【正文】 ? 20世紀(jì)初，空氣動(dòng)力學(xué) 飛速發(fā)展 航空事業(yè)的發(fā)展要求揭示飛行器周圍的壓力分布、受力狀況和阻力等問題，促進(jìn)了流體力學(xué)在 實(shí)驗(yàn) 和 理論分析 方面的發(fā)展。 爆炸波理論，爆炸力學(xué) 研究原子彈、炸藥爆炸后激波在空氣或水中的傳播等的需要。 4. 物理 —化學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 具有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問題 燃燒過程。在磁場(chǎng)的作用下等離子體有特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 本研究室： 低剪切速率下熱量質(zhì)量傳遞過程強(qiáng)化技術(shù)、機(jī)理研究 人工肺、換熱器、反應(yīng)器 17 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的研究方法 1. 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè) 對(duì)自然界固有的流動(dòng)現(xiàn)象或工程全尺寸實(shí)物，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，總結(jié)出流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變。 3. 理論分析 根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析、物理學(xué)和基礎(chǔ)力學(xué)等手段，觀測(cè)和研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解釋已知現(xiàn)象、預(yù)測(cè)可能發(fā)生的現(xiàn)象。通常還需將求解結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，確定解的準(zhǔn)確程度及所建力學(xué)模型的適用范圍。流體流動(dòng)的數(shù)值模擬促進(jìn)了流體力學(xué)研究的深入，并形成了一門新的學(xué)科分支：“計(jì)算流體力學(xué)”。 例如： 物體繞流問題，遠(yuǎn)離物體的流體運(yùn)動(dòng) 忽略粘性影響，只有法向力； 物體附近，看作粘性流體，切向應(yīng)力隨流態(tài)變化。 21 （ 3）利用模擬技術(shù)解決工程實(shí)際問題和研究流動(dòng)規(guī)律 例如： 將對(duì)某些對(duì)流體運(yùn)動(dòng)過程起主要作用的力（如慣性力、粘性力、浮力、或重力等）組成無量綱參數(shù)來確定這些相似性參數(shù)和流動(dòng)狀態(tài)及流場(chǎng)特性的定量關(guān)系，最大限度地精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使大尺度流體運(yùn)動(dòng)的原型可以在實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單的條件下得到重現(xiàn)。 自行研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)新的儀器或測(cè)量方法。相關(guān)機(jī)理的解明對(duì)未來空中及水中航行器的研制具有重大意義。 （ 6）滲流機(jī)理的定量研究，多相流及非牛頓流體在典型化工裝置中的流 動(dòng)特性 滲流機(jī)理的定量研究有助于了解多孔介質(zhì)內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)盡可能多開采地下油氣有直接的現(xiàn)實(shí)意義。但是總體上看，實(shí)驗(yàn)研究工作的狀況和水平與實(shí)際需求還有很大差距。 28 1. 幾何相似 兩個(gè)空間物體的幾何圖形中對(duì)應(yīng)的線段長(zhǎng)度用 和 （ i=1,2,3, …, k）表示，對(duì)應(yīng)角用 和 表示 （ i=1,2,3, …, k）， 幾何相似的條件 是： 各對(duì)應(yīng)線段的比例相等，且對(duì)應(yīng)角相等 ，即： 導(dǎo)出量 式中： Cl — 長(zhǎng)度相似常數(shù) CS — 面積相似常數(shù) CV — 體積相似常數(shù) 39。312 1 2 339。il il39。 2211 2 211islilSlCCS l l? ? ??? ? ?3VlCC?（ 22） （ 23） 29 對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)之比相等的正方形和菱形，由于對(duì)應(yīng)角不同，不滿足幾何相似； 如圖所示的兩個(gè)機(jī)翼模型要滿足相似，至少他們的弦長(zhǎng)之比、厚度之比和彎度之比要相等，而且相應(yīng)的夾角也要相等。 實(shí)物：線段 ， ， ， … ，時(shí)間 ， ， ， … ； 模型：對(duì)應(yīng) ， ， ， … ，時(shí)間 ， ， ， … ； 如果兩個(gè)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)相似，則必有如下關(guān)系： （速度相似常數(shù)）與 、 （時(shí)間相似常數(shù)）的關(guān)系為： （加速度相似常數(shù)）與 、 的關(guān)系為： 39。1t 39。39。 39。39。039。39。 39。39。39。 00 0 0 0l iml im l iml imVVVVGgmmGgVmCm V VV V V?????? ? ? ?? ? ? ?????????? ? ? ?? ? ?? ? ?24F F t F tV V lC C C C C CC C C C? ??v（ 28） C?39。 2 39。 以 θ 表示溫度，以 q表示熱流量，則有： 滿足 幾何相似 、 運(yùn)動(dòng)相似 、 動(dòng)力相似 ，且對(duì)應(yīng)點(diǎn) 同類物理量成比例 完全相似 部分滿足比例關(guān)系 部分相似 39。1 1 2 2 3 3 ii Co n sta n t?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?39。1 1 2 2 3 3 i i qq q q q q q q q Co n sta n t?? ? ? ??? ? ? ?（ 210） 34 由基本方程推導(dǎo)流場(chǎng)相似的充分必要條件 1. 基本方程組 不同系統(tǒng)中的流體流動(dòng)都必須遵循流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，根據(jù)這個(gè)原則，可以得到 各相似常數(shù)之間的制約關(guān)系 。 39。 39。2 39。39。 2 39。 39。 39。 39。,l l lx x y y z zF F Ftpvx C x y C y z C zC C CX C X Y C Y Z C Zt C t C p C pv C v???? ? ? ??? ? ???? ? ???? ? ?????v v vv v v v v v（ 213） 2 2 2 2 2 2 2 2()1()x x x xx y ztlp vFllCCC t C x y zC CCpC X vC C x C x y z? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ?vvv xxxv v v vv v vvvv（ 214） 36 在同一坐標(biāo)系中，模型方程 (212) 和式 (214) 的表達(dá)式應(yīng)該相同，因此 ， 式 (214)中由相似常數(shù)組成的各項(xiàng)系數(shù)應(yīng)該保持相等，即： 上式中的每一項(xiàng)均代表一種作用力，其中： 局部慣性力 變位慣性力 質(zhì)量力 壓力 附加粘性表面力 根據(jù)這一系列等式，將其中每?jī)煞N作用力相比，即可得到一系列無因次數(shù)，既 相似準(zhǔn)數(shù) 。 當(dāng)模型縮小時(shí)（ ），要求來流速度成比例增大，與低速繞流發(fā)生矛盾 ! 因此實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)總比實(shí)際雷諾數(shù)要小。 1, 1CC????1lC?―自模區(qū) ” 41 Re=52 Re=79 Re=158 Re=237 三維波壁管內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu) 42 w al l cent er l i ne Re = 10 Re = 5 2 Re = 79 Re = 158 43 找到流動(dòng)的自模區(qū)給模型實(shí)驗(yàn)帶來了極大的方便 ! 根據(jù)上述結(jié)果， 當(dāng)模型和實(shí)物處于同一自模區(qū)時(shí) ， 模型和實(shí)物的 Re數(shù)就不必保持相等 ，模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果稍加修正就可應(yīng)用到實(shí)物中去。 粘性相似準(zhǔn)則（雷諾準(zhǔn)則） ： 如果兩個(gè)幾何相似的流場(chǎng)在粘性力作用下動(dòng)力相似，則它們的雷諾數(shù)必相等；反之，如果兩個(gè)流場(chǎng)的雷諾數(shù)相等，則這兩個(gè)流場(chǎng)一定是在粘性作用下動(dòng)力相似 ! 1lC? 1C??44 2. 時(shí)間相似準(zhǔn)則 斯特勞哈爾數(shù) St 表達(dá)式為： / ( ) = ( / ) /St l l? v t v t（ 220） St 數(shù)的物理意義 l /v可以理解為速度為 v的流體質(zhì)點(diǎn)通過系統(tǒng)中某特定尺寸 l 所需要的時(shí)間，而 t可以理解為整個(gè)系統(tǒng)流動(dòng)過程中所需要的時(shí)間。具體像： 船舶等水上運(yùn)動(dòng)物體的波浪阻力實(shí)驗(yàn) 堰流和水工建筑的模型實(shí)驗(yàn)等 保證 Fr 數(shù)相等，即重力相似 Fr 數(shù)的大小反映了重力在運(yùn)動(dòng)方程中的相對(duì)重要性 ! 注意： Re數(shù)相等和 Fr數(shù)相等是互相矛盾的，除非模型與實(shí)物一樣大小 ! Fr數(shù)相等 模型尺寸 l 減小后，實(shí)驗(yàn)流速 v應(yīng)該減小 Re數(shù)相等 模型尺寸 l 減小后，實(shí)驗(yàn)流速 v應(yīng)該增大 46 船模實(shí)驗(yàn)： 阻力 =粘性力 +波浪阻力 粘性力 由經(jīng)驗(yàn)公式算出 波浪阻力 在保證 Fr 數(shù)相等的條件下測(cè)量 水工建筑模型實(shí)驗(yàn)： 一般由于實(shí)驗(yàn)的 Re 數(shù)比較高，流動(dòng)大多進(jìn)入到“第二自模區(qū)”，只要模型的相對(duì)粗糙度與實(shí)物大致相同就可滿足粘性相似要求，所以可不要求Re 數(shù)相等，只要求 Fr 數(shù)相等即可。 48 5. 壓縮型相似準(zhǔn)則（馬赫相似準(zhǔn)則） 6. 比熱比 粘性摩擦力作功與導(dǎo)熱的影響 是 定壓比熱與定容比熱之比 氣體流動(dòng) 7. 普朗特?cái)?shù) 流體的物理特性 ， 對(duì)氣體， Pr 數(shù) 只與組成分子的原子數(shù)有關(guān) 8. 努塞爾準(zhǔn)則 ，表征了流體與壁面之間的對(duì)流熱與內(nèi)部的傳導(dǎo)熱之比 氣體的壓縮效應(yīng) Ma=v/c ， 流體速度與當(dāng)?shù)芈曀僦?