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流体力学第a10章节
流体力学 第十章 相似性原理和因次分析 §10-1 力学相似性原理 §10 -1 力学相似性原理 §10 -1 力学相似性原理 §10-1 力学相似性原理 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 各种不同力作用下的相似准则 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-2 相似准数 §10-3 模型律 §10-3 模型律 §10-3 模型律 §10-3 模型律 §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) §10-4 因次分析法(Dimensional Analysis) 因次分析法有两种方法: π定理(Buckingham`s Method,巴金汉法) 瑞利法(Rayleigh`s Method) 一、π定理(The Pi Theorem ): 定理:任何一个物理过程,如果包括有n个物理量,涉及m个基本因次,则这个物理过程可由n个物理量组成的(n-m)个无因次量所表达的关系式来描述。在使用时因这些无因次量用π来表示,因此,把这个定理称为π定理。 用数学语言来表示: 影响物理过程的n个物理量为:x1,x2,……xn 这个过程可用一个完整的函数关系表示:f(x1,x2,……xn)=0。 这些物理量中有m个基本因次,则由π定理知,这个物理过程可用n-m个无因次的量来描述。即关系式为:f(π1,π2,……πn-m)=0。然后,在变量x1,x2,……xn中选取m个因次独立的量作为重复变量,连同其他的xi量中的一个变量组成每一个πi,再通过无因次的条件,确定各个表达式的指数值。 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。 推导有压管流中的压强损失计算式 根据试验我们知道:压强损失与管长,管径,管壁粗糙度以及流体的粘性系数,密度,平均流速等有关。即: 有7个量,这其中的基本因次为3(L、M、T)个,我们就取三个作为重复的量,具体取哪三个,还要看它们的指数行列式不能为0。 下面我们取: 管径、平均速度、密度作为重复变量。 π方程的个数为7-3=4 将各量的因次代入,写出因次公式 对每一个π方程写出因次和谐方程组: 最后解得: 代入上面的表达式,得: 根据π定理可得: 函数的具体形式由试验确定,对管流一般处理成: 说明 △ ??量纲分析法看起来简洁明了,要正确应用却并不容易,关键在第一步。若遗漏了必需的物理量将导致错误结果,而引入无关的物理量将使分析复杂化。要正确选择物理量需掌握必要的流体力学知识和对研究对象的感性认识,并具有一定的量纲分析经验。 △ ??量纲分析的结果主要用于指导实验。上例中原来有7个变量,若通过实验确定 式中的f,按每个变量改变10次获得一条实验曲线计算,共需106次实验,而且其中要改变10次ρ和μ,实际上难以实现。经量纲分析后变量减少为4个,为确定函数关系只需要103次实验,而且通过改变速度,便可实现,实验量已大大减少。 二、瑞利法 定理:假定物理量y是物理量x1,x2,……xm的一个函数y=f(x1,x2,……xm)。 则y的因次等于x1,x2,……xm的因次的幂乘积, 即: 推论: 其中C0为无因次比例常数。 根据瑞利法,我们可以把单位管长上的压强降设为: 方程的因次应该是和谐的,即有: 于是有: 三个方程有5个未知数,这时我们可以选2个是待定的指数, 比如选c1和c4作为待定指数。 于是有:
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