理论教育 水力学中的牛顿相似准则及其作用力讨论

水力学中的牛顿相似准则及其作用力讨论

时间:2023-11-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:根据式,动力相似要求:称F/为牛顿准数。式 表示两相似流动对应的牛顿数应相等。这是流动相似的普遍准则,称为牛顿相似准则。下面分别讨论作用力为重力、黏滞力、表面张力、弹性力、压力时的相似准则。

水力学中的牛顿相似准则及其作用力讨论

液体流动由于惯性而引起惯性力。惯性力是企图维持液体原有运动状态的力。而万有引力特性所产生的重力、流体黏滞性所产生的黏滞力、压缩性所产生的弹性力以及液体的表面张力等都是企图改变流动状态的力。液体运动的变化和发展则是惯性力和上述各种物理力相互作用的结果。完全的动力相似要求式 (4.1.9)中各种同名力的比例常数一样,实际上,这是很难达到的。在实用中,常从其中选出某些对流动起决定作用的主要力予以满足,而不考虑其他力。这种近似相似又称为 “部分相似”。这一点在下一节中还要详细讨论。

设对流动起作用的力为F,这是改变运动状态的力。另一方面则是维持液体原有运动状态的惯性力I。根据式(4.1.9),动力相似要求:

称F/(ρl 2v 2)为牛顿准数(或牛顿数)。式 (4.2.2)表示两相似流动对应的牛顿数应相等。这是流动相似的普遍准则,称为牛顿相似准则。

下面分别讨论作用力为重力、黏滞力、表面张力、弹性力、压力时的相似准则。

1.弗劳德相似准则

若作用力为重力时,其大小可用ρgl 3来衡量,把它代入牛顿数中的F项,就得到惯性力与重力的比例关系为:

这个数的开方叫弗劳德数(Froude Number),用Fr表示,即

在外力只计重力作用时,由式 (4.2.2)得原型和模型的弗劳德数应相等,即Frp=Frm,称为重力相似准则,或弗劳德相似准则。

2.雷诺相似准则

这个数称为雷诺数(Reynolds Number),以Re表示,即

由式(4.2.2)得原型与模型的雷诺数应相等,即Rep=Rem,此条件称为黏滞力相似准则,或称为雷诺相似准则。(www.daowen.com)

3.欧拉相似准则

若作用力为压力时,由于压力可用pl 2表征,可得表征水流运动的惯性力与压力之比的欧拉数(Euler Number)为:

由式(4.2.2)要求Eup=Eum,这个条件称为压力相似的欧拉相似准则。

4.其他相似准则

若作用在相似液流上的力不只是上述三种力,则还会引出另外一些需要满足的准则。例如若考虑表面张力作用时,表面张力可用σl表征,σ为表面张力系数,可得表征水流中惯性力与表面张力之比的韦伯数(Weber Number)为:

Wep=Wem称为表面张力相似的韦伯相似准则。

若作用力中要考虑弹性力时,由于弹性力可用Kl 2表征,K 为流体的体积模量,可得表征惯性力与弹性力之比的柯西数(Cauchy Number)为:

Cap=Cam称为弹性力相似的柯西相似准则。

对非恒定流,由于∂v/∂t≠0,表明还有变力(周期性力)的影响,液流的相似还要求表征这个力与惯性力之比的斯特鲁哈数(Strouhal Number)相等,即

Sr即为斯特鲁哈数,液流相似要求Srp=Srm

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