流体力学 第四章 量纲分析讲解
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第四章 相似原理与量纲分析流体力学中许多工程实际问题由于边界条件复杂,影响因素众多,目前还不能用数学分析方法求出严谨的答案。
即使有少数问题可导出微分方程,但由于它是非线性的,也难以求得精确解。
有些由解析方法求解的,也要做相当的简化和假定,以致结论与实际情况不完全相符。
这就必须借助实验,而且实际中很多公式和系数就是实验的总结。
根据已有的科学知识,进行船舶、飞机和水力机械等的设计是否符合实际需要和流体力学原理,要由实践来证实,因为经济和技术上的原因,不可能直接作出实物实验。
但是,实验必须有理论指导,否则将带有很大的局限性和盲目性,而相似原理和量纲分析就是指导和分析实验的理论依据。
通过相似原理和量纲分析可以正确和合理地制订实验方案和设计模型,获得符合实际的结果。
§ 4-1 相似原理和相似判据一、 相似原理相似概念最早出现于几何学。
如果两个几何图形的对应夹角相等,对应边成比例,那么这两个几何图形是相似的。
这一概念可被推广于一般的物理过程。
所谓两个系统是相应的,就是假定一个系统的一个点和瞬时(xp ,yp ,zp ,tp)可以和另一系统的唯一的一个点和瞬时(X M,Y M,Z M,tM)相对应,并且假定连续性条件适用于这两个系统中的任何两个相邻点。
所谓同名物理量即两个系统中表示同一物理属性的量。
例如,一个系统中某点的速度和另一系统中相应点的速度是两个系统中的同名物理量。
当两个相应系统中进行着同一的物理过程(例如都是机械运动),而所有相应点的同名物理量的方向相同,其大小之间保持着同一比例关系,那么这两个系统就是物理相似的。
在流体力学中,两个流动系统中相应点的各种向量物理量彼此之间相互平行,并且向量或标量物理量互相成一定比例,则称两个流场是力学相似的。
要实现力学相似,两个流场必须具备以下几个条件:①几何相似;②运动相似;③动力相似;④边界条件和起始条件相似。
(一)几何相似如果两个流场几何形状相同,它们所有相应线段长度之比为同一常数,那么这两个流场是几何相似的。
第四章 相似原理与量纲分析量纲分析法是用于寻求一定物理过程中,相关物理量之间规律性联系的一种方法。
它对于正确地分析、科学地表达物理过程是十分有益的。
两个规模不同的流动相似是流体力学试验时必须面对的问题。
本章在量纲分析法的基础上探讨流动的相似理论,对流体力学试验研究有重要的指导意义。
§6—1 量纲分析一、量纲、无量纲量量纲(因次):表征各种物理量性质和类别的标志。
是指物理量所包含的基本物理要素及其结合形式,表示物理量的类别,是物理量的质的特征。
● 在量度物理量数值大小的标准(单位)确定之后,一个具体的物理量就对应于一个数值,有了比较意义上的大小,这是物理量的量的特征。
● 量纲可分为基本量纲和诱导量纲基本量纲(dim ):互不依赖,互相独立的量纲。
基本量纲具有独立性,比如与温度无关的动力学问题可选取长度[L]、时间[T]和质量[M]为基本量纲。
诱导量纲可由量纲公式通过基本量纲导出,如][][γβαM T L x =,γβα,, 称为量纲指数。
1)1) 若0,0,0==≠γβα,则x 为几何学的量;2)若0,0,0=≠≠γβα,则x 为运动学的量,如运动粘性系数][][12-=T L ν;3)若0,0,0≠≠≠γβα,则x 为动力学的量,如动力粘性系数][][11M T L --=μ.● 纯数如果一个物理量的所有量纲指数为零,就称为无量纲(量纲为一)量。
无量纲量可以是相同量纲量的比值(如角度,三角函数),也可以是几个有量纲量通过乘除组合而成(如压力系数221∞∞-=U p p C p ρ). 二、量纲和谐原理一个正确、完整的反映客观规律的物理方程式中,各项的量纲是一致的,这就是量纲一致性原理。
● 正确反映客观物理规律的函数关系式或方程式,其各项的量纲指数都分别相同。
● 任何表示客观物理规律的数学关系式,其数学形式不随单位制变换而改变形式。
● 客观物理规律必定可以通过无量纲量之间的关系式来表达。