流体力学第四章量纲分析与相似理论

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(3)写出量纲式:
(4) 以基本量纲([M]、[L]、[T])表示各物理量量纲
[M ][L] [T ]
2
−3
= ([M ][L ] [T ] ) ([L ] [T ] ) ([L ]) c
−2 −2 a 3 −1 b
(5) 根据量纲和谐原理求量纲指数 [M]: 1 = a [L]: 2 = − 2 a + 3 b + c [T]: − 3 = − 2 a − b b c a 得 : = 1 , = 1 , =1 (6) 整理得
诱导量纲由基本量纲导出 的其它物理量量纲
物理量
几 何 学 的 量 运 动 学 的 量 长度 面积 体积 坡度 水头 时间 速度 加速度 流量 运动粘度 质量 力 密度 重度 动力粘度 压强 表面张力 L A V J H t v a Q ν m F ρ γ µ p σ
量纲 LTM制 LTM制
L L2 L3 L0 L T LT-1 LT-2 L3T-1 L2T-1 M M LT-2 ML-3 ML-2T-2 ML-1T-1 ML-1T-2 MT-2
•无量纲数也可以由几个有量纲的物理量组合而成
例如动能修正系数也是无量纲数
α=

A
u 3dA
v3 A
物理量:分基本物理量和诱导物理量
基本物理量独立的判别条件: 基本物理量独立的判别条件: 设A、B、C为三个基本物理量
则 且
dim A = Lα1 M β1T γ 1 dim B = L M T
α2 β2 γ2
dimC = Lα3 M β3 T γ 3
非零解不存在
(dim A) x (dimB) y (dimC) z = L0T 0 M 0 = 1

α1 x + β1 y + γ 1 z = 0 α 2 x + β2 y + γ 2 z = 0 α 3 x + β3 y + γ 3 z = 0
α1 物理量 独立的 D = β1 条件 γ1
式中,每一项都是长度量纲[ ],因而该方程是量纲和谐的。 ],因而该方程是量纲和谐的 式中,每一项都是长度量纲[L],因而该方程是量纲和谐的。 各项的单位无论是用米还是厘米 能量方程的形式均不变。 厘米, 各项的单位无论是用米还是厘米,能量方程的形式均不变。

任何表示客观物理规律的数学关系式,其数学形式不随单 任何表示客观物理规律的数学关系式, 位制变换而改变形式。 位制变换而改变形式。
α ≠ 0, β ≠ 0,γ ≠ 0
如:
α = β =γ =0
[q] = [L0T 0 M 0 ] = [1]
则: 物理量q为无量纲量, 物理量q为无量纲量,也称为纯数
4.1.2 无量纲量
定义: 定义:物理量的所 有量纲指数为零
相同量纲量的比值或几个有量纲量通过乘除组合而成 无量纲量具有如下特点: 无量纲量具有如下特点: 1、客观性:无量纲,无单位。 、客观性:无量纲,无单位。 真正客观的方程式应是由无量纲项组成的方程式 2、不受运动规模的影响 、 规模大小不同的相似流动, 规模大小不同的相似流动,相应的无量纲数相同 3、可进行超越函数的运算 、 有量纲量只能做简单的代数运算,做对数、指数、 有量纲量只能做简单的代数运算,做对数、指数、 三角函数运算是没有意义的。 三角函数运算是没有意义的。
动 力 学 的 量
对于任意物理量q 其纲量可写作: 对于任意物理量q,其纲量可写作: 或
[q] = [LαT β M γ ] [q] = [LαT β F γ ]
α ≠ 0, β = 0,γ = 0
α , β , γ 称为量纲指数
则 q 为几何学的量 则 q 为运动学的量 则 q 为动力学的量
α ≠ 0, β ≠ 0,γ = 0
∆p b c Q = K ( r0 ) ( µ ) l
a
(3)写出量纲式:
[Q ] = [∆ p ] [r 0 ]b [µ ]c [l ]
4.1.3 量纲和谐
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。 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。 关系式各项由无量纲数组成, 关系式各项由无量纲数组成,不会改变原方程的本质
如果用位置水头去除以能量方程式中的各项,即 能量方程式中的各项, 如果用位置水头去 能量方程式中的各项
描述流体运动的物理量: 描述流体运动的物理量: 长度、时间、质量、速度、加速度、密度、 长度、时间、质量、速度、加速度、密度、压强等
属性量纲 量度单位
比较同类物理量的大小 2、单位人为规定的度量物理量数值大小的标准,物理量的量的特征。 单位人为规定的度量物理量数值大小的标准,物理量的量的特征。 单位表示 有量纲的物理量其数值大小是不确定的,取决于选用的单位。 有量纲的物理量其数值大小是不确定的,取决于选用的单位。 100厘米 1米=3尺=100厘米
科学地组织实验
指导实验结果的整理
建立物理量之间的关系
4.1 量纲分析的概念和原理 4.1.1 量纲
描述流体运动的物理量: 描述流体运动的物理量: 长度、时间、质量、速度、加速度、密度、 长度、时间、质量、速度、加速度、密度、压强等
属性量纲 量度单位
按性质不同分类 1、量纲表征物理量性质和类别的标志,是物理量的质的特征,也称为因次。 量纲表征物理量性质和类别的标志,是物理量的质的特征,也称为因次。 量纲表示 用方括号将表示量纲的字母括起来 长度[L] 时间[T] 质量[M] [L]、 [T]、 长度[L]、时间[T]、质量[M] 采用dimq代表物理量q的量纲,则 采用dimq代表物理量q的量纲, dimq代表物理量 面积的量纲表示为dimA dimA= 面积的量纲表示为dimA=L2
•无量纲数可以是两个同类物理量的比值
例如水力坡度是水头损失与流程长度之比, 例如水力坡度是水头损失与流程长度之比,即
hw J= l
lJw h
其量纲
[J ] =
[ L] = 1 [] [ L]
水力坡度是一个无量纲数。它反映了实际液体总水头沿流程减少的情况。 水力坡度是一个无量纲数。它反映了实际液体总水头沿流程减少的情况。 无论长度单位是选择米还是厘米,只要形成该水力坡度的条件不变, 无论长度单位是选择米还是厘米,只要形成该水力坡度的条件不变,其 数值的大小也不会改变。 数值的大小也不会改变。
定性的理论分析和实验方法
量纲分析法是用于寻求一定物理过程中, 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、 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。 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。 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, 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。 学试验研究有重要的指导意义。
流 体 力 学
施永生 徐向荣 主编 张 英 副主编 夏四清 主 审
科学出版社 北京
第四章 量纲分析与相似理论
理论分析 描述流体运动的各种方程式
解决许多流体力学问题
由于流体运动及边界条件的复杂性, 由于流体运动及边界条件的复杂性,某些问题无法求解 某些极其复杂的流动, 某些极其复杂的流动,难于导出数学表达式
4.2 量纲分析法
量纲分析法是依据物理方程的量纲和谐原 理,充分了解流体运动的物理过程,找出这一 过程中的影响因素,假定一个未知的函数关系, 然后运用物理方程量纲一致性原则确定这个函 数关系。 瑞利法 量纲分析法 Π定理
1.瑞利法
应用步骤归纳
1、列出与物理现象有关的变量
f ( y, x 1 , x 2 , x3 ,..., xn ) = 0
2 p1 α1v12 z2 p2 α 2 v2 hw 1+ + = + + + ρ gz1 2 gz1 z1 ρ gz1 2 gz1 z1

这样即可以避免因选用的单位 不同而引起的数值不同,又可使方程的参变量减少。 不同而引起的数值不同,又可使方程的参变量减少。
量纲和谐原理还可以用来确定经验公式中系数的量纲,以分 量纲和谐原理还可以用来确定经验公式中系数的量纲, 析经验公式的结构是否合理。 析经验公式的结构是否合理。 例如: 例如:明渠均匀流的谢才公式
α2 α3 β2 β3 ≠Baidu Nhomakorabea0 γ2 γ3
为确保三个基本物理量的独立性, 为确保三个基本物理量的独立性,选择 三个基本物理量时必须保证包含: 三个基本物理量时必须保证包含:
一个几何学的量 一个几何学的量 一个运动学的量 一个运动学的量 一个动力学的量 一个动力学的量
4.1.3 量纲和谐

正确反映客观物理规律的函数关系式或方程式,其各项的 正确反映客观物理规律的函数关系式或方程式, 量纲指数都分别相同, 各项的量纲必须一致。 量纲指数都分别相同,即:各项的量纲必须一致。
v = C RJ
谢才系数就是一个有量纲的系数,根据量纲和谐原理: 谢才系数就是一个有量纲的系数,根据量纲和谐原理:
[ L][T ] [C ] = 1 [ L]2
−1
[ L] = [T ]
1 2
应当注意,有些特定条件下的经验公式其量纲是不和谐的, 应当注意,有些特定条件下的经验公式其量纲是不和谐的,说明人们对客 观事物的认识还不够全面和充分,这时应根据量纲和谐原理,确定公式中 观事物的认识还不够全面和充分,这时应根据量纲和谐原理, 各项所应采用的单位,在应用这类公式时需特别注意采用所规定的单位。 各项所应采用的单位,在应用这类公式时需特别注意采用所规定的单位。
N = KγQH
[例] 求圆管层流的流量关系式。 例 [解] 圆管层流运动将在下一章详述,这里仅作为量纲 解 分析的方法来讨论。 (1) 找出影响圆管层流流量的物理量,包括管段两端的 压强差 ∆p 、管段长l 、半径 r 0 、流体的粘度 µ 。根据经 验和已有实验资料的分析,得知流量 Q 与压强差 ∆p 成正 比,与管段长 l 成反比。因此,可将 ∆p 、l 归并为 项 ∆ p l ,得到: f (Q, ∆p l , r0 , µ ) = 0 (2)写出指数乘积关系式:
LTF制 LTF制
L L2 L3 L0 L T LT-1 LT-2 L3T-1 L2T-1 FT2L-1 F FT2L-4 FL-3 FTL-2 FL-2 FL-1
单位
m m2 m3 m0 m s m/s m/s2 m3/ s m2/ s kg N kg/m3 N/m3 N•s/m3 s/m N/m2 N/m
利用量纲和谐原理,可以从一个侧面来检验物理方程的正确性。 利用量纲和谐原理,可以从一个侧面来检验物理方程的正确性。 例如,不可压缩液体恒定总流的能量方程: 例如,不可压缩液体恒定总流的能量方程
2 p1 α1v12 p2 α 2 v2 z1 + + = z2 + + + hw ρ g 2g ρ g 2g
下面通过例题说明瑞利法的应用步骤。 [例] 求水泵输出功率的表达式。 例 (1)找出同水泵输出功率N有关的物理量,包括单位体 积水的重量 γ = ρ g 、流量Q、扬程H,即:
f
(N , γ
,Q , H
)=
c
0
(2)写出指数乘积关系式
N = Kγ aQ b H

[ N ] = [γ ] a [ Q ] b [ H ] c
a a a y = Kx1a1 x2 2 x3 3 ...xn n
2、其中的某一个物理量可表示为其它物理量幂乘积形式 其中的某一个物理量可表示为其它物理量幂乘积形式
3、将各变量的量纲化为基本量纲,写出量纲方程式。 将各变量的量纲化为基本量纲,写出量纲方程式。 3、根据量纲和谐条件,列出基本量纲的和谐方程式,联立 根据量纲和谐条件,列出基本量纲的和谐方程式, 解出各变量的指数。 解出各变量的指数。 4、代入原假设的函数式中去,必要时整理简化,即得简明 代入原假设的函数式中去,必要时整理简化, 的反映该物理现象的公式。 的反映该物理现象的公式。
量纲
基本纲量 导出量纲(诱导纲量) 导出量纲(诱导纲量)
基本量纲具有独立性 彼此互不依赖、 彼此互不依赖、相互独立 与温度无关的动力 学问题有三个基本 量纲,其它物理量 的量纲都可以由此 导出。 导出。
国际单位制:[L]、[T]、[M] 国际单位制: 、 、 工程单位制: 、 、 工程单位制:[L]、[T]、[F]
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