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専門教育課程 機械工学科
授業科目区分 科目名 単位数 科目コード 開講時期 履修方法
専門教育課程
専門科目
専門
流体力学Ⅱ
Fluid Mechanics II
2 E018-01 2022年度
5期(前学期)
修学規程第4条を参照
担当教員名
*印は、実務経験のある教員を示しています。
授業科目の学習・教育目標
キーワード 学習・教育目標
1.層流・遷移・乱流 2.粘性流体 3.流体抵抗 4.渦・揚力 5.地域連携 流れ学IIは,機械工学の基礎をなす4力学の一つである流体力学の入門的基礎を学ぶ科目で あり,流力(性能)設計において重要な役割を果たす.本科目は入門的な「流れ学I」の後 を受けて、粘性を持つ実際の流体について学ぶ。工学・技術・ものづくりにおける流体力学 関連事象に対する基本概念,考え方,扱い方についての基礎能力を与える.特に、管内流れ ,流体抵抗、剥離、渦、揚力などの機構に関連する力学応用能力を身に付ける.
授業の概要および学習上の助言
「流れ学I」の後を受けて、粘性を持つ実際の流体の力学について学ぶ。流体の粘性は、流体抵抗、剥離、渦、揚力などの現 象や発生メカニズムに大きく関わっている。本講義では、まず粘性流体の特徴を理解するとともに、管内流れや、流体中の物 体まわり流れの様子について学ぶ。さらに流体抵抗や、揚力の発生メカニズムについて学ぶ。但し、圧縮性の効果については 一部触れるだけにとどめる。実際の流体運動の基礎となる粘性流体力学を主な対象として、以下のような項目に対して演習を まじえながら、工学的・物理的意味の把握を重視して授業を行う。 1.流体力学の概要 2.粘性流体流れの概要/層流・遷移・乱流/境界層 3.粘性流体流れの解析/円管内の層流/円管 内の乱流 4.管内流れ/損失を考慮したベルヌーイの式/管内流れの摩擦損失/管路の諸損失/管路系の問題 5.物体に 働く力/運動量の定理と抵抗/平板上の境界層と平板に働く力/圧力抵抗と摩擦抵抗/円柱と球のまわりの流れと渦および抵 抗/種々の形状物体の抵抗/(渦に関連した流力関連振動・安全設計) 6.渦と循環/揚力/翼と翼型まわりの流れ 7.総合演習課題レポート:流体力学に関する(地域貢献を含む)特定課題についてのレポート討議・検討会。自分の理解、 考え、質問を述べてみる。本質を深く考えてみる。疑問を思い切りぶつけてみる。 なお、授業予定や進め方の詳細は1回目の授業時に連絡される。
教科書および参考書・リザーブドブック
教科書:流れ学[朝倉書店] 参考書:指定なし リザーブドブック:指定なし
履修に必要な予備知識や技能
講義中に私語をするもの、勉学意欲の無いもの、ノートをとらないものは履修できない。講義中に演習や小テストおよびクイ ズを実施する。これらを通して自ら積極的に授業へ参加し学習することを意識して授業に臨むこと。 なお、反転授業の形で事前学習ビデオなどを配信する。必ず視聴の上、授業に参加すること。
学生が達成すべき行動目標
No. 学科教育目標
(記号表記)
D,J,M 流体損失の機構を理解し、その評価ができる。
J,M 抵抗・揚力などの流体力の機構を理解し計算できる。
D,M 流体関連現象に物理的モデルを立て、基礎式を誘導できる。
D,M 流体現象および基礎式に対し本質を失わない近似ができる。
D,J,M 地域社会に貢献できる種々の流体現象の流体工学的側面から安全設計に応用できる。
D,M 課題および成果に対して討論できる。
達成度評価
評価方法
試験 クイズ
小テスト
レポート 成果発表
(口頭・実技)
作品 ポートフォリオ その他 合計
総合評価割合 40 35 20 5 0 0 0 100
指標と評価割合 総合評価割合 40 35 20 5 0 0 0 100
総合力指標 知識を取り込む力 20 15 5 0 0 0 0 40
思考・推論・創造する力 20 10 5 0 0 0 0 35
コラボレーションと
リーダーシップ
0 0 0 2 0 0 0 2
発表・表現・伝達する力 0 0 0 3 0 0 0 3
学習に取組む姿勢・意欲 0 10 10 0 0 0 0 20
※総合力指標で示す数値内訳、授業運営上のおおよその目安を示したものです。
評価の要点
評価方法 行動目標 評価の実施方法と注意点
試験 筆記試験を実施する.日程は授業明細を参照のこと.説明問題,式の導入・展開問題,計算問題いずれの 可能性もある.授業の教授内容,演習問題などを教科書を中心に十分復習しておくこと.電卓および学生 証は必ず持参のこと.
クイズ
小テスト
小テスト(演習)を複数回行う.基本的には,講義内容の区切り毎に行う.また,随時,理解の程度の確 認のためクイズを行う.学習内容の復習・確認を行う.計算問題が中心になるので教科書はもとより電卓 を必ず持参すること.
レポート *予習レポートおよび演習を複数回課す.基本的には章あるいは節毎に行う.その内容は教科書に関連事 項が掲載されているもの,あるいは既に他科目で習った範囲にあるものなので,十分に予習を行い回答す ること.なお,よく出来た(調べた)予習レポート結果は,レポート評価点の範囲内でボーナス点を付加 する. *総合演習課題として(地域社会への貢献も含めた)流れ学に関する専門事項についてレポート課題を出 し内容を評価する.課題は授業学習の重要事項である。
成果発表
(口頭・実技)
*総合演習課題レポート内容や提示された課題などに対し議論する(場合によってはパワーポイントおよ びポスターなどを用いてプレゼンテーションする)。 *活発な意見交換,質疑応答がのぞまれる.
作品
ポートフォリオ
その他
具体的な達成の目安
理想的な達成レベルの目安 標準的な達成レベルの目安
流体現象が力学の基礎式に支配されることを把握し、粘性関連 流体現象、特に管内流れの基礎式の誘導を完全にできる。流体 損失の機構の説明が完全にでき管内流れ計算が出来る。流体現 象のモデル化に基づく基礎式における近似や問題点を理解でき る。翼などの抵抗・揚力の機構を完全に説明でき具体的に計算 できる。流体抵抗、渦、剥離、揚力などの機構などに関して科 学的に本質的な推論と応用について説明ができ、安全面や地域 への貢献についても考慮できる。また、課題に対し効果的にプ レゼンテーションでき、本質的な議論ができる。 流体現象が力学の基礎式に支配されることを知っており、粘性 関連流体現象、特に管内流れの基礎式の誘導の方法を説明し展 開できる。流体損失の機構の説明が簡単にでき基本的な管内流 れ計算が出来る。流体現象の基礎式における近似や問題点を理 解できる。翼などの抵抗・揚力の定義を説明でき具体的に計算 できる。流体抵抗、渦、剥離、揚力などの機構およびその応用 などに関して簡単に説明ができ、安全面や地域への貢献につい ても考慮できる。また、課題に対しプレゼンテーションでき、 質疑応答できる。
CLIP学習プロセスについて
一般に、授業あるいは課外での学習では:「知識などを取り込む」→「知識などをいろいろな角度から、場合によってはチーム活動として、考え、推論し、創造する」→「修得した内容を表現、発表、伝達する」→「総合的に評価を受ける、GoodWork!」:のようなプロセス(一部あるいは全体)を繰り返し行いながら、応用力のある知識やスキルを身につけていくことが重要です。このような学習プロセスを大事に行動してください。
※学習課題の時間欄には、指定された学習課題に要する標準的な時間を記載してあります。日々の自学自習時間全体としては、各授業に応じた時間(例えば2単位科目の場合、予習2時間・復習2時間/週)を取るよう努めてください。詳しくは教員の指導に従って下さい。
授業明細
回数 学習内容 授業の運営方法 学習課題 予習・復習 時間:分
授業方針・目的・概要などを説明し,本科目の教育目 標および到達レベルを理解する. 粘性流体の特性について学習する.とくに層流・遷移 ・乱流の現象やレイノルズ数および境界層について学 習する。 講義 予習(流れ学Ⅰで学習した内容の 復習) 講義内容の復習 (粘性流体の特徴について復習) 90
層流流れおよび乱流流れについて学習する. 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 予習ノート:境界層とはく離に関 する予習課題 (境界層の定義および特徴につい て教科書91-103ページを参照しな がら指定された予習ノート課題の 実施) 演習課題の復習 授業内容の復習 (特に円管内の層流速度分布の導 出をする) 180
前回に引き続き乱流流れについて学習する。 また管内流れにおいて損失を考慮したベルヌーイの式 および円管内流れの摩擦損失について学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 流れ学Ⅰで学習したベルヌーイの 式について復習(教科書57-66ペ ージ参照)および管路内の流れに 関する予習(教科書105-109ペー ジ参照)) 授業内容の復習 90
前回に引き続き、管路内流れの摩擦抵抗について学習 する。ムーディ線図や円管以外の管の摩擦抵抗につい ても学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 予習ノート:管路内の摩擦損失に 関する予習(教科書109-114ペー ジ参照)) 演習課題の復習 授業内容の復習 (管摩擦抵抗についてムーディ線 図を用いて管摩擦係数を求めてみ る.市販の管の摩擦係数について 評価してみる) 120
管路流れにおける流体損失、とくに管路形状に起因す る流体損失について学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 管内流れにおける損失係数に関す る予習(教科書114-125ページ参 照)。 演習課題の復習 授業内容の復習 180
前半の授業内容の振り返り:これまでの授業内容を試 験や演習などをとおして振り返る。 試験や演習など これまでの演習を見直しして 各自の理解度を自己点検する 。 1回目から5回目までの授業内容 の復習 (粘性流体の特徴、境界層、管摩 擦抵抗について再確認する) 210
物体に働く力とくに境界層やせん断応力による力につ いて学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 予習ノート:境界層に関する予習 (ニュートンの粘性法則について 復習するとともに教科書130-138 ページを参照しながら、指定され た予習ノート課題の実施) 授業内容の復習 演習課題の復習 180
層流境界層と乱流境界層について学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 演習課題の復習 授業内容の復習 (層流境界層および乱流境界層の 特徴について章末問題を解きなが ら復習する) 120
摩擦抵抗と圧力抵抗について、とくに円柱などの基本 的な形状にについて学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 予習ノート:圧力抵抗・摩擦抵抗 の大きさの違いについて調べると ともに教科書138-139ページを参 照しながら指定された予習ノート 課題の実施 授業内容の復習 120
10 円柱や球まわりの流れ現象と抵抗係数の関連について 学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 カルマン渦の特徴と引き起こされ る現象の調査を教科書139-148ペ ージを参照。 演習課題の復習 授業内容の復習 (抵抗係数の低減メカニズムを復 習) 180
11 渦および揚力について学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 予習ノート:渦・揚力・翼形に関 する予習ノートを実施(教科書14 8-159ページ参照) 授業内容の復習 (渦および揚力について、章末問 題を解きながらその大きさを評価 する) 90
12 翼まわりの流れについて学習する。また3次元翼の性 能について学習する。 講義・演習 演習を通して授業内容を自己 点検する。 授業内容の復習 (翼の形状、各部の名称の復習お よび翼形状の種類と迎角の変化に よる揚力および抗力の変化を調べ る) 90
13 授業後半部の振り返り:演習を通りして後半の講義内 容を復習する(授業の進捗に合わせて変更の場合あり 。また、地域の産業界の技術者による特別講演会に替 える場合もある)。 演習・講義 後半の演習を見直しして各自 の理解度を自己点検する。 後半の授業内容の復習 210
14 達成度確認試験および学習内容の振り返り 試験 自己点検(必要に応じて総合 演習の準備を行う) 試験勉強 240
15 総合演習や課題に関する討論 流れ学Ⅱの講義内容の重要な項目を取り上げ、調査・ 実験などを通して理解を深め、レポートを作成する。 課題に対する討論 総合演習レポート作成 討論の準備 240