5.2 量纲分析

量纲分析法量纲分析法是科学研究和工程实践中一种常用的方法，用于简化和分析复杂的物理方程。

通过引入合适的量纲和无量纲量，可以减少物理方程的数量和复杂性，从而更容易理解和应用。

量纲是衡量物理量的属性，可以理解为物理量的尺度或单位。

常见的量纲有长度、质量、时间、温度等。

在科学领域，量纲的统一是一项基本原则，它要求所有参与物理方程运算的物理量必须具有相同的量纲。

例如，在牛顿定律中，质量的量纲是质量，加速度的量纲是长度除以时间的平方，力的量纲是质量乘以加速度。

无量纲量是指除去量纲后的物理量。

通过合适的变量代换和无量纲化操作，可以将含有多个物理量的复杂方程转化为只涉及少数几个无量纲量的简化形式。

这样做的好处是降低了方程的复杂性，使得我们可以更清晰地理解和研究方程的行为。

量纲分析法的基本思想是通过量纲的统一和无量纲化的技巧，将物理方程从具体的数值问题转化为一般的函数关系问题。

这样一来，可以用较少的实验和计算来研究和验证一类问题的特性，从而节省时间和资源。

量纲分析法在研究新领域的物理学问题、模拟和优化工程设计等方面发挥了重要作用。

量纲分析法的步骤通常包括以下几个方面：第一步是选择物理量，并通过其量纲建立物理方程。

在建立方程时，需要确保所选物理量之间的关系是正确的，并符合基本的物理定律。

第二步是确定主要影响因素，即哪些物理量对方程起主导作用。

对于复杂的问题，这一步可能会需要经验和专业知识的支持。

第三步是进行量纲分析，即将方程中的各个物理量转化为无量纲形式。

这一步需要根据物理量的量纲关系进行变量代换和无量纲化运算。

第四步是根据无量纲方程进行简化和分析。

通过缩小问题的数量级和去除复杂的单位，我们可以更容易地理解方程，并得到问题的一般解。

第五步是进行数值模拟和实验验证。

通过选择合适的数值和实验条件，我们可以验证和应用无量纲方程，并得到具体问题的解。

总的来说，量纲分析法是一种简化和分析物理方程的有效方法。

通过量纲的统一和无量纲化的技巧，我们可以将复杂的问题转化为一般的函数关系问题，从而更容易理解和应用。

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

第五章 量纲分析与相似原理
5.2 量纲分析与П定理
2. П定理
提议用量纲分析的是瑞利（L.Reyleigh,1877),奠定理论基础的是美国物理
学家布金汉（E.Buckingham,1914):
Π定理
若某一物理过程包含 n 个物理量，即：
f(q1 ， q 2，q 3, ……, q n )＝0
其中有 m 个基本量（量纲独立，不能相互导出的物理 量），则该物理过程可由 n个物理量构成的 n-m 个无 量纲的关系表达式来描述。即：
5.1 量纲与物理方程的量纲齐次性
1. 物理量的量纲（因次）：物理量的本质属性。
2. 物理量的单位：物理量的度量标准。
基本量纲和导出量纲：根据物理量之间的关系把无 任何联系且相互独立的量纲作为基本量纲，可由基本量 导出的量纲为导出量纲。
SI制中的基本量纲：
dim m = M , dim l = L , dim t = T ，dim θ=Θ
第五章 量纲分析与相似原理
5.1 量致性原则，也叫量纲齐次性原理（量纲和谐原理）
物理方程可以是单项式或多项式，甚至是微分方程等，同 一方程中各项的量纲必须相同。
用基本量纲的幂次式表示时，每个基本量纲的幂次应相等，
这就是物理方程的量纲一致性原则，也叫量纲齐次原则或量纲
1. 客观性 2. 不受运动规模的影响 3. 可以进行超越函数运算
整理课件
第五章 量纲分析与相似原理
5.1 量纲与物理方程的量纲齐次性
2. 量纲一的量(无量纲量)
基本量独立性判别条件：
设A、B、C为三个基本量，他们成立的条件是：指数行列式 不等于零。
diB m M 2L 2T 2 diA m M 1L 1T1 diC m M 3L 3T 3

设不可压缩牛顿粘性流体在一内壁粗糙直圆管中作定常流动， 试用量纲分析法分析沿管道的压强降低与相关物理量的关系。 解：按照量纲分析的一般步骤。
1. 列举物理量。 设本例中有关物理量为Δp（压强降低），V（平均速度）， d（圆管直径），ε（壁面粗糙度，即壁面上粗糙凸起的平 均高度），ρ（流体密度），μ（流体的粘度系数），l （管长度），共7个，组成关系式为
s s'
c c'
kl
(几何比数)
运动相似：所有对应点的速度方向一致，大小成比例。
v v'
U U'
kv
(速度比数)
B5.3.1 流动相似
动力相似：所有对应点上的对应力成比例。
在流场中存在惯性力、粘性力、重力、压力、阻力等，对 应力成比例要求：
Fi Fi '
Fv Fv'
Fg Fg '
...
kF
较早提议做量纲分析的是瑞利（L.Reyleigh, 1877），而奠定量纲分析理论基础的是白金汉(E. Buckingham,1914），他提出了П定理。
B5.2.1 П定理
П定理指出： 若一方程包含 n 个物理量，每个物理量的 量纲均由 r 个独立的基本量纲组成，则这些物理量可以并 只可以组合成 n-r 个独立的无量纲量，称为 П数。 在流体力学中独立的基本量纲一般为r=3。设原来的方程为
物理量（单位）的类别称为量纲，用dim表示。 基本量的量纲称为基本量纲，在国际单位制中基本量纲有 三个，记为：
dim m M, dim l L, dim t T
任何导出量的量纲均可用基本量纲的幂次表示，称为量 纲幂次式。
虽然物理量的类别与单位制无关，但量纲幂次式却只有 在确定的单位制中才有意义。