第十章-相似原理与量纲分析.ppt

第十章相似原理与量纲分析,流体力学,水闸,桥梁,流体力学的研究方法,本章主要介绍流体力学中的相似原理，模型实验方法以及量纲分析法。,1、数学分析法：是以数学作为探索自然规律的主要手段，根据所研究的物理现象的特点，分析与该现象相关各物理量之间的依变关系，列出描述该现象的微分方程组，根据边界条件，对方程组进行求解。2、实验法：是指对某一正在发生的现象或正在进行的过程进行系统的观察和参量的测定，再通过对取得的数据进行加工、分析，以找出各参量的分布规律及其相互间的依变关系。,实验法可分为原型测试和模型实验两类。原型测试法：就是对正在运行的设备及过程进行实际测试，掌握第一手资料，从而可为设备及过程的最优化提出改进依据。模型实验法：是以相似原理为指导，对所研究的现象建立模型，通过模型实验，定性地或定量地探索各物理参量间的依变关系，找出其内在规律，以这些规律为指导，进行新工艺或新设备的计算及设计。相似原理是指导模型实验的理论基础。,第一节流动的力学相似,第二节动力相似准则,第三节近似模拟试验,第四节量纲分析法,第一节流动的力学相似,第一节流动的力学相似,基本物理量,1960年10月十一届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制，简称SI制。SI制：七个基本单位：长度m，时间s，质量kg，热力学温度（Kelvin温度）K，电流单位A，光强度单位cad（坎德拉），物质的量mol二个辅助单位：平面角弧度rad，立体角球面度Sr,有量纲量和无量纲量：流体力学中任何物理量C的量纲可写成C=MLT当、不全为0时，C称为有量纲量。当、全部为0时，C称为无量纲量或无量纲数。,有量纲量流体力学中的有量纲量可分为三类：1、几何学的量，0，0；2、运动学的量，0，0；3、动力学的量，0。,无量纲量,第一节流动的力学相似,一.几何相似（空间相似）定义：模型和原型的全部对应线形长度的比值为一定常数。,以下标“n”、“m”表示原型、模型的有关量,:长度比例尺（相似比例常数）,面积比例尺:,体积比例尺:,图10-1几何相似,满足上述条件，流动才能几何相似,第一节流动的力学相似,定义：满足几何相似的流场中，对应时刻、对应点流速（加速度）的方向一致，大小的比例相等，即它们的速度场（加速度场）相似。,图10-2速度场相似,二运动相似（时间相似）,第一节流动的力学相似,加速度比例尺:,注：长度比例尺和速度比例尺确定所有运动学量的比例尺。,时间比例尺:,速度比例尺:,第一节流动的力学相似,运动粘度比例尺:,体积流量比例尺:,第一节流动的力学相似,三.动力相似（受力相似）定义：两个运动相似的流场中，对应空间点上、对应瞬时作用在两相似几何微团上的力，作用方向一致、大小互成比例，即它们的动力场相似。,图10-3动力场相似,第一节流动的力学相似,又由牛顿定律可知：,其中：为流体的密度比例尺。,力的比例尺：,第一节流动的力学相似,动力粘度比例尺:,功率比例尺:,有了模型与原型的密度比例尺，长度比例尺和速度比例尺，就可由它们确定所有动力学量的比例尺。,压强（应力）比例尺:,力矩（功，能）比例尺:,第一节流动的力学相似,流动相似：在对应点上、对应瞬时，所有物理量都成比例。,相似流动必然满足以下条件：,1任何相似的流动都是属于同一类的流动，相似流场对应点上的各种物理量，都应为相同的微分方程所描述；2相似流场对应点上的各种物理量都有唯一确定的解，即流动满足单值条件；3由单值条件中的物理量所确定的相似准则数相等是流动相似也必须满足的条件。,第一节流动的力学相似,定义：在几何相似的条件下，两种物理现象保证相似的条件或准则。,第二节动力相似准则,由式(4-10)得:,（4-15）,（4-16）,（4-17）,当模型与原型的动力相似，则其牛顿数必定相等，即；反之亦然。这就是牛顿相似准则。,称为牛顿数，它是作用力与惯性力的比值。,或:,令:,一、重力相似准则（弗劳德准则）,二、粘性力相似准则（雷诺准则）,三、压力相似准则（欧拉准则）,四、弹性力相似准则(柯西准则),五、表面张力相似准则（韦伯准则）,六、非定常性相似准则（斯特劳哈尔准则）,流场中有各种性质的力，但不论是哪种力，只要两个流场动力相似，它们都要服从牛顿相似准则。,第二节动力相似准则,1Strouhal相似准数Sr=l/vt表示时变惯性力和位变惯性力之比，反映了流体运动随时间变化的情况2Froude相似准数Fr=v2/gl表示惯性力和重力之比，反映了流体流动中重力所起的影响程度3Euler相似准数Eu=p/v2表示压力和惯性力的比值4Renolds相似准数Re=ul/=ul/表示惯性力和粘性力之比5Mach相似准数Ma=v/c表示弹性力和惯性力之比，c为声速，反映了流动的压缩程度,一、重力相似准则,将重力比带入式(4-15)得：,或:,令:,当模型与原型的重力相似，则其弗劳德数必定相等，反之亦然。这就是重力相似准则（弗劳德准则）。,重力场中，则：,（a）,改成,无量纲数,佛劳德数重力的相似准数,二、粘性力相似准则,将粘性力之比带入式(4-15)得：,或:,令:,（4-21）,（4-22）,（4-23）,（b）,当模型与原型的粘性力相似，则其雷诺数必定相等，反之亦然。这就是粘性力相似准则（雷诺准则）。,模型与原型用同一种流体时，则：,无量纲数,雷诺数粘性力的相似准数,三、压力相似准则,或:,令:,（4-24）,（4-25）,（4-26）,当压强用压差代替：,将压力比带入式(4-15)得：,称为欧拉数，它是总压力与惯性力的比值。,当模型与原型的压力相似，则其欧拉数必定相等，反之亦然。这就是压力相似准则（欧拉准则）。,（4-27）,（4-28）,欧拉数:,欧拉相似准则:,无量纲数,欧拉数压力的相似准数,改成,四、弹性力相似准则（柯西准则）,将弹性力之比带入式(4-15)得：,或:,令:,称为柯西数，它是惯性力与弹性力的比值。,当模型与原型的弹性力相似，则其柯西数必定相等，即；反之亦然。这就是弹性力相似准则（柯西准则）。,四、弹性力相似准则（马赫准则）,若流场中的流体为气体，由于（c为声速）则弹性力之比带入式(4-15)得：,或:,令:,称为马赫数，它是惯性力与弹性力的比值。,当模型与原型的弹性力相似，则其马赫数必定相等，即；反之亦然。这就是弹性力相似准则（马赫准则）。,称为马赫数，它是惯性力与弹性力的比值。,当模型与原型的弹性力相似，则其马赫数必定相等，反之亦然。这就是弹性力相似准则（马赫准则）。,无量纲数,柯西数弹性力的相似准数,气体：,将,无量纲数,马赫数弹性力的相似准数,（*）,代入（*）式，得,改成,E弹性模量,五、表面张力相似准则,将表面张力之比带入式(4-15)得:,或:,令:,称为韦伯数，它是惯性力与表面张力的比值。,当模型与原型的表面张力相似，则其韦伯数必定相等，即；反之亦然。这就是表面张力相似准则（韦伯准则）。,六、非定常性相似准则,或:,令:,将惯性力之比带入式(4-15)得：,称为斯特劳哈尔数，它是当地惯性力与迁移惯性力的比值。,当模型与原型的非定常流动相似，则其斯特劳哈尔数必定相等，即；反之亦然。这就是非定常相似准则（斯特劳哈尔准则）。,以上给出的牛顿数、弗劳德数、雷诺数、欧拉数、柯西数、马赫数、韦伯数、斯特劳哈尔数均称为相似准则数。,如果已经有了某种流动的运动微分方程，可由该方程直接导出有关的相似准则和相似准则数，方法是令方程中的有关力与惯性力相比。,第二节动力相似准则,二、相似准则牛顿数及相似判据,相似准则的导出方法有：物理法则法；方程分析法；量纲分析法。,彼此相似的现象必具有数值相同的同名相似准数,相似第一定律,必为同类现象，必须服从自然界中同一基本规律必须发生在几何相似的空间，并且具有相似的初、边值条件描述物性的参量必须具有相似的变化规律,定解问题相似,凡同一种类现象，如果定解条件相似，同时由定解条件的物理量所组成的相似准数在数值上相等，那么这些现象必相似。,相似第二定律,同类现象，形式相同的控制方程组第一个必要条件定解条件相似第二个必要条件独立相似准数在数值上相等第三个必要条件,现象相似的充要条件,描述某现象的各种量之间的关系式可以表示成相似准数方程之间的函数关系，这种关系式称为准数方程，即,相似第三定律,任何定解问题的积分结果都可以表示成准数方程的形式；便于实验,什么是模型实验：通常指用简化的可控制的方法再现实际发生的物理现象。实际发生的现象被称为原型现象，模型实验的侧重点是再现流动现象的物理本质；只有保证模型实验和原型中流动现象的物理本质相同，模型实验才是有价值的。,第三节近似模拟试验,为什么要进行模型实验,科学研究和生产设计需要做模型实验；并不是所有的流动现象都需要做模型实验。做理论分析或数值模拟的流动现象都不必模拟实验。并不是所有的流动现象都能做模型实验。只有对其流动现象有充分的认识，并了解支配其现象的主要物理法则，但还不能对其作理论分析或数值模拟的原型最适合做模型实验。,模型实验主要解决的问题：,1根据物理量所组成的相似准则数相等的原则去设计模型，选择流动介质；2在实验过程中应测定各相似准则数中包含的一切物理量；3用数学方法找出相似准则数之间的函数关系，即准则方程式。该方程式便可推广应用到原型及其他相似流动中去。,第三节近似模拟试验,第三节近似模拟试验,以相似原理为基础的模型实验方法，按照流体流动相似的条件，可设计模型和安排试验。这些条件是几何相似、运动相似和动力相似。前两个相似是第三个相似的充要条件，同时满足以上条件为流动相似，模型试验的结果方可用到原型设备中去。,简化模型实验方法中流动相似的条件，除局部相似之外，还可采用自模化特性和稳定性。,在工程实际中的模型试验，好多只能满足部分相似准则，即称之为局部相似。如上面的粘性不可压定常流动的问题，不考虑自由面的作用及重力的作用，只考虑粘性的影响，则定性准则只考虑雷诺数Re，因而模型尺寸和介质的选择就自由了。,自模化的概念实质是自身模拟的概念。比如在某系统中，有两个数与其它量比起来都很大，则可认为这两个数自模拟了。又比如，在圆管流动中，当Re2000时，管内流动的速度分布都是一轴对称的旋转抛物面。当Re4105管内流动状态为紊流状态，其速度分布基本不随Re变化而变化，故在这一模拟区域内，不必考虑模型的Re与原型的Re相等否，只要与原型所处同一模化区即可。,准则数的选择,很难实现同时满足两个以上准数相等,例：若同时满足Re数相等和Fr数相等,（1）同种介质（p=m）,Re：,Fr（gp=gm）：,失去模型实验的价值,（2）不同介质（pm）,Re：,Fr：,p水m很困难如果p空气（15.710-6m2/s）m水（1.00710-6m2/s）,取,结论：根据影响流动的主要作用力，正确选择相似准则，是模型实验的关键,自模区阻力平方区（与Re无关）,例1：某车间长30m，宽15m，高10m，用直径为0.6m的风口送风，要求风口风速8m/s，如取l=5，确定模型尺寸及模型的出口风速,解：l=5，则模型长为30/5=6m，宽为15/5=3m，高为10/5=2m，风口直径为0.6/5=0.12m原型是空气p=15.710-6m2/s,属阻力平方区（自模区）,因此采用粗糙度较大的管子，提前进入自模区（Re=50000）,此时,例2：弦长为3m的机翼以300km/h的速度在温度为20、压强为1at的静止空气中飞行，用l=20的模型在风洞中作试验：（1）如果风洞中空气的温度和压强不变，风洞中空气速度应为多少？,解：风洞实验中粘性力是主要的雷诺准则,相同,难以实现，要改变实验条件,（2）改用水,（3）改变压强（30at），温度不变,等温过程p，且相同,例3：溢水堰模型，l=20，测得模型流量为300L/s，水的推力为300N，求实际流量和推力,解：溢水堰受到的主要作用力是重力，用佛劳德准则,佛劳德准则：,温度不变的水：,由佛劳德准则,例4有一轿车，高h=1.5m，在公路上行驶，设计时速v=108km/h，拟通过风洞中模型实验来确定此轿车在公路上以此速行驶时的空气阻力。已知该风洞系低速全尺寸风洞(kl=2/3)，并假定风洞试验段内气流温度与轿车在公路上行驶时的温度相同，试求：风洞实验时，风洞实验段内的气流速度应安排多大？,解：首先根据流动性质确定决定性相似准数，这里选取Re作为决定性相似准数，Rem=Rep，即vl/=1，再根据决定型相似准数相等，确定几个比例系数的相互约束关系，这里=1，所以v=l-1，由于l=m/p=2/3，那么v=m/p=1/l=3/2最后得到风洞实验段内的气流速度应该是vm=vpv=1083/2=162km/h=45m/s,例5在例4中，通过风洞模型实验，获得模型轿车在风洞实验段中的风速为45m/s时，空气阻力为1000N，问：此轿车以108km/h的速度在公路上行驶时，所受的空气阻力有多大？解：在设计模型时，定下=1l=2/3v=3/2在相同的流体和相同的温度时，流体密度比例系数=1，那么力比例系数F=l2v2=1(2/3)2(3/2)2=1因此，该轿车在公路上以108km/h的速度行驶所遇到的空气阻力Fp=Fm/kF=1000/1=1000N,第四节量纲分析法,一、物理方程量纲一致性原则,二、瑞利法,三、定理,一、物理方程量纲一致性原则,1.基本量纲：(独立量纲)长度(L)时间(T)质量(M),2.导出量纲：,第四节量纲分析法,定理。,3.一致性原则,物理方程中要求每一项量纲都相同例:量纲为L.,无量纲物理量的意义：（1）客观性；（2）不受运动规模的影响；（3）清楚反映问题实质（如一个系列一条曲线）；（4）可进行超越函数的运算,物理方程的量纲齐次性原理凡是正确描述自然现象的物理方程，