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量纲分析法原理

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5.2 量纲分析

5.2 量纲分析

1、量纲分析指数法
（1）柏金汉姆法（π定理法）（E.Buckingham） 柏金汉姆法（ 定理法） E.Buckingham） 列出影响现象的各个参量 f(x1、x2、x3…xn)=0 确定k个量纲彼此独立物理量为重复变量 确定k 其它物理量量纲用重复变量量纲的幂积形式表示 其它物理量量纲用重复变量量纲的幂积形式表示 量纲用重复变量量纲
5.2
量纲分析
原理:1、 原理:1、量纲和谐性原则 :1 2、 Π定理 重点： 重点：量纲分析法
5.2.1 量纲和谐性
量纲和谐性原则 任何一个完整的物理方程， 各项量纲必定是和谐的。 任何一个完整的物理方程，其各项量纲必定是和谐的。 量纲必定是和谐的 量纲分析法的物理本质在于描述现象的微分方程中各项量纲的 一致性。 一致性。 量纲和谐性原则应用: 量纲和谐性原则应用: 可检验方程的正确性。 可检验方程的正确性。 物理量单位换算。 物理量单位换算。工程计算时常采用的经验公式中系数往往 时采取某一单位制（早期许多采用英制）确定，使用时单位制 时采取某一单位制（早期许多采用英制）确定， 改变，要注意单位系数换算。 改变，要注意单位系数换算。 推导相似准数和准数方程
5.2.4 量纲分析法
应用量纲理论寻找相似准数和准数方程的方法， 应用量纲理论寻找相似准数和准数方程的方法，称为量纲 分析法。 分析法。 基本思路： 基本思路： 1、列出影响该现象的全部物理量及待求物理量（因变量）， 列出影响该现象的全部物理量及待求物理量（因变量）， 将因变量与其他物理量之间的关系写成一般的不定函数式。 将因变量与其他物理量之间的关系写成一般的不定函数式。 2、根据量纲理论，求出因变量和自变量的关系。 根据量纲理论，求出因变量和自变量的关系。 3、再通过量纲分析和适当的组合，将上述不定函数式改写 再通过量纲分析和适当的组合， 为无量纲数群之间的关系式，即准数方程（准则方程）。 为无量纲数群之间的关系式，即准数方程（准则方程）。 量纲分析法分指数法和矩阵法两大类。 量纲分析法分指数法和矩阵法两大类。 指数法和矩阵法两大类

第一节-量纲分析方法

第一节-量纲分析方法

第一节量纲分析方法量纲分析是物理学中常用的一种定性分析方法，也是在物理领域中建立数学模型的一个有力工具。

利用这种方法可以从某些条件出发，对某一物理现象进行推断，可将这个物理现象表示为某些具有量纲的变量的方程，从而可以用此来分析个物理量之间的关系。

1.1量纲当对一个物理概念进行定量描述时，总离不开它的一些特性，比如，时间、质量、密度、速度、力等等，这种表示不同物理特性的量，称之为具有不同的“量纲”。

概括来说，将一个物理导出量用若干个基本量的乘方之积表示出来的表达式，称为该物理量的量纲式，简称量纲(dimension)（量纲又称为因次）。

它是在选定了单位制之后，由基本物理量单位表达的式子。

在国际单位制(I)中，七个基本物理量长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度的量纲符号分别是L、M、T、I、Q、N和J。

按照国家标准（GB3101—93），物理量•的量纲记为dim•，国际物理学界沿用的习惯记为[•]。

实际中，有些物理量的量纲是基本的，成为基本量纲。

系统因选定的基本单位不同，而分成绝对系统与工程系统两大类。

工程系统的基本单位：质量、长度、时间、力。

绝对系统的基本单位：质量、长度、时间。

绝对系统以长度(length)、质量(mass)、时间(time)及温度(temperature)为基本量纲，各以符号L 、M 、T 、θ表示其量纲。

其他可由基本量纲推导出的量纲称为导出量纲。

但在工程系统中，除了长度L 、质量M 、时间T 及温度θ等基本量纲外，也将力定义为基本量纲，而以符号F 表示其量纲。

此外在探讨热量 (heat)时，热量亦被定义为基本量纲，而以H 表示。

而其他的物理量的量纲可以由这些基本量纲来表示，比如：速度v = ds/dt 量纲：[]V =1LT - 加速度a = dv/dt 量纲：2[]a LT -= 力F = ma 量纲：22[][][]F M LT MLT --==压强P = F/S 量纲： 22[]P MLTL --= 21MT L --= 实际中，也有些量是无量纲的，比如,e π等，此时记为[][]1e π==。

5 量纲分析和相似原理

5 量纲分析和相似原理

5.2.2 π定理（布金汉定理，Bucking ham）
由美国物理学家Bucking ham提出。若某一物 理过程包含n个物理量，即 f (q1q2q3 qn ) 0 其中有m个基本量（量纲独立，不能互相导出）， 则该物理过程可由n个物理量构成的n-m个无量纲 项所表达的关系式来描述，即 F (1 nm ) 0 由于无量纲项用π表示，因此叫作π定理。
5.1.2 无量纲量
当量纲公式中α=0、β=0、γ=0时, 物理量q 为无量纲量。 vd Re 如 雷诺准数
LT 1L dim Re dim( ) 2 1 1 LT vd
无量纲量的特点： 客观性 不受运动规模的影响 可进行超越函数运算
5.1.3 量纲和谐原理
量纲和谐原理：凡正确反映客观规律的物理 方程，其各项的量纲一定是一致的。 如粘性流体总流的柏努利方程
4)量纲分析法是沟通流体力学理论与实验之 间的桥梁。
5.3 相似理论基础
5.3.1 相似概念
几何相似：两个流动流场（原型和模型）的 几何形状相似，即相应的线段长度成比例、 夹角相等。 以p表示原型 (prototype) ， m表示模型 (model) ，有
l p1 lm1 l p2 lm2 lp lm l
I m mlm2vm 2 lmvm Tm mlmvm m
即
l pvp
p

lmvm
m
(Re) p (Re)m
lv
无量纲数 Re 称为雷诺准数(Reynolds number)，表示惯性力与粘滞力之比。两流动 的雷诺准数相等，粘滞力相似。
此式为管道压强损失计算公式，称为达西-魏 斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式。

量纲分析法

量纲分析法

L, T ;
而
[x] L [t] T [r] L [v] LT 1 [g] LT 2
所谓无量纲化是指，对(3.18)式中的 x 和 t 分别构造且有相同的参数组合 xc 和 tc ，使得
新变量
x x x0
t t t0
为无量纲量，其中 xc , tc 称为特征尺度或参考尺度；把方程（3.18）化为 x 对
q L M T I N J
量纲齐次性原则：用数学公式表示一个物理定律时，等式两端必须保持量纲一致。 量纲分析就是在保证量纲一致的原则下，分析和探求物理量之间关系；先看一个具体 的例子，再给出量纲分析的一般方法。
例 3—1： 单摆运动，质量为 m 的小球系在长度为 l 的线的一端，线的另一端固定， 小球偏离平衡位置后，在重力 mg 作用下做往复摆动，忽略阻力，求摆动周期 t 的表达式。
--------------（3.2）
由量纲齐次原则应有 （3.3）
1 2
0 3
0
23 1
---------------
解得：1 0 ,
2
1 2
,
3
1 2
,
代入（3．1）得
t
l g
-------
（3.4） （3.4）式与单摆的周期公式是一致的 下面我们给出用于量纲分析建模的 Buckingham Pi 定理，
lv Fr ; 称为 Reynold 数，记为 Re , 因此（3.10）又可写为
f l 2v2 ( l h , Fr, Re)
------------------（3.11） 4. 下面我们利用物理模拟进一步确定航船在水中的阻力。
设: f、l、h、v、、、g 和 f 、l、h、v、 、、g 分别表示模型和原型中

量纲分析——精选推荐

量纲分析——精选推荐

量纲分析量纲分析量纲分析是20世纪初提出的, 在物理领域中建⽴数学模型的⼀种⽅法，它是在经验和实验的基础上, 利⽤物理定律的量纲齐次原则，确定各物理量之间的关系。

为了能够应⽤数学来描述物理对象，我们需要对其定量化。

物理对象的定量化需要有单位和数值，单位是作为度量标准的某个物理量。

被测物理量的数值⼤⼩不仅取决于其本⾝，⽽且取决于所选⽤的单位。

例如为了描述⼀块地的范围，需要确定其⾯积的单位和数值的⼤⼩。

我们可以说这是块⼤⼩为1平⽅公⾥的地，也可以说这是块⼤⼩为1000000平⽅⽶的地。

离开了单位，仅根据数值我们⽆法判断⼀块地的⼤⼩。

单位的选取往往带有任意性，⽐如说度量长短可以选⽤⽶为单位，也可以选⽤厘⽶、分⽶、公⾥甚⾄光年为单位。

然⽽这些单位都是⽤来度量同⼀个物理量—长度的，它们之间可以相互换算，具有某种统⼀性。

我们把这种统⼀性称为量纲。

单位：物理量的⼤⼩；量刚：物理单位的种类。

m 、cm、mm 长度类⽤L表⽰分、⼩时、秒时间类⽤T表⽰公⽄、克质量⽤M表⽰⼀般来说，测量同⼀个物理量可以有不同的单位，但是它的量纲是唯⼀的。

例如，测量长度可以⽤厘⽶、分⽶、公⾥甚⾄光年为单位，量刚只能⽤L来表⽰。

通常⽤［量］来表⽰物理量的量纲，不同的物理量往往有不同的量纲：长度的量纲记为L，时间的量纲记为T，质量的量纲记为M，⽆单位的物理量的量纲记为1。

⼀个具体的物理对象往往要有许多不同的物理量来描述其不同的特性，我们可以把其中的⼀些看成是基本量，其他的是导出量。

基本量的量纲称为基本量纲，互不依赖，互相独⽴的，不能从其他量纲推导出来量纲。

在国际单位制中有7个基本量纲：质量[M]、长度[L]、时间[T] 、电流[I]、热⼒学温度[Θ]、物质的量[N]、发光强度[J]其他量的量纲可以由基本量纲导出。

导出量纲：可⽤基本量纲推导出来的量纲例如，我们取基本的量纲为L、T和M，那么⾯积的量纲为L2，速度的量纲为LT-1，加速度的量纲为LT-2。

第9章 量纲分析

第9章 量纲分析
用[ ]表示物理量的 量纲，用（ ）表 示物理量的单位
量纲的分类：基本量纲 导出量纲
基本量纲是一组具有独立性的量纲。在 水力学领域中有三个基本量纲：[ L ] ， [ T ]， [ M ]。
导出量纲由基本量纲组合或推导出来的 量纲。如加速度的量纲 [a]=LT-2 ；力的量 纲 [F]=[ma]=MLT-2
可知p / v2与其余三个无量纲数有关，那么
p/v2=F1(l/d, /d, 1/Re)= (l/d)F2( /d, 1/Re)
p/g= p/= (l/d)(v2/2g)F2( /d, 1/Re)
令= F2( /d, 1/Re) p/= (l/d)(v2/2g)
这就是达西公式， 为沿程阻力系数， 表示了等直圆管中流动流体的压降与 沿程阻力系数、管长、速度水头成
1=l1v1d1 2=2v2d2 3=3v3d3 4= p4v4d4
将上述表达式写成量纲形式 [1]=L(ML-3)1(LT-1)1L1=M0L0T （1） [2]=L(ML-3)2(LT-1)2L2=M0L0T0
（2） [3]=ML-1T-1(ML-3)3(LT-1)3L3=M0L0T0
（3） [4]=ML-1T-2 (ML-3)4(LT-1)4L4=M0L0T0
所以 3=/vd=1/Re 求解方程（4） M: 1+4=0 → 4= -1
T: -2-4=0 → 4= -2 L: -1-3 4+ 4+4=0 → 4= 0 所以 4= p / v2 因此，所解问题用无量纲数表示的方程为
F(l/d, /d, 1/Re, p / v2)=0
至此，问题求解结束，进一步对上式整理规范。 由上式
有量纲量和无量纲量
水力学中任何物理量C的量纲可写成 [C]=[ M ][ L ][ T ]

量纲分析法

量纲分析法量纲分析法是一种工程数学方法，用于处理含有多个变量的物理问题。

这种方法非常有用，因为在实际应用中，我们通常需要考虑许多不同的变量和参数，这些参数可能具有不同的单位和量纲，使得问题变得复杂和难以处理。

利用量纲分析法，可以将各个参数转换为无量纲形式，从而简化问题并提高计算精度。

1. 什么是量纲首先，我们需要明确什么是量纲。

量纲是一个物理量所具有的度量属性，通常包括基本量纲，比如长度、时间、质量、电流等等。

每个量纲都有一个标准单位，比如米、秒、千克、安培等等。

通过组合不同的基本量纲和单位，我们可以得到其他物理量的单位和量纲。

比如速度可以表示为长度/时间，加速度可以表示为长度/时间^2。

在处理物理问题时，量纲是非常重要的，因为它们决定了各个物理量之间的关系和单位的选择。

2. 如何运用量纲分析法量纲分析法是一种基于量纲的数学方法，用于研究变量之间的关系和有效参数的数量。

在使用这种方法时，我们需要将所有涉及的物理量和参数转换为无量纲形式，然后通过比较各个无量纲参量的数量级和变化趋势来分析问题。

这种方法可用于许多不同的物理问题，例如流体力学、热传递、电路分析等等。

下面我们以流体力学为例来讲解量纲分析法的应用过程。

首先，我们考虑一个典型的流体力学问题：水从一根直管中流出的速度是多少？公司设计师可以运用以下方程式解决此题: v = (P1 - P2) / ρL其中v是水的速度，P1和P2是入口和出口处的压力，ρ是水的密度，L是管道长度。

我们观察到这个公式涉及四个参数，每个参数都有自己的单位和量纲。

在使用量纲分析法时，我们需要将它们都转换为无量纲形式。

我们可以定义以下五个无量纲参量：F1 = v L / νF2 = (P1 - P2) / (0.5ρv^2)F3 = D / LF4 = ε/ D其中，ν是水的动力粘度，D是管道的直径，ε是管道壁面粗糙度。

这里表示F1 代表惯性力，F2 代表压力力，F3 代表管道长度比，F4 代表管道细度等无量纲参量。

流体力学4-1.2量纲分析

由定理，选v、d、ρ为基本量，组成各π项
D 1 a1 b1 c1 d
2
d
a2 b2 c2
12
按π项无量纲，决定各基本量指数
阻力
1 1
[ D] [ ] [d ] [ ]
a1 b1
c1
1 3 c1
M LT
2
LT
1
1 a1
L M L
力[F ]= MLT-2 应力[p]= M L-1T-2 动力粘滞系数[μ]=ML-1T-1
4
二、无量纲量
2、产生途径
[q] M L T

1、定义 当量纲公式中各量纲指数α=β=γ=0时，
则［q］= 1，此时q为无量纲数，即为纯数 由两个具有相同量纲的物理量相比得到 线应变ε=⊿l/l 相对粗糙度ks/d 水力坡度J=hf /l 底坡i 几个有量纲量乘除组合得到 1 2/gh ，弗劳德数 Fr =v d ( LT ) L 雷诺数
16
进行量纲分析，则有 a1 = 0 ， a2 = 1 ， a3 = 0 ， a4 = 2 ， b1= 0， b2= 1， b3 = 1， b4 = - 1， c1 = 0 c2 = 1 c3 = 0 c4 = 0
1 h f / L
ks gd F ( , Re, , 2 ) 0 L d
基本量纲：具有独立性，不能由其他量纲推导出来 导出量纲：可由基本量纲导出的量纲 力学的基本量纲体系[M- L-T]: 取质量M，长度L、时间T。 七种量纲构成所有物理量 （对应国际单位制中m 、kg、s、A、K、mol、cd ） [ F ]= MLT -2 3 ［A］= L2 ［ρ］= ML-3
4、量纲公式:
1 b1

量纲分析法

步骤 4：用独立变量的待定幂指数乘积形式与其余变量中的每个变量组成无
量纲数 j j n k , n，并代入变量的量纲组成量纲关系式。
如在该问题中，有：
4 h A1 d A2 A3
5

g B1
d B2 B3
步骤 5：对量纲关系式中的每一个基本量纲令等式两边的幂
量纲分析法
一、量纲
1. 量纲的定义 是用来描述物体或系统物理状态的可测量性质，如长度、质量、速度、 加速度。 2. 基本量纲
彼此无关的量纲，如长度、质量和时间。 3. 导出量
最终要用基本量纲的组合来确定的量纲，如速度、加速度、动量等。 国际单位制中基本量纲为：
[L]、[t]、[M]、[T]。
二、量纲分析法—π定理
为无量纲的量，所以有
ML1T 2 L x LT 1 y ML3 z M z Lx y3zT y
z 1, y 2, x 0


p
2
同理有，分别有：
ML1T 1 L x4 LT 1 y4 ML3 z4 M L T z4 x4 y4 3z4 y4
2
2g
hf

P
g
2
g
f 1 , l , Re d d
莫迪图
hf
Re ， l
dd
2
2g
例题： 在层流情况下，流过一小等边三角形截面的孔（边长为 b
，孔长为 L )的体积流量 Q 为动力粘性系数 、单位长度上的压降
p / L 及 b 的函数。试将此关系写成无因次式。在其他条件不变的
z4 1, y4 1, x4 1
4

(最新整理)关于量纲分析法

t、m、l、g、
单摆运动的规律由公式 F(t, l, m, g, ) = 0 给出。
假设物理量 t, m, l, g 之间有关系式
t ml g 1 2 3 (1)
1, 2, 3 为待定系数，为无量纲量 (1)的量纲表达式
[t][m ]1[l]2[g]3 T M LT 1 2 3 2 3
t2l1g F()0
(t l/g)
Pi定理 (Buckingham) 设 f(q1, q2, , qm) = 0
是与量纲单位无关的物理定律，X1,X2, , Xn 是基本量
纲, nm, q1, q2, , qm 的量纲可表为
n
[q] X, aij
j
i
j1,2, ,m
i1
量纲矩阵记作 A{aij}nm, 若ranAkr
需要平衡的地方：频繁订货则c1增加而储存费降低，T小；减少 订货次数则c1减少而储存费增加，T大。
构造模型
记q(t)为t时刻货物的存量，具体形式为：
q(t)=Q-rt，
0tT且Q=rt
考虑一个定货周期的总费用：
q
T
cc1c2 0 q(t)dt
Q
c1c21 2rT 2c1c21 2QTr
从此模型不难看出，当T= 0 时总费用最低。 T 2T
一、量纲齐次原则
物理量的量纲
物 长度 l 的量纲记 L=[l] 理 质量 m的量纲记 M=[m] 量 时间 t 的量纲记 T=[t]
的 速度 v 的量纲 [v]=LT-1
量 纲
加速度 a 的量纲 [a]=LT-2
力 f 的量纲 [f]=LMT-2
动力学中 基本量纲 L, M, T
导出量纲
国际单位制SI制的基本量
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量纲和谐原理
我们经常遇到许多物理量，如长度、时间、质量、力、速度、密度及动量等。

它们的名称、记号和量纲如表所示。

表1 流体力学中常见物理量的量纲
速度v 表示单位时间内所经历的距离，它的单位是[米/秒]。

距离是长度l ，它的量纲是[L ]，而时间t 的量纲是[T ]，故速度v 的量纲是[1LT -]。

动量是质量m 和速度v 之积。

质量的量纲是[M ]，故动量的量纲是[1MLT -]。

如果我们选定三个相对对立的，例如长度l 的量纲[L ]、时间t 的量纲[T ]、质量m 的量纲[M ]为基本量纲，那么其他物理量的量纲都可用这三个基本量纲来表示。

如表5-1中所示，例如，加速度a 的量纲可表示为[2LT -]，力F 的量纲可表示为[2LMT -]。

当我们把一些物理量进行组合、分析或作比较时，用量纲表示就比较便利。

如果我们要写出一个流体微团的运动方程
F ma =∑v v
式子左边是作用在微团的各力和，它可以包括：重力W v 、压力P v 、粘滞τv
、力弹性力E
v 等；右边是微团的惯性力ma v。

于是得到
+++W P E ma t =v v v v v
（5-1）
上式中的每项都是力，所以各项的量纲都是[2
LMT -]。

又如，关于理想流体的伯努利方程
2
++=2v p z H g g
r 表示流管中三项能头之和保持常数，即等于总能头H 。

每项的单位都是米，故它们的量纲都是[L]。

不仅如此，在力学上任何有物理意义的方程或关系式，每一项的量纲必定相同。

这称为力学方程的量纲和谐性原理，又称为“量纲齐次性规律”。

量纲和谐原理是由傅里叶1822年提出来的，它是量纲分析法中具有基本重要性的一个概念，也是量纲分析法的理论基础，并可具体表达成：只有相同类型的物理量才能相加减，也就是相同量纲的物理量才可以相加减或比较大小；不同类型的物理量相加减没有任何意义。

例如，速度可以和速度相加减，但绝不可以加上粘性系数或压力。

当然，相同量纲和不同单位的物理量之间是可以相互加减和比较大小的，因为只要将其单位稍加换算即可完成。

一个量纲齐次性的方程，可以化为无量纲方程，只要用方程中的任意一项除其他各项。

例如，在式（5-1）中，用惯性力项遍除其他各项，于是各项都变成无量纲量，而各无量纲量之和等于1，即
+++1W P E
ma ma ma ma
τ=v v v v v v v v 由以上讨论可见，运用量纲可以更明显地指出物理量的性质。

不同量纲的物理量不能相加减，但它们可以根据某种需要进行乘除，从而导出另一量纲的物理量。

量纲和谐原理可以用来检验新建方程或经验公式的正确性和完整性，也可以用来确定公式中物理量的未知指数，还可以用来建立有关方程式。

对于量纲齐次的方程，只要用方程的任一项量纲去除其余各项，就可以使方程的每一项都变成无量纲量，方程变为无量纲方程。

量纲分析就是基于物理方程具有和谐原理，通过量纲分析和计算，将原来含有较多物理量的方程转化为含有比原物理量少的无量纲方程，使得为研究这些变量关系而进行的实验大大简化。

量纲分析法原理
在量纲和谐原理基础上发展起来的量纲分析法分为瑞利法和p 定理白金汉定理法。

为了简单地说明量纲分析法，我们先来讨论理论力学中熟悉的单摆周期，其关系式为
=2t π
（5-2） 假设，我们先前只见过单摆的物理现象，而还不知这个表明单摆周期的关系式时，可以
根据和摆动有关的物理量，用量纲法进行如下探索。

现把有关物理量和它们的量纲列出如表所示。

表2 单摆摆动相关的物理量及其量纲
假设t 和其余变量之间的关系，可以写成下一函数形式，即
=t 常量l m g αβγ
⨯⋅⋅ （5-3）
其中的指数αβ、和γ，是待定的未知数。

式中的变量用它们的量纲代替后，得到量纲关系式
(
)
2
+2T=L M LT =L M T g
a b
a g
b g --鬃鬃
由于上式的左边可以写成001L M T ，故有
001+2L M T =L M T a g b g -鬃
但一个具有物理意义的关系式，其各项的基本量纲必然相同，或者说，是满足量纲的齐次性条件的。

于是，上式两边的每个量纲的指数必然相同，即
L: +=0a g ， M: 0β=， T : 21γ-=
解这些方程后得
1
=2α
1=2
γ-
代入式（5-3），即得出
=t 常量12
12l
g -⨯⋅
或
常量 在解中没有说明这个无量纲常量之值，故还得由实验来决定。

在实验中，用摆长不同的摆，测量它们摆动的时间。

我们发现，只要摆幅小，若测得
摆动的时间各为123t t t 、、……，杆的长度各为123l l l 、、……，将得出不变的结果，即
t t t …=2π 以此代入上式得到
π （5-4） 可见，上式和按运动基本原理导出的式（5-2）完全一样。

求解上式的过程说明，量纲分析法是个通过分析工程问题中各有关量的量纲，利用量纲齐次性条件，探索描述问题方程的有效方法。