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相似基本原理与模型试验简介

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相似原理及水力模型试验

相似原理及水力模型试验

§4 相似准则的导出
– 特定相似准则的意义：牛顿数中的力只表示作用力 特定相似准则的意义： 合力，合力的组成并未被揭示， 合力，合力的组成并未被揭示，牛顿相似准则只具 有一般意义， 有一般意义，解决具体模型试验的比尺关系必须根 据特定运动现象来导出 1 ∂p P ∂u xP ∂u xP 2 一、控制方 + ν P ∇ u xP = + u xP XP − ρ P ∂x P ∂t P ∂x P 程方法 – 原型流动 ∂u xP ∂u xP + u yP + u zP 的N-S方程 方程 ∂y P ∂z P 1 ∂p M ∂u xM ∂u xM 2 XM − + ν M ∇ u xM = + u xM ρ M ∂x M ∂t M ∂x M – 模型流动 的N-S方程 方程 ∂u xM ∂u xM + u yM + u zM ∂y M ∂z M
– 水力模型试验的好处： Money,time,safety 水力模型试验的好处： 如：核电站设计采用千年一遇波浪 – 重要作用：大中型水利、港口工程 重要作用：大中型水利、 – 如何进行水力模型试验 需要处理好以下问题 （1）流动相似 （2）现象和数据还原 实验简单、 （3）实验简单、变量最少 （4）实验资料分析
• 请应用 定理推导圆柱绕流阻力公式， 请应用π定理推导圆柱绕流阻力公式， 定理推导圆柱绕流阻力公式 λL =设计模型试验。 10 设计模型试验。 并按 • 若已知原型水下圆柱直径为 ，按照 若已知原型水下圆柱直径为2m， 设计的模型进行试验得到单位长柱体 绕流阻力为25N，试求实际柱体绕流 绕流阻力为 ， 阻力。 阻力。
Fp = m p
• 比尺关系： 比尺关系：
du p dt p

模型试验

模型试验

2.2.4.时间相似
对结构的动力问题，在随时间变化的过程 中，要求结构模型和原型在对应的时刻进行比 较，要求相对应的时间成比例。虽然不直接采 用St时间相似常数，但速度，加速度等物理量 都与时间有关，按相似要求它们在模型与原型 中应成比例。
2.2.5.边界条件和初始条件
在材料力学和弹性力学中，常用微分方程 描述结构的变形和内力，边界条件和初始条件 是求微分方程的必要条件。原型与模型采用相 同组微分方程和边界条件及初始条件描述。
3、模型设计
•
1 1 ~ 200 50 1 1 ~ 30 10
1 25
1 1 ~ 100 50
1 1 ~ 20 4 1 1 ~ 20 4 1 1 ~ 10 4
1 25
1 400
1 1 ~ 300 50
1 75
3、模型设计
模型尺寸不准确是引起模型误差的主要原因之 一。模型尺寸的允许误差范围和原结构的允许误 差范围一样，为5%，但由于模型的几何尺寸小， 允许制作偏差的绝对值就较小，在制作模型时对 其尺寸应倍加注意。 模板对模型尺寸有重要的影响，制作模型板 的材料应体积稳定，不随温度、湿度而变化。有 机玻璃是较好的模板材料，为了降低费用，也可 用表面覆有塑料的木材做模型，型铝也是常用的 模板材料，它和有机玻璃配合使用相当方便。
（三）体力加载 在结构模型试验中，体力是一项重要的荷载 ，它是指结构、基础结构及其地基岩土的自重。
5、模型制作与加载方法
通常施加体力的方法有： ①、用分散集中载荷代替自重 ②、用面力代替体力的方法 ③、选高容重、低强度模型材料。 （四）预应力加载 对于预应力钢筋砼或其它预应力结构，预应力 产生的载荷在模型在施加的方法一般有两种。一 是采用锚头和张拉设备；另一种方法是施加外载 ，但应在弹性范围内。

《相似理论与模型试验》知识点

《相似理论与模型试验》知识点

1、常用的解决物理问题（包括工程力学问题）的方法有：直接试验法、连续试验法、试验设计法（多因素法）、量纲分析法、解析法、数值分析法、模拟试验法（模型试验法）2、三个关于模型的概念：数学模型：描述所研究现象的固有形状和单值条件的物理变量之间的数学关系式（通常是微分方程）。

计算模型：建立在数学模型及其变换基础上的，可直接用于数值计算的代数方程组。

物理模型：将所研究对象根据相似理论的原则按比例制成的物体或系统。

而被研究的对象则称为模型的“原型”。

物理模拟是指基本现象相同情况下的模拟，这时模型与原型的所有物理量相同、物理本质一致。

数学模拟是指存在于不同类型现象之间的模拟，它们的对应量都遵循同样的方程式。

3、模型试验的定义及其作用：模型试验是按一定的几何、物理关系，用模型代替原型进行测试研究，并将研究成果用于原型的试验方法。

作用：（1）对复杂的、尚未或难以建立准确数学模型的结构的力学行为进行研究，为设计或施工方案提供参考和依据，直接服务于工程目的；（2）为建立新的理论或计算（数学）模型提供依据；（3）检验新的理论或计算（数学）模型的正确性或实用性。

意义：（1）模型试验作为一种研究手段，可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界和自然条件的限制；（2）模型试验有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系；（3）它制造容易，装拆方便，试验人员少；（4）它能预测尚未建造出来的实物对象或根本不能进行直接研究的实物对象的性能。

4、模型试验的优点与局限：优点：（1）可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界环境的影响；（2）可以突出主要因素而略去次要因素，便于改变因素和进行重复试验，有利于验证或校核新的理论；（3）与直接试验相比可节省人力、物力和时间；（4）对于某些正在设计的结构，可用模型试验来比较设计方案并校核该方案的合理性；（5）当所研究的对象尚难或难以建立数学模型时，模型试验可能是最重要的研究手段。

18、相似原理及模型试验基础

18、相似原理及模型试验基础

根据重力相似准则（18-25）式，可得单宽流量比尺： qr
=
Qr br
=
L2.5 r
Lr
=
L1.5 r
那么，模型单宽流量
qM
=
L−1.5 r
×
qP
= 20−1.5 ×11.272 = 0.126m3/s-m
18-6 有一直径为 20cm 的圆管，输送 ν=0.4cm2/s 的油液，其流量为 12 l/s。若用直径为 5cm 的圆管
= (u' u' ) i jr
(u' i
u' j
)M
= (u' u' ) i jr
u' u' Mi Mj
将各物理量比尺关系代入原型水流的雷诺方程，并将结果与模型水流的雷诺方程相比，则
F Pi
1 − ρP
∂ pP ∂xPi
∂u' u'
+ νP∇2 uPi −
Pi P j
∂xP j
=
∂uPi ∂tP
+
uPi
做模型试验，要求保证粘滞阻力作用的相似，今采用（1）20℃的水，（2）空气（ν=0.17cm2/s），
试求模型流量各为多少？
解：因 dP＝20cm，dM＝5cm，那么 Lr＝dr＝dP/dM＝4，本题要求保证粘滞阻力作用的相似，所
以可由雷诺相似准则，即（18-35）式可得流速比尺： vr = Lr−1
用 m＝0.49，今欲通过长度比尺 Lr＝20 的断面模型试验来验证该流量系数，试求当模型的单 宽流量为多少时，测量坝顶水头来计算流量系数?
-3-
第十八章 相似原理及模型试验基础
解：因原型坝顶水头 HP＝3m，模型与原型为重力相似，且有流量系数 mP＝mM，则原型单宽

相似理论与模型试验

相似理论与模型试验

Page
7
④ 模型试验能预测尚未建造出来的实物对象或根本不 能直接研究的实物对象的性能。 ⑤当其它各种分析方法不可能采用时，模型试验就成了 现象相似性问题唯一的和更为重要的研究手段。 目前，相似理论和模型试验方法已用于物理、化学、工 程结构、热力学、气象、航天等各个领域，并有着广泛的应用 前景。
Page
Page
2
但最先人们采用直接实验的方法发现它有着较大的局限性， 在于它常常只能得出个别量之间的规律性关系，难以发现或抓 住现象的全部本质，从而无法向实验条件范围以外的同类现象 推广。 但通过人们长期实践、总结，一种用于指导自然规律研究 的全新理论——“相似理论”，便应运而生了。它是把数学解 析法和试验法的优点结合起来，用来研究和解决生产和工程中 的问题。这是科学研究的主要方法之一，也是解决生产和工程 问题的一种有效方法。从而扩展了人们探索自然奥秘的领域。
相似理论与模型实验
授课对象：研究生 授课教师：严仁军 二О一四年十月
引 言
1.人们对自然规律的不倦探索
在古代，人们以初等数学为工具从量的方面来探索自然界 的规律性。但初等数学以研究常量为主，只能研究事物在静 止状态下的规律性，这就大大限制了它在客观世界中被利用 的范围。 高等数学的出现，是人们认识客观世界的一个飞跃，也是 探索自然规律的一种有力工具。但自然界的现象毕竟是错综 复杂的。有许多实际问题至今靠高等数学尚不能全部解决或 根本无法解决，于是逼使人们不得不走直接实验的道路。
8
一、物理模拟和数学模拟
物理模拟——是指基本现象相同情况下的模拟。 这时模型与原型的所有物理量相同，物理本质一致。 区别只在于各物理量的大小比例不同。因此，物理模拟也可说 成是保持物理本质一致的模拟。 （两个现象物理量及其性质相同，只有大小不同）。

相似原理与模化实验

相似原理与模化实验

1 6 226.8 10 80.64 pa 800 11.25
（3） 说明：以空气为介质作模型：由Re相等，则
m lp 30 p lm
m 180m / s
此时空气压缩性不能忽视，故不能用空气作介质，
则用水质后，
m 11.25m / s
5.3相似定理
三个定理回答了三个问题：
1.实验研究必须测量哪些量→相似第一定理 2.如何做到模型与原型相似→相似第三定理 3.如何对测量结果进行加工整理→相似第二定理
5.3相似定理
5.3相似定理
5.3相似定理
例：
总结： ⒈相似第一定理是对相似性质的总概括，阐明了 相似现象中各物理量之间存在一定关系。 ⒉对于复杂的现象，常存在几个相似准数。 例：对不可压缩粘性流体的不稳定等温流动共有 四个： t H0 均时性准数： 不稳定流体流动必与 t 有关。 l l Re 雷诺准数： 与粘性有关的流动，惯性力/粘性力 付鲁德准数： Fr
b 1 c 1 0 ab vd 1 1 v k d , k
1 b

Re
vd

5.4量纲分析和π定理
5.4.2.2 布金汉（Buckingham）定理
对于某个物理现象或过程，如果存在有n个变量互为函数 关系， f(a1,a2, …an)=0 而这些变量含有m个基本量纲，可把这n个变量转换成为有 (n-m)=i个无量纲量的函数关系式 F(1,2, … n-m)=0 这样可以表达出物理方程的明确的量间关系，并把方程中 的变量数减少了m个，更为概括集中表示物理过程或物 理现象的内在关系。
or 其中：
1 f（ 2， 3 n）
1 ——非定性准数 2 n ——定性准数

模型试验基本原理

模型试验基本原理模型试验是指利用模型装置对实际问题进行缩尺模拟试验的一种方法，通过模型实验可以研究、预测和评估实际问题的各种特性和性能，以及寻求解决问题的方法。

模型试验的基本原理包括几何相似原理、动力相似原理和相似系数原理。

1.几何相似原理几何相似是指模型和实际问题之间的几何形状和尺寸上具有相似性。

按照几何相似原理，模型的尺寸和实际问题之间需要保持一定的比例关系。

例如，水利工程中的水闸或堤坝的模型试验，模型的尺寸通常要缩小到实际问题的1/10或1/100，控制各个构件的尺寸比例保持一致。

2.动力相似原理动力相似是指模型试验过程中主要的力学特性和动态行为与实际问题的相似性。

按照动力相似原理，模型和实际问题之间需要保持一定的物理量比例关系，如力、速度、加速度等。

这样可以使模型试验的动力特性对应到实际问题中，研究问题时所得到的结果可以推广到实际问题中。

3.相似系数原理相似系数是指模型和实际问题之间的各种物理量相互之间的比例关系。

根据相似系数原理，物理量之间的比例关系可以表示为一组相似系数，对于不同的物理量可以有不同的相似系数。

通常情况下，相似系数包括长度比例系数、速度比例系数、密度比例系数、黏性比例系数等。

通过确定合适的相似系数，可以保证模型试验中的各种物理量之间的比例关系与实际问题保持一致。

模型试验的基本过程包括设计模型、制作模型、试验准备、试验操作和结果分析等阶段。

在设计模型阶段，需要根据实际问题的要求确定模型的尺寸、材料和结构等；制作模型阶段需要按照设计要求制作出符合几何和动力相似原理的模型；在试验准备和试验操作阶段，需要按照实验计划和方法进行试验前的准备工作，包括设置试验装置、调整实验参数等；在试验过程中，需要记录和采集各种数据和结果，以便进行后续的分析和评估。

总之，模型试验是一种对实际问题进行缩尺模拟试验的方法，基于几何相似、动力相似和相似系数原理，通过设计模型、制作模型、试验准备、试验操作和结果分析等阶段，可以研究和评估实际问题的各种特性和性能，以及寻求解决问题的方法。

第五章 相似理论与结构模型试验


2.2.6.边界条件和初始条件
在材料力学和弹性力学中，常用微分方程描
述结构的变形和内力，边界条件和初始条件是求 微分方程的必要条件。原型与模型采用相同组微 分方程和边界条件及初始条件描述。
2.2.6.1 边界条件
原型与模型在外界接触的区域内各种条件 保持相似。如支撑条件、约束情况、边界受力 等相似。
d 水泥砂浆
水泥砂浆被广泛地用来制作钢筋混凝土板壳等 薄壁
似，即模型与原模型结构对应部分的质量成比例 Sm=mm/mp或Sp=ρm/ρp 质量是密度与体积的乘积：
Sp=ρm vmvm/(ρpvpvp)=Sm/S3l
可见，在给定几何常数后，密度相似常数可以
由质量相似常数导出。
2.2.3.荷载相似
模型与原型在各对应点所受的荷载方向一
致，荷载大小成比例。集中荷载与力的量纲相
3.1 模型的类型分类
如按模型试验研究范围可分为：弹性模型试验、强
度模型试验。
如按试验模拟的程度分类：断面模型试验(平面)，
半整体模型，整体模型试验。
如按试验加载方法分类：静力结构模型试验，动力
结构模型试验，等等。
3、模型设计
3.2 模型几何尺寸的确定
确定几何尺寸是关键的一步，主要应考虑： a、 模型的尺寸大小要适中，可行，对于与结构 物相互作用问题，应考虑影响范围。 b、 测量手段，应考虑传感器的大小和精确度要 求。当传感器精度不够时应加大模型尺寸。 c、 试验待求量应方便、可以实施 因此，设计时应综合考虑模型类型、制作条件及试 验等，才能确定出一个最优的几何尺寸。
1.3.模型试验特点
经济性好
特点
针对性强 数据准确
1.4.模型试验适用范围
1

相似理论与模型试验

精品资料
第三节 模型设计与数据(shùjù)
换算
1 模型流动设计
设计模型流动，要使之成为 原型流动的相似流动，原则上要 满足几何相似、运动相似和主要 动力相似。具体(jùtǐ)设计时， 首先要考虑该流动性质选择决定 性相似准数，此外还要考虑实验 规模和实验室的条件以及实验时 所采用的流体是否与原型流动中
(2)
v t x p p v x p v x x p p v y p v y x p p v z p v z x p p f x p 1 p x p p p v xp
精品资料
所有的同类物理量均具有(jùyǒu)各自的同 一比例系数，有如下关系式：
xm=xpkl ym=ypkl zm=zpkl
精品资料
❖ 7、从20世纪70年代起，随着电子、计算机和 激光等先进技术发展，结构模型进入深入发展 阶段，转向解决一些重大的复杂结构的研究课 题，如：核潜艇、直升机、超音速飞机、火箭、 宇航器及地震、风灾、火灾对工程结构的破坏 (pòhuài)作用等方面的研究，出现和发展了各 种结构的动力模型试验。
力学物理量的比例系数可以表示为密度、尺度、 速度比例系数的不同组合形式，如：
力矩M
压强p
功率N kMF F动m pll 力k粘kl度3kv2
kpp pm p k kF Akkv2
k Nk M k t 1k k l2 k v3
kkklkv
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Dynamic Similarity
Forces at corresponding locations on
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2 数据换算 从模型流动实验中测定的各个数据不能直
接用到原型流动中去，需要用到数据换算。 由模型流动中已确定的一些比例系数以及 物理量之间的关系来确定其他一些比例系 数，这样，原型流动中所要获得的数据就 等于模型流动中的相应(xiāngyīng)数据除 以对应的比例系数。

——相似理论与模型试验

t ctt
（1）式实际上可用于描述彼此相似的两个现象。这
但最先人们采用直接实验的方法发现它有着较 大的局限性，在于它常常只能得出个别量之间的规律 性关系，难以发现或抓住现象的本质（全部），从而 无法向实验条件范围以外的同类现象推广。
但通过人们长期实践、总结，一种用于指导自 然规律研究的全新理论——“相似理论”便应运而生了 。它是把数学解析法和试验法的优点结合起来，用来 研究和解决生产和工程中的问题。这是科学研究的主 要方法之一，也是解决生产和工程问题的一种有效方 法。从而扩展了人们探索自然奥秘的领域。
[L]：1=-a-2b+4b+c [F]：0=a+b
a2bc 1 ①
②
a b
∴ 3b c 1
c
a 1
b 3b
∴ y=k q-b[EI]bL1-3b
令：d=-b
∴
y=k q d L(13d )
(EI )d
做二次试验后解得：d=1, k= 5 ∴y= 5ql 4
384
384EI
从上面二例可以看出，采用量纲分析法求等式的关键在于： 选择的物理参数要正确。
量纲分析法除了求导相似准则外，还可用于：（1）、导出无 量纲量；（2）、可简化方程，把多个物理量减少等，其用途较 多。
3、 相 似 理 论
3.1 相似概论 相似——两种物理量对应时刻的对应点成比例，可称
相似。 3.1.1 几何相似 ——对应尺寸成比例。 如两个三角形相似，对应边成比例， 比例值CL称为几何相似常数。
对于完全方程，除以方程中的任一项，将变 为无量纲的量。
如
：
s=v0t+
1 2
gt
2[L]
但对于非完全方程如P=0.013H(重液公式)则 不成立。
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例如，原型：自由表面 模型：自由表面 固体边壁 固体边壁
给定瞬时tP 的流速vP 对应瞬时tP的流速vM
14.2.5 流动相似
1 流动相似： 原型与模型几何相似、运动相似，动力相似 G PT PP PSPE PIP G M T M P M SM E M IM
G r T r P r S r E r I r
EM
P
L
2 P
v
2 P
SP
P
互相平行，且其大小具有同一比值。
例如：原型流动中作用有：重力、阻力、表面 张力，则模型流动中对应点上也应存在这三种力， ，并且各同名力矢量方向平行、比值保持相等。
一般作用在水流中的力有： 重力G 粘滞力T 压力P 表面张力S 弹性力
如果作用于质点的合外力F ≠0，将此力 视为惯性力I，则所有的力（包括惯性力）构 成一个平衡力系，并组成一个封闭的力多 边形。
第十四章 相似原理及模型试验简介
14.1 概 述 14.2 相似的基本概念 14.4 相似准则
14.1 概 述
工程流体力学、水力学的问题大都较为复杂， 不能单纯依靠解析法、数值计算求解，必 须通过理论分析、数值计算与模型实验相结合的 方法加以解决。
模型试验
在几何尺寸缩小的模型上，观测流态、量测运 动要素，再后把模型实验中的实测数据引伸到原型。
推论：牛顿数相等表示原型与模型流动中 作用力的分力与位移惯性力比值相等
推论：牛顿数相等表示原型与模型流动中 作用力的分力与位移惯性力比值相等
设作用于水流的力 重力 G 阻力 T
表面张力 S 压力 P
弹性力 E
FP PL2 PvP 2
FM ML2 MvM 2
(G T E P L 2 P S v P 2F ..P . ) (G T M E L 2 M S v M 2 F .. .)
14.2.1 几何相似
几何相似： 指原型和模型几何形状和几何尺寸相似，即原型
和模型的对应线性长度之比均保持一个定值。
L r L L M P=B B M P=H H M P=
式中，Lr 为长度比尺
长度比尺： 面积比尺： 体积比尺：
Lr
LP LM
Ar
AP AM
L2P L2M
Lr2
Vr
VP VM
L3P L3M
动力相似：原型与模型中对应点上作用的各同名力 矢量互相平行，且均具有同一比值。
动力相似：原型与模型中任意对应点的力多边形相似， 对应边（即同名力）成比例
原型
模型
14.2.4 边界条件和初始条件相似
边界条件和初始条件相似 水流运动受到边界条件和初始条件的影响和制
约，要做到其流动相似，必须使两个系统的边界条 件和初始条件相似。
原型
FPmPddutPP FPFrFMmrmMddutrru tM Mmtrrur mMddutM M
FrFMmtrrur mMddutM M＝mtrrur FM
m rur tr
Fr
因此，对于相似的原型与模型流动，则
F rtr 1 m rur
从中可见，相似系统中物量的相似比尺相 互约束，四个相似比尺中三个可自由选取，剩 余一个由上述比尺关系确定。
流动相似
模型和原型水流如何达到流动相似？ 水流是在一定时间和空间中进行的，它遵 循水流运动学和动力学规律。 因此，两个系统的流动相似要求几何相 似、运动相似和动力相似。
为便于讨论，规定： 物理量的下标 r 表示其物理量的比尺 物理量下标 P、M 表示原型量和模型量
r: ratio P:prototype M:model
FP PL2PvP 2
FM ML2MvM 2
(G T E P L 2 P S v P 2F ..P . ) (G T M E L 2 M S v M 2 F .. .)
GP
P
L2 Pv2 NhomakorabeaPGM
M
L
2 M
v
2 M
TP
P
L
2 P
v
2 P
TM
M
L
2 M
v
2 M
EP
因此，产生了下列问题
如何设计模型，使原型与模型流动相似 ？ 如何把模型中测量的物理量换算到原型 ？
相似原理和模型试验基础
答案
14.1 概述 14.2 相似的基本概念 14.4 相似准则
14.2 相似的基本概念
几何相似
两个系统：原型和模型几何尺寸中，对应长度均 保持一个固定的比例，把模型中任一长度尺寸乘比 例尺，便得到原型的相应长度。
由比尺定义，则
m rm m M P
PVP M VM
rV r
rLr3
ur
Lr tr
tr
Lr ur
将各比尺代入
则 Fr tr 1
mr ur
rF L 2 r rvr 2 1 P F L P 2 P vP 2M F L M 2 M vM 2
FP FM
PL2 PvP 2
ML2 MvM 2
L3r
14.2.3 运动相似
运动相似： 原型和模型对应点的流速、加速度向量相似
时间比尺： 流速比尺：
tr
tP tM
vr
vP LP vM LM
tP tM
Lr tr
加速度比尺：
ar
aP aM
LP LM
tM 2 tM 2
tLrr2
14.2.4 动力相似
动力相似： 原型与模型中对应点上作用的各同名力矢量
几何相似、运动相似，动力相似是流动相似的重要特征
它们互相联系、互为条件 几何相似是运动相似、动力相似的前提条件 动力相似是是决定流动相似的主导因素 运动相似是几何相似和动力相似的表现
它们是一个统一的整体，缺一不可。
14.1 概述 14.2 相似的基本概念 14.4 相似准则
14.4.1 牛顿数相似准则
原型与模型尺度不同，但两者水流运动遵循 同一规律－牛顿第二定律
原型：
FP
mP
duP dtP
模型：
FM
mM
duM dtM
式中：F、m、u、t 为的合力、质量、流速和时间
相似系统中存在下列比尺关系
F m a F P F r F M , m P m r m M , u P u r u M , t P t r t M
把无因次数
F
L2v 2
称牛顿数，用Ne表示，则 NeP = NeM
两个流动相似的系统中牛顿数相等－牛顿相似准则
NeP = NeM
FP
PL2 PvP 2
FM ML2 MvM 2
牛顿数是作用力的合力与惯性力之比值
牛顿数相等表示原型与模型流动中
作用力合力与惯性力比值相等
牛顿准则是判断两个系统流动相似的一般准则