトー管、ベンチュリー管、オリフィスを用いた流量や流速の測定原理を説明できる。 | 4 | |
定常流と非定常流の違いを説明できる。 | 4 | 後2,後3 |
流線と流管の定義を説明できる。 | 4 | 後3 |
連続の式を理解し、諸問題の流速と流量を計算できる。 | 4 | 後5,後12,後13,後14 |
オイラーの運動方程式を説明できる。 | 4 | 後5,後12,後13,後14 |
ベルヌーイの式を理解し、流体の諸問題に適用できる。 | 4 | |
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 | 後6,後7,後8,後12,後13,後14 |
円管内層流および円管内乱流の速度分布を説明できる。 | 4 | 後9,後10,後11,後12,後13,後14 |
ハーゲン・ポアズイユの法則を説明できる。 | 4 | 後9,後10,後11,後12,後13,後14 |
層流と乱流の違いを説明できる。 | 4 | 後9,後10,後11,後12,後13,後14 |
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9,後10,後11,後12,後13,後14 |
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9,後10,後11,後12,後13,後14 |
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9,後10,後11,後12,後13,後14 |
流れの中の物体に作用する抗力および揚力について説明できる。 | 4 | |
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 | |
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 | |
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 | |