第五章量纲分析和相似原理.ppt

量纲分析量纲分析第五章第五章和相似原理和相似原理第五章量纲分析和相似原理5 51 1 量纲分析量纲分析5 52 2 相似理论相似理论5 53 3 相似准则相似准则5 54 4 模型实验模型实验 主要内容主要内容五五学习重点：学习重点：理解量纲分析的意义及应用；理解量纲分析的意义及应用；掌握量纲分析方法掌握量纲分析方法掌握量纲和谐原理、相似概念及主要相掌握量纲和谐原理、相似概念及主要相似准则的意义和应用；似准则的意义和应用；了解模型实验。了解模型实验。51量纲分析量纲分析（1）量纲）量纲 是表征各种物理量性质和类别，是表征各种物理量性质和类别，是指是指物物理量所属的种类。（质的表征）理量所属的种类。（质的表征）（2）单位）单位是人为规定的量度标准，量度各种物理是人为规定的量度标准，量度各种物理量数值大小的标准量。（量的表征）量数值大小的标准量。（量的表征）一、量纲的概念一、量纲的概念1、量纲与单位、量纲与单位物理量物理量q量纲（属性）量纲（属性）dimqdimq单位（量度标准）单位（量度标准）1.1.单位：表征各物理量的大小。单位：表征各物理量的大小。如长度单位如长度单位m、cm、mm；时间单位小时、分、秒等。时间单位小时、分、秒等。质量单位千克、克等质量单位千克、克等2.2.量纲：表征各物理量单位的种类。量纲：表征各物理量单位的种类。如如m、cm、mm等同属于长度类，用等同属于长度类，用L表示；表示；小时、分、秒等同属于时间类，用小时、分、秒等同属于时间类，用T表示；表示；公斤、克等同属于质量类，用公斤、克等同属于质量类，用M表示。表示。2、量纲的分类：、量纲的分类：（1）基本量纲（独立量纲）基本量纲（独立量纲）不能用其它量纲导出的、互相独立的量纲。不能用其它量纲导出的、互相独立的量纲。（2）导出量纲（非独立量纲）导出量纲（非独立量纲）可由基本量纲导出的量纲。可由基本量纲导出的量纲。如：如：速度量纲：速度量纲：L T1；流量量纲：流量量纲：L3 T1。如：如：时间量纲：时间量纲：T长度量纲：长度量纲：L质量量纲：质量量纲：M温度量纲：温度量纲：对于不可压缩流体运动，则选取M、L、T三个基本量纲，其他物理量量纲均为导出量纲。速度dimv=LT-1；加速度dima=LT-2力dimF=MLT-2；动力粘度dim=ML-1T-1综合以上各量纲式，可得任一物理量q的量纲dimq都可用3个基本量纲的指数乘积形式表示。alpha 角度；系数 beta 磁通系数；角度；系数 gamma 电导系数（小写）delta 变动；密度；屈光度,e epsilon 对数之基数 zeta 系数；方位角；阻抗；相对粘度；原子序数 eta 磁滞系数；效率（小写）,theta 温度；相位角 pi 圆周直径=3.1416,rho 电阻系数（小写）,s sigma 总和（大写），表面密度；跨导（小写）phi 磁通；角 psi 角速；介质电通量（静电力线）；角 omega 欧姆（大写）；角速（小写）；角补充资料补充资料o米欧o纽o克西o欧米克隆o派o柔o西格玛o陶o玉普西隆o弗爱o凯o普赛o奥米伽oA阿尔法oB贝塔o伽玛o德尔塔o伊普西隆o泽塔o伊塔o西塔o约塔o卡帕o兰姆达补充资料补充资料3、导出量纲公式：、导出量纲公式：dimq=M a L b Tc1当当a=0，b0，c=0时：时：为几何学量纲。为几何学量纲。2当当a=0，b0，c0时：时：为运动学量纲。为运动学量纲。3当当a0，b0，c0时：时：为动力学量纲。为动力学量纲。4、无量纲量（纯数、无因次量）：、无量纲量（纯数、无因次量）：（1 1）定义：当量纲公式中各量纲指数均为零，即）定义：当量纲公式中各量纲指数均为零，即a=b=c=0a=b=c=0时时,则则dimqdimq=1=1 ，这个物理量即无量纲量。，这个物理量即无量纲量。可以由两个具有相同量纲的物理量相比得到；可以由两个具有相同量纲的物理量相比得到；也可以由几个有量纲物理量乘积组合，使组合也可以由几个有量纲物理量乘积组合，使组合量的量纲指数为零得到。量的量纲指数为零得到。（2）特点：）特点：2其大小与所选单位无关，其大小与所选单位无关，不受运动规模的限制。不受运动规模的限制。3除能进行简单的代数运算外，也可进行对数、除能进行简单的代数运算外，也可进行对数、指数、三角函数等超越函数运算。指数、三角函数等超越函数运算。1客观性。客观性。用L0M0T0表示，实际是一个数，但与单纯的数不一样，它是几个物理量组合而成的综合物理量，如相似准则数：量纲和谐原理是指在一个反映客观规律的物理方程式中，各量纲和谐原理是指在一个反映客观规律的物理方程式中，各项的量纲必须是一致的，它是被无数事实所证明的一个客观项的量纲必须是一致的，它是被无数事实所证明的一个客观原理。原理。连续性方程连续性方程 伯努利方程伯努利方程 动量方程动量方程 二、量纲和谐原理二、量纲和谐原理（3）一个正确的物理方程其量纲必须和谐一致。）一个正确的物理方程其量纲必须和谐一致。（2）一个物理量只有一个量纲，不同的量纲不可相加减；）一个物理量只有一个量纲，不同的量纲不可相加减；（1）量纲与物理量的特性有关，与物理量的大小无关；）量纲与物理量的特性有关，与物理量的大小无关；凡正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲凡正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲必须是一致的，即只有方程两边量纲相同，方程才能必须是一致的，即只有方程两边量纲相同，方程才能成立。量纲和谐原理是量纲分析的基础。成立。量纲和谐原理是量纲分析的基础。2、量纲的主要特性：、量纲的主要特性：1、定义、定义3、量纲分析的具体应用：、量纲分析的具体应用：（1）量纲分析法）量纲分析法即应用量纲的和谐原理，来推求各物理量即应用量纲的和谐原理，来推求各物理量之间的函数关系的方法。之间的函数关系的方法。（2）应用：）应用：1检查所建立的物理方程是否正确；检查所建立的物理方程是否正确；2可用于同一量纲的单位换算；可用于同一量纲的单位换算；3确定各物理量之间的合理形式；确定各物理量之间的合理形式；4设计系统实验及分析实验结果。设计系统实验及分析实验结果。o1、瑞利法：、瑞利法：o2、定理（布金汉定理）定理（布金汉定理）三、量纲分析法三、量纲分析法1、瑞利法：、瑞利法：（1）特点：）特点：可直接利用量纲一致原则进行量纲分析；可直接利用量纲一致原则进行量纲分析；（2）适用范围：）适用范围：方程中物理量较少（一般方程中物理量较少（一般45个），各量纲个），各量纲间的关系较易确定。间的关系较易确定。（3）基本原理和步骤：）基本原理和步骤：对于某一物理过程，通过观察、实验、分析，对于某一物理过程，通过观察、实验、分析，从而找出影响该物理量的主要因素：从而找出影响该物理量的主要因素：y,x1,x2 ,x3 ,xn写成指数形式：写成指数形式：y=f(x1,x2 ,x3 ,xn )表示。表示。可用函数式：可用函数式：量纲表示式：量纲表示式：据量纲和谐原理据量纲和谐原理有有:L:1a12a2nan+a=T:1b12b2nbn+b=M:1c12c2ncn+c=123n.，解出：解出：1其指数关系式：其指数关系式：（4）举例：已知影响水泵输入功率的物理量有：水的）举例：已知影响水泵输入功率的物理量有：水的重度重度，流量流量Q，扬程，扬程H。求水泵输入功率。求水泵输入功率N 的表达式。的表达式。M L2T-3=M L-2T-21 L3T-12 L32量纲表达式：量纲表达式：3据量纲的和谐原理有：据量纲的和谐原理有：M：1=+0+01L：212=2+3+3T：213=2+03=12=11=1M L2T-3=M L-2T-21 L3T-12 L3故得：故得：N=k Q H例例7-1 7-1 已知作用在做匀速圆周运动物体上的离心力已知作用在做匀速圆周运动物体上的离心力 ，与物体的质量与物体的质量 、速度、速度 和圆周半径和圆周半径 有关，试用瑞有关，试用瑞利法推导离心力公式。利法推导离心力公式。解解 根据已知条件，离心力可以写成以下指数形式根据已知条件，离心力可以写成以下指数形式根据量纲和谐性，有根据量纲和谐性，有 2、定理（布金汉定理）定理（布金汉定理）是改进了的量纲分析法，可用于物理量相对是改进了的量纲分析法，可用于物理量相对较多的情况。较多的情况。（1）基本原理：）基本原理：设某一物理过程包含设某一物理过程包含n个物理量：个物理量：f(x1，x2，xn)=0，其中有其中有m 个为基本量（量纲独立，不能相互导出的物理量），个为基本量（量纲独立，不能相互导出的物理量），则该物理过程可由则该物理过程可由n个物理量构成的个物理量构成的(n-m)个个无量纲项来描无量纲项来描述。述。F（1，1，n-m）=0即：即：无量纲量数组的组成方式：在无量纲量数组的组成方式：在n个变量中取个变量中取m个量纲不同的量作个量纲不同的量作为基本变量，并把基本变量与其它变量中的一个组成数组，共组为基本变量，并把基本变量与其它变量中的一个组成数组，共组成（成（n-m）个无量纲数组，例取）个无量纲数组，例取x1,x2,x3 为基本变量，则数组为：为基本变量，则数组为：.这三个基本量分别表征流体物性、几何特性和运动特征这三个基本量分别表征流体物性、几何特性和运动特征 （2）m 个相互独立量纲的物理量选择：个相互独立量纲的物理量选择：一般可选一般可选3个（个（m=3），通常分别选几何学物），通常分别选几何学物理量、运动学物量、动力学物理量各一个。此法一理量、运动学物量、动力学物理量各一个。此法一般可满足量纲相互独立。般可满足量纲相互独立。必须相互独立必须相互独立 表征流体物性：密度表征流体物性：密度 、粘度、粘度 等等 表征几何特性表征几何特性:管径管径 、管长、管长 等等 表征运动特性：速度表征运动特性：速度 、重力加速度、重力加速度 等等（3）确定无量纲量）确定无量纲量的方法：的方法：1从从n 个物理量中选出个物理量中选出m 个相互独立的基本量；个相互独立的基本量；2由由m 个基本量纲冪的乘积作为分母，未列入基个基本量纲冪的乘积作为分母，未列入基本量纲的其它各物理量分别作为分子，设分子本量纲的其它各物理量分别作为分子，设分子分母量纲相同，即可求得无量纲量分母量纲相同，即可求得无量纲量。如如m=3，则有：则有：4举例：举例：1=x4/(x11 x21 x31)2=x5/(x12 x22 x32)n-3=xn/(x1（n-3）x2（n-3）x3（n-3）)3按量纲和谐原理求得各指数，即可得出按量纲和谐原理求得各指数，即可得出的具体表达式。的具体表达式。例2：管中紊流，单位管长沿程水头损失hf/L，取决于下列因素：流速,管径D，重力g，粘度，管壁粗糙度和密度，试用定理分析确定方程的一般形式。解：解：（1）找出有关物理量）找出有关物理量（2）选基本量）选基本量。在有关量中取。在有关量中取v，D，为基本变量，基本量为基本变量，基本量数数m=3（3）组成）组成项，决定各项，决定各项基本指数。项基本指数。的个数的个数N()=n-m=7-3=4，显然显然hf/L是一个是一个，因，因hf和和L量纲都是长度。量纲都是长度。1 1=/(a1a1D Db1b1c1c1)=)=MLML-1-1T T-1-1/(/(LT LT-1-1 a1a1 L L b1b1 MLML-3-3 c1c1)则则L:-a1-b1+3c1-1=0T:a1-1=0M:-c1+1=0由此由此a1=1，b1=1，c1=1。类似有：。类似有：2=/(/(a2Db2c2)3=g/g/(a3Db3c3）可得：可得：a2=0，b2=1，c2=0a3=2，b3=-1，c3=0（4）整理方程式：）整理方程式：即即解得：解得：常用沿程损失公式形式为：常用沿程损失公式形式为：称沿程阻力系数，具体由实验决定。称沿程阻力系数，具体由实验决定。例例3 3：液体在水平等直径的管内流动，设两点压强差：液体在水平等直径的管内流动，设两点压强差p p与下列变量有关：与下列变量有关：管径管径d d,l l,管壁粗糙度管壁粗糙度，试求，试求p p的表达式。的表达式。解：（解：（1）找出有关物理量）找出有关物理量F（d,l,p）=0 （2 2）选基本量，组成）选基本量，组成项。基本量项。基本量d d,n n=7,=7,m m=3,=3,数数n n-m m=4=4个个 （3）决定各）决定各项基本量指数项基本量指数对对1：对对2 2：同理得同理得：（4）整理方程式）整理方程式设设则则（2）量纲和谐原理是判别经验公式是否完善的基础。19世纪，量纲分析原理未发现之前，水力学中积累了不少纯经验公式，每一个经验公式都有一定的实验根据，都可用于一定条件下流动现象的描述，这些公式孰是孰非，无所适从。量纲分析方法可以从量纲理论作出判别和权衡，使其中的一些公式从纯经验的范围内解脱出来。关于量纲分析方法的几点讨论：关于量纲分析方法的几点讨论：（1）量纲分析法的理论基础是量纲和谐原理。）量纲分析法的理论基础是量纲和谐原理。（3）应用量纲分析方法得到的物理方程式，是否符合客观）应用量纲分析方法得到的物理方程式，是否符合客观规律和所选入的物理量是否正确有关。而量纲分析方规律和所选入的物理量是否正确有关。而量纲分析方法本身对有关物理量的选取却不能提供任何指导和启法本身对有关物理量的选取却不能提供任何指导和启示，可能由于遗漏某一个决定性的物理量，造成方程示，可能由于遗漏某一个决定性的物理量，造成方程中出现累赘的量纲量。这种局限性是方法本身决定的。中出现累赘的量纲量。这种局限性是方法本身决定的。弥补它，需要已有的理论分析方法和实验成果，要依弥补它，需要已有的理论分析方法和实验成果，要依靠研究者的经验和对流动现象的观察认识能力。靠研究者的经验和对流动现象的观察认识能力。（4）量纲分析为组织实施实验研究，以及整理实验数据提）量纲分析为组织实施实验研究，以及整理实验数据提供了科学的方法，可以说量纲分析方法是沟通流体力供了科学的方法，可以说量纲分析方法是沟通流体力学理论和实验之间的桥梁。学理论和实验之间的桥梁。思考题思考题1.量纲分析有何作用？量纲分析有何作用？答：可用来推导各物理量的量纲；简化物理方程；检答：可用来推导各物理量的量纲；简化物理方程；检验物理方程、经验公式的正确性与完善性，为科学地组验物理方程、经验公式的正确性与完善性，为科学地组织实验过程、整理实验成果提供理论指导。织实验过程、整理实验成果提供理论指导。2.经验公式是否满足量纲和谐原理？经验公式是否满足量纲和谐原理？答：一般不满足。通常根据一系列的试验资料统计而得，答：一般不满足。通常根据一系列的试验资料统计而得，不考虑量纲之间的和谐。不考虑量纲之间的和谐。3.瑞利法和布金汉瑞利法和布金汉定理各适用于何种情况？定理各适用于何种情况？答：瑞利法适用于比较简单的问题，相关变量未知数答：瑞利法适用于比较简单的问题，相关变量未知数45个，个，定理是具有普遍性的方法。定理是具有普遍性的方法。相似原理相似原理实物实物模型模型相似原理相似原理实验设备：实验设备：实验设备：实验设备：水池、水槽、风洞。水池、水槽、风洞。水池、水槽、风洞。水池、水槽、风洞。相似理论：相似理论：相似理论：相似理论：模型流场再现实物流场的准则模型流场再现实物流场的准则指导模型实验。指导模型实验。实验结果推广到原型以及应用到相似的流动中。实验结果推广到原型以及应用到相似的流动中。52相似理论相似理论一、相似的概念一、相似的概念1、模型实验：、模型实验：从模型上得到的现象可用来推断从模型上得到的现象可用来推断原型上可能发生的情况。原型上可能发生的情况。模型：模型：指与原型（工程实物）有同样的运动规律，指与原型（工程实物）有同样的运动规律，各运动参数存在固定比例关系的缩小物。各运动参数存在固定比例关系的缩小物。原型：原型：天然水流和实际建筑物称为原型。天然水流和实际建筑物称为原型。2、相似理论：、相似理论：研究原型与模型之间联系的理论，即为相似理研究原型与模型之间联系的理论，即为相似理论。是模型实验的理论基础。论。是模型实验的理论基础。3、流动相似、流动相似是几何相似概念的扩展。即要求在原、是几何相似概念的扩展。即要求在原、模型的模型的流动现象对应点上，同类的物理量（几何学物理量、流动现象对应点上，同类的物理量（几何学物理量、运动学物理量、动力学物理量）具有固定的比例关运动学物理量、动力学物理量）具有固定的比例关系。即流动相似扩展为下面的系。即流动相似扩展为下面的“相似条件相似条件”。二、相似条件二、相似条件满足力学相似，即几何相似、运动相似、满足力学相似，即几何相似、运动相似、动力相似、初始条件和边界条件相似动力相似、初始条件和边界条件相似。一、几何相似一、几何相似一、几何相似一、几何相似模型和实际流场的几何形状相似，即对应的线段成比例，模型和实际流场的几何形状相似，即对应的线段成比例，对应的夹角相等。对应的夹角相等。长度比尺长度比尺 面积比尺面积比尺 体积比尺体积比尺 以角标以角标p表示原型表示原型（prototype）,m表示表示模型模型（model）二、运动相似二、运动相似二、运动相似二、运动相似两个流场对应点上的速度（或加速度）的方向相同，大小两个流场对应点上的速度（或加速度）的方向相同，大小成比例，即成比例，即 速度比尺速度比尺 加速度比尺加速度比尺 时间比尺时间比尺 重力加速度比尺重力加速度比尺 三、动力相似三、动力相似三、动力相似三、动力相似两个流动各对应点上受到的各种同名力方向相同、大小两个流动各对应点上受到的各种同名力方向相同、大小成比例成比例 ，即，即粘性力粘性力粘性力粘性力重力重力重力重力压力压力压力压力弹性力弹性力弹性力弹性力表面张力表面张力表面张力表面张力惯性力惯性力惯性力惯性力力的比尺力的比尺 密度比尺密度比尺 粘度比尺粘度比尺 四、初始条件和边界条件相似四、初始条件和边界条件相似四、初始条件和边界条件相似四、初始条件和边界条件相似1.1.初始条件和边界条件的相似是保证两个流动相似的充分条初始条件和边界条件的相似是保证两个流动相似的充分条件，正如初始条件和边界条件是微分方程的定解条件一样。件，正如初始条件和边界条件是微分方程的定解条件一样。2.2.对于非恒定流，初始条件是必须的，而对于恒定流，初始对于非恒定流，初始条件是必须的，而对于恒定流，初始条件则失去了意义。条件则失去了意义。3.3.边界条件是指两个流动相应边界性质相同，比如，自由表边界条件是指两个流动相应边界性质相同，比如，自由表面上的压强等于大气压强，固体边界上的法线速度为零等。面上的压强等于大气压强，固体边界上的法线速度为零等。几何相似是运动相似和动力相似的前提；几何相似是运动相似和动力相似的前提；动力相似是决定流动相似的主要因素；动力相似是决定流动相似的主要因素；运动相似是几何相似和动力相似的表现。运动相似是几何相似和动力相似的表现。7-3相似准则1.1.相似准则：两个流动要实现动力相似，作用在相应质点上的相似准则：两个流动要实现动力相似，作用在相应质点上的各种作用力的比尺要满足的约束关系。各种作用力的比尺要满足的约束关系。一、牛顿相似准则一、牛顿相似准则 2.2.牛顿相似准则牛顿相似准则惯性力比尺惯性力比尺 力的比尺力的比尺 牛顿数牛顿数 牛顿相似准则是两牛顿相似准则是两个流动动力相似的个流动动力相似的充分与必要条件充分与必要条件 二、动力相似准则二、动力相似准则 1.1.雷诺准则（粘性力准则）雷诺准则（粘性力准则）粘性力比尺粘性力比尺 雷诺数雷诺数 雷诺准则：粘性力雷诺准则：粘性力起主要作用。起主要作用。2.2.佛汝德佛汝德准则（重力准则）准则（重力准则）重力比尺重力比尺 佛汝德数佛汝德数 佛如德准则：重力佛如德准则：重力起主要作用。起主要作用。3.3.欧拉欧拉准则（压力准则）准则（压力准则）压力比尺压力比尺 欧拉数欧拉数 欧拉准则：动压力欧拉准则：动压力起主要作用。起主要作用。4.4.其它其它准则准则韦伯准则（表面张力准则）韦伯准则（表面张力准则）柯西准则（弹性力准则）柯西准则（弹性力准则）马赫准则（弹性力准则）马赫准则（弹性力准则）韦伯数韦伯数 柯西数柯西数 马赫数马赫数 水击、水流诱发振动水击、水流诱发振动超音速气流超音速气流小规模流动，表面小规模流动，表面张力显著张力显著例7-5一潜艇长为L78m，水面航速为13kn,现用1：50的模型在水池中做实验测它的兴波阻力，试确定水池拖车的拖曳速度。解：实验应按佛汝德准则进行。已知船模长度：实艇水面航速为：故实验时船模的拖曳速度为：例7-6 已知直径为15cm的输油管，流量0.18m3/s，油的运动粘度p=0.13cm2/s。现用水作模型实验，水的运动粘度m=0.013cm2/s。当模型的管径与原型相同时，要达到两流动相似，求水的流量Qm。若测得5m长输水管两端的压强水头差 ，试求100m长的输油管两端的压强差？解：（1）因圆管中流动主要受粘滞力作用，所以应满足雷诺相似准则 因 ，上式可简化为流量比尺，所以模型中水的流量为（2）流动的压降满足欧拉准则因，则5m长输油管两端的压强差为（油柱）100m长的输油管两端的压强差（油柱）