1、第十章 相似原理与量纲分析水闸桥梁航天飞机模拟水坝基本假设基本假设 数学模型数学模型 解析表达解析表达 理论分理论分析析实验研究实验研究 模型试验模型试验 量测数据量测数据 换算到原型换算到原型 数值计算数值计算 数学模型数学模型 数值模型数值模型 数值解数值解 本章主要介绍流体力学中的本章主要介绍流体力学中的相似原理相似原理，模型模型实验方法实验方法以及以及量纲分析法量纲分析法。1 1、数学分析法：数学分析法：是以数学作为探索自然规律的是以数学作为探索自然规律的主要手段，根据所研究的物理现象的特点，分析与该主要手段，根据所研究的物理现象的特点，分析与该现象相关各物理量之间的依变关系，列出描述
2、该现象现象相关各物理量之间的依变关系，列出描述该现象的微分方程组，根据边界条件，对方程组进行求解。的微分方程组，根据边界条件，对方程组进行求解。2 2、实验法：实验法：是指对某一正在发生的现象或正在是指对某一正在发生的现象或正在进行的过程进行系统的观察和参量的测定，再通过对进行的过程进行系统的观察和参量的测定，再通过对取得的数据进行加工、分析，以找出各参量的分布规取得的数据进行加工、分析，以找出各参量的分布规律及其相互间的依变关系。律及其相互间的依变关系。实验法可分为实验法可分为原型测试原型测试和和模型实验模型实验两类。两类。原型测试法：原型测试法：就是对正在运行的设备及过程进行实际就是对正在
3、运行的设备及过程进行实际测试，掌握第一手资料，从而可为设备及过程的最优化提出测试，掌握第一手资料，从而可为设备及过程的最优化提出改进依据。改进依据。模型实验法：模型实验法：是以相似原理为指导，对所研究的现象是以相似原理为指导，对所研究的现象建立模型，通过模型实验，定性地或定量地探索各物理参量建立模型，通过模型实验，定性地或定量地探索各物理参量间的依变关系，找出其内在规律，以这些规律为指导，进行间的依变关系，找出其内在规律，以这些规律为指导，进行新工艺或新设备的计算及设计。新工艺或新设备的计算及设计。相似原理是指导模型实验的理论基础。相似原理是指导模型实验的理论基础。表征表征流动流动过程过程的物
4、的物理量理量 描述几何形状的描述几何形状的如长度、面积、体积等 描述运动状态的描述运动状态的 如速度、加速度、体积流量等 描述动力特征的描述动力特征的如质量力、表面力、动量等 按性质分应应满满足足的的条条件件基本物理量v1960年年10月十一届国际计量大会确定了国际通用的月十一届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制，简称国际单位制，简称SI制。制。vSI制：七个基本单位：长度制：七个基本单位：长度m，时间，时间s，质量，质量kg，热力学温度（热力学温度（Kelvin温度）温度）K，电流单位，电流单位A，光强度，光强度单位单位cad（坎德拉），物质的量（坎德拉），物质的量mol v二个辅助单位
5、：平面角弧度二个辅助单位：平面角弧度rad，立体角球面度，立体角球面度Sr 有量纲量和无量纲量：有量纲量和无量纲量：流体力学中任何物理量流体力学中任何物理量C的量纲可写成的量纲可写成C=M L T 当当、不全为不全为0时，时，C称为有量纲量。称为有量纲量。当当、全部为全部为0时，时，C称为无量纲量或无量纲称为无量纲量或无量纲数。数。有量纲量流体力学中的有量纲量可分为三类：1、几何学的量，0，0；2、运动学的量，0，0；3、动力学的量，0。无量纲量 ,1LdHJJdLL 121Re,Re1LTLdL T一一.几何相似（空间相似）几何相似（空间相似）定义：定义：模型和原型的全部对应线形长度的模型和
6、原型的全部对应线形长度的 比值为一定常数比值为一定常数 。nnnlmmmLlhLlh以下标以下标“n”n”、“m”m”表示原型、表示原型、模型的有关量模型的有关量 :长度比例尺（相似比例常数）长度比例尺（相似比例常数）l面积比例尺面积比例尺:222lACllAAC体积比例尺体积比例尺:333lVCllVVC图图10-1 10-1 几何相似几何相似 满足上述条件，流满足上述条件，流动才能几何相似动才能几何相似 定义：满足几何相似的流场中，对应时刻、对应定义：满足几何相似的流场中，对应时刻、对应点流速（加速度）的方向一致，大小的比例相点流速（加速度）的方向一致，大小的比例相等，即它们的速度场（加速
7、度场）相似。等，即它们的速度场（加速度场）相似。图图10-2 10-2 速度场相似速度场相似 加速度比例尺加速度比例尺:2vvatlvatCvat注：长度比例尺和速度比例尺注：长度比例尺和速度比例尺确定所有运动学量的比例尺。确定所有运动学量的比例尺。时间比例尺时间比例尺:速度比例尺速度比例尺:ntmttnnnlvmmtmlvtlvt运动粘度比例尺运动粘度比例尺:体积流量比例尺体积流量比例尺:3323nVnnlqVlVmVmtmlqtlqt 222nnnlvlvmmtmlvtlvt三三.动力相似（受力相似）动力相似（受力相似）定义：两个运动相似的流场中，对应空间点上、对应定义：两个运动相似的流场
8、中，对应空间点上、对应瞬时作用在两相似几何微团上的力，作用方向一瞬时作用在两相似几何微团上的力，作用方向一致、大小互成比例，即它们的动力场相似致、大小互成比例，即它们的动力场相似。图图10-3 10-3 动力场相似动力场相似 3223nnnnFlvmmmmvltvlt 又由牛顿定律可知：又由牛顿定律可知：其中：其中：为流体的密度比例尺。为流体的密度比例尺。nmpntnnInFpmtmmImFFWFFFWF力的比例尺：力的比例尺：动力粘度比例尺动力粘度比例尺:功率比例尺功率比例尺:23nn nPFvlvmm mPFvPF v nnnlvmmm 有了模型与原型的密度比例尺，长度比例尺和速度比有了模
9、型与原型的密度比例尺，长度比例尺和速度比例尺，就可由它们确定所有动力学量的比例尺。例尺，就可由它们确定所有动力学量的比例尺。压强（应力）比例尺压强（应力）比例尺:力力矩（功，能）矩（功，能）比例尺比例尺:32nn nMFllvmm mMF lMF l 2pnnnFpvpmmAmFpAFpA 流动相似：在对应点上、对应瞬时，所有物理量流动相似：在对应点上、对应瞬时，所有物理量 都成比例。都成比例。1 1任何相似的流动都是属于同一类的流动，相似流场对任何相似的流动都是属于同一类的流动，相似流场对应点上的各种物理量，都应为相同的微分方程所描述；应点上的各种物理量，都应为相同的微分方程所描述；2 2相
10、似流场对应点上的各种物理量都有唯一确定的解，相似流场对应点上的各种物理量都有唯一确定的解，即流动满足单值条件；即流动满足单值条件；3 3由单值条件中的物理量所确定的相似准则数相等是流由单值条件中的物理量所确定的相似准则数相等是流动相似也必须满足的条件。动相似也必须满足的条件。定义：在定义：在几何相似几何相似的条件下，两种物理现的条件下，两种物理现 象保证相似的条件或准则象保证相似的条件或准则 。4-10)4-10)221Flv （4-154-15）2222nmn nnm mmFFl vlv（4-164-16）NevlF22（4-174-17）当模型与原型的动力相似，则其牛顿数必定相等，当模型与
11、原型的动力相似，则其牛顿数必定相等，即即 ；反之亦然。这就是；反之亦然。这就是 NeNe 称为称为牛顿数牛顿数，它是作用力与惯它是作用力与惯性力的比值。性力的比值。Ne 一、重力相似准则一、重力相似准则（弗劳德准则）（弗劳德准则）二、粘性力相似准则二、粘性力相似准则（雷诺准则）（雷诺准则）三、压力相似准则三、压力相似准则（欧拉准则）（欧拉准则）四、弹性力相似准则四、弹性力相似准则(柯西准则柯西准则)五、表面张力相似准则五、表面张力相似准则（韦伯准则）（韦伯准则）六、非定常性相似准则六、非定常性相似准则（斯特劳哈尔准则）（斯特劳哈尔准则）流场中有各种性质的力，但不论是哪种力，只流场中有各种性质的
12、力，但不论是哪种力，只要两个流场动力相似，它们都要服从牛顿相似准要两个流场动力相似，它们都要服从牛顿相似准则。则。1 1 Strouhal Strouhal 相似准数相似准数 Sr=l/vtSr=l/vt 表示时变惯性力和位变惯性力之比，反映了流体表示时变惯性力和位变惯性力之比，反映了流体运动随时间变化的情况运动随时间变化的情况2 2 Froude Froude 相似准数相似准数 Fr=vFr=v2 2/gl/gl 表示惯性力和重力之比，反映了流体流动中重力表示惯性力和重力之比，反映了流体流动中重力所起的影响程度所起的影响程度3 3 Euler Euler 相似准数相似准数 Eu=p/Eu=p
13、/v v2 2 表示压力和惯性力的比值表示压力和惯性力的比值4 4 Renolds Renolds 相似准数相似准数 Re=ul/Re=ul/=ul/ul/表示惯性力和粘性力之比表示惯性力和粘性力之比5 5 Mach Mach 相似准数相似准数 Ma=v/cMa=v/c 表示弹性力和惯性力之比，表示弹性力和惯性力之比，c c为声速，反映了流动为声速，反映了流动的压缩程度的压缩程度3nnnnFlgmmmmWV gWV g 将重力比将重力比 带入式带入式(4-15)(4-15)得：得：21vlg22nmn nm mvvg lg l2vFrgl 称为称为弗劳德数弗劳德数，它是惯性力与重力它是惯性力与
14、重力的比值。的比值。Fr当模型与原型的重力相似，则其弗劳德数必定相等，反之亦当模型与原型的重力相似，则其弗劳德数必定相等，反之亦然。这就是然。这就是（弗劳德准则）（弗劳德准则）重力场中重力场中 ，则则：,1nmggg12vl（a）ImIPGmGPFFFF改成GmImGPIPFFFF3glmgFG22vlFImmmppplgvlgv22无量纲数glvFr2佛劳德数重力的相似准数 将粘性力之比将粘性力之比 带入式带入式(4-15)(4-15)得：得：（4-21）（4-22）（4-23）（b）Flv 1vl 1vlv nn nmm mnmv lv ln nm mnmv lv lRevlvl 称为称为
15、雷诺数雷诺数，它是惯性力与粘它是惯性力与粘性力的比值。性力的比值。Re当模型与原型的粘性力相似，则其雷诺数必定相等，反之亦当模型与原型的粘性力相似，则其雷诺数必定相等，反之亦然。这就是然。这就是（雷诺准则）（雷诺准则）模型与原型用同一种流体时，模型与原型用同一种流体时，则：，则：11vllvlvdydvAFT22vlmaFImmmppplvlv无量纲数vlRe雷诺数粘性力的相似准数 （4-24）（4-25）（4-26）当压强用压差代替：当压强用压差代替：将压力比将压力比 带入式带入式(4-15)(4-15)得：得：2nnnFplmmmFp AFp A 21pv 22nmnnmmppvvEuvp
16、2 称为称为欧拉数欧拉数，它，它是总压力与惯性力是总压力与惯性力的比值。的比值。Eu当模型与原型的压力相似，则其欧拉数必定相等，反之亦然。当模型与原型的压力相似，则其欧拉数必定相等，反之亦然。这就是这就是（欧拉准则）（欧拉准则）2vpEu22nmnnmmppvv（4-27）（4-28）22mmmPPPvPvP无量纲数2vpEu欧拉数压力的相似准数2vpImIPPmPPFFFF改成ImPmIPPPFFFF2PFPl22vlFI将弹性力之比将弹性力之比 带入式带入式(4-15)(4-15)得：得：2ennnnnnnFklemmmmmmmFdp AK A dV VFdp AK A dV V 21vk
17、 22nnmmnmvvKK CaKv2 称为称为柯西数柯西数，它是，它是惯性力与弹性力的惯性力与弹性力的比值。比值。Ca当模型与原型的弹性力相似，则其柯西数必定相等，当模型与原型的弹性力相似，则其柯西数必定相等，即即 ；反之亦然。这就是；反之亦然。这就是（柯西准则）（柯西准则）()()nmCaCa若流场中的流体为气体，由于若流场中的流体为气体，由于 （c c 为声速）为声速）则弹性力之比则弹性力之比 带入式带入式(4-15)(4-15)得：得：2cK22Fcl 1vc nmnmvvcc Macv 称为马赫数，它称为马赫数，它是惯性力与弹性力是惯性力与弹性力的比值。的比值。Ma当模型与原型的弹性
18、力相似，则其马赫数必定相等，当模型与原型的弹性力相似，则其马赫数必定相等，即即 ；反之亦然。这就是；反之亦然。这就是（马赫准则）（马赫准则）MaMa 称为称为马赫数马赫数，它，它是惯性力与弹性力是惯性力与弹性力的比值。的比值。当模型与原型的弹性力相似，则其马赫数必定相等，反之亦当模型与原型的弹性力相似，则其马赫数必定相等，反之亦然。这就是然。这就是（马赫准则）（马赫准则）mmmppPEvEv22无量纲数EvCa2柯西数弹性力的相似准数气体：Ea mmPPavav将无量纲数avM 马赫数弹性力的相似准数（*）代入（*）式，得ImIPEmEPFFFF改成EmImEPIPFFFF2ElFEE弹性模量
19、22vlFI将表面张力之比将表面张力之比 带入式带入式(4-154-15)得得:nn nFlmm mFlFl 21lv 22nnnmmmnmv lv l Welv2 称为称为韦伯数韦伯数，它，它是惯性力与表面张是惯性力与表面张力的比值。力的比值。We当模型与原型的表面张力相似，则其韦伯数必定相等，当模型与原型的表面张力相似，则其韦伯数必定相等，即即 ；反之亦然。这就是；反之亦然。这就是（韦伯准则）（韦伯准则）nmWeWe 将惯性力之比将惯性力之比 带入式带入式(4-15)(4-15)得：得：31()()n nxnnIt nFlv tIt mm mxmmVvtFFVvt 1lvt nmn nm
20、mllv tv tSrvtl 称为称为斯特劳哈尔数斯特劳哈尔数，它是当地惯性力与迁移惯它是当地惯性力与迁移惯性力的比值。性力的比值。Sr当模型与原型的非定常流动相似，则其斯特劳哈尔数必定相等，当模型与原型的非定常流动相似，则其斯特劳哈尔数必定相等，即即 ；反之亦然。这就是；反之亦然。这就是（斯特劳哈尔准则）（斯特劳哈尔准则）nmSrSr 以上给出的以上给出的牛顿数牛顿数、弗劳德数弗劳德数、雷诺数雷诺数、欧拉欧拉数数、柯西数柯西数、马赫数马赫数、韦伯数韦伯数、斯特劳哈尔数斯特劳哈尔数均称均称为相似准则数。为相似准则数。如果已经有了某种流动的运动微分方程，可由该如果已经有了某种流动的运动微分方程，
21、可由该方程直接导出有关的相似准则和相似准则数，方法是方程直接导出有关的相似准则和相似准则数，方法是令方程中的有关力与惯性力相比。令方程中的有关力与惯性力相比。二、相似准则二、相似准则牛顿数及相似判据牛顿数及相似判据v相似准则的导出方法有：v物理法则法；v方程分析法；v量纲分析法。彼此相似的现象必具有数值相同的同名相似准数相似第一定律 必为同类现象，必须服从自然界中同一基本规律 必须发生在几何相似的空间，并且具有相似的初、边值条件 描述物性的参量必须具有相似的变化规律定解问题相似凡同一种类现象，如果定解条件相似，同时由定解条件的物理量所组成的相似准数在数值上相等，那么这些现象必相似。相似第二定律
22、 同类现象，形式相同的控制方程组第一个必要条件 定解条件相似第二个必要条件 独立相似准数在数值上相等第三个必要条件现象相似的充要条件描述某现象的各种量之间的关系式可以表示成相似准数方程之间的函数关系，这种关系式称为准数方程，即 相似第三定律 任何定解问题的积分结果都可以表示成准数方程的形式；便于实验 0,21nF已定已定已定未定miif,21nmi,2,1FrHofEuRe,什么是模型实验：什么是模型实验：通常指用简化的可控制的方法再现实际发生的物通常指用简化的可控制的方法再现实际发生的物理现象。实际发生的现象被称为原型现象，理现象。实际发生的现象被称为原型现象，模型实验的侧重点是再现流动现象
23、的物理本模型实验的侧重点是再现流动现象的物理本质；只有保证模型实验和原型中流动现象的质；只有保证模型实验和原型中流动现象的物理本质相同，模型实验才是有价值的。物理本质相同，模型实验才是有价值的。为什么要进行模型实验为什么要进行模型实验 科学研究和生产设计需要做模型实验科学研究和生产设计需要做模型实验；并不是所有的流动现象都需要做模型实验。做理并不是所有的流动现象都需要做模型实验。做理论分析或数值模拟的流动现象都不必模拟实验。论分析或数值模拟的流动现象都不必模拟实验。并不是所有的流动现象都能做模型实验。只有对并不是所有的流动现象都能做模型实验。只有对其流动现象有充分的认识，并了解支配其现象的其流
24、动现象有充分的认识，并了解支配其现象的主要物理法则，但还不能对其作理论分析或数值主要物理法则，但还不能对其作理论分析或数值模拟的原型最适合做模型实验。模拟的原型最适合做模型实验。1 1根据物理量所组成的相似准则数相等的原则去设计模根据物理量所组成的相似准则数相等的原则去设计模 型，选择流动介质；型，选择流动介质；2 2在实验过程中应测定各相似准则数中包含的一切物理量；在实验过程中应测定各相似准则数中包含的一切物理量；3 3用数学方法找出相似准则数之间的函数关系，即准则方程用数学方法找出相似准则数之间的函数关系，即准则方程 式。该方程式便可推广应用到原型及其他相似流动中去。式。该方程式便可推广应
25、用到原型及其他相似流动中去。以相似原理为基础的模型实验方法，按照流体流以相似原理为基础的模型实验方法，按照流体流动相似的条件，可设计模型和安排试验。这些条件动相似的条件，可设计模型和安排试验。这些条件是是几何相似几何相似、运动相似运动相似和和动力相似动力相似。前两个相似是第三个相似的充要条件，同时满足前两个相似是第三个相似的充要条件，同时满足以上条件为流动相似，模型试验的结果方可用到原以上条件为流动相似，模型试验的结果方可用到原型设备中去。型设备中去。简化模型实验方法中流动相似的条件，除局部相似之简化模型实验方法中流动相似的条件，除局部相似之外，还可采用外，还可采用和和。在工程实际中的模型试验
26、，好多只能满足部分相似准在工程实际中的模型试验，好多只能满足部分相似准则，即称之为则，即称之为。如上面的粘性不可压定常流动。如上面的粘性不可压定常流动的问题，不考虑自由面的作用及重力的作用，只考虑粘的问题，不考虑自由面的作用及重力的作用，只考虑粘性的影响，则定性准则只考虑雷诺数性的影响，则定性准则只考虑雷诺数ReRe，因而模型尺寸，因而模型尺寸和介质的选择就自由了。和介质的选择就自由了。的概念实质是自身模拟的概念。比如在的概念实质是自身模拟的概念。比如在某系统中，有两个数与其它量比起来都很大，某系统中，有两个数与其它量比起来都很大，则可认为这两个数自模拟了。又比如，在圆管则可认为这两个数自模拟
27、了。又比如，在圆管流动中，当流动中，当Re2000Re2000时，管内流动的速度分布时，管内流动的速度分布都是一轴对称的旋转抛物面。当都是一轴对称的旋转抛物面。当Re4Re410105 5管内管内流动状态为紊流状态，其速度分布基本不随流动状态为紊流状态，其速度分布基本不随ReRe变化而变化，故在这一模拟区域内，不必考虑变化而变化，故在这一模拟区域内，不必考虑模型的模型的ReRe与原型的与原型的ReRe相等否，只要与原型所处相等否，只要与原型所处同一模化区即可。同一模化区即可。准则数的选择准则数的选择很难实现同时满足两个以上准数相等例：若同时满足Re数相等和Fr数相等（1）同种介质（p=m）mm
28、pplvlvRe：lv1Fr（gp=gm）：mmpplvlv22lvll11l失去模型实验的价值（2）不同介质（pm）mmmppplvlvRe：lvFr：lv23l10lp水m很困难如果p空气（15.710-6m2/s）m水（1.00710-6m2/s）取62.311023ppm24.6l结论：根据影响流动的主要作用力，正确选择相似准则，是模型实验的关键自模区阻力平方区（与Re无关）例1：某车间长30m，宽15m，高10m，用直径为0.6m的风口送风，要求风口风速8m/s，如取l=5，确定模型尺寸及模型的出口风速解：l=5，则模型长为30/5=6m，宽为15/5=3m，高为10/5=2m，风口
29、直径为0.6/5=0.12m原型是空气p=15.710-6m2/s7103Revd属阻力平方区（自模区）因此采用粗糙度较大的管子，提前进入自模区（Re=50000）50000107.1512.0Re6mvsmvm/5.6此时23.15.68v例2：弦长为3m的机翼以300km/h的速度在温度为20、压强为1at的静止空气中飞行，用l=20的模型在风洞中作试验：（1）如果风洞中空气的温度和压强不变，风洞中空气速度应为多少？解：风洞实验中粘性力是主要的雷诺准则相同mmpplvlvhkmllvvmppm/6000120300难以实现，要改变实验条件（2）改用水sm/10007.126水sm/107.
30、1526空气mmmppplvlvhkmllvvpmmppm/385107.15110007.12030066（3）改变压强（30at），温度不变pvlvlRehkmPlplvvmmpppm/200301120300等温过程p，且相同mmmppplvplvp例3：溢水堰模型，l=20，测得模型流量为300L/s，水的推力为300N，求实际流量和推力解：溢水堰受到的主要作用力是重力，用佛劳德准则2vlvAQ2lvQ佛劳德准则：lv25lQ5 25 23300 20537000/537/nmlQQL sms22lvmaF22lvF温度不变的水：1由佛劳德准则lv3lF33300 2024000002
31、400nmlFFNkN 例例4 4 有一轿车，高有一轿车，高h=1.5mh=1.5m，在公路上行，在公路上行驶，设计时速驶，设计时速v=108km/hv=108km/h，拟通过风洞中，拟通过风洞中模型实验来确定此轿车在公路上以此速行模型实验来确定此轿车在公路上以此速行驶时的空气阻力。已知该风洞系低速全尺驶时的空气阻力。已知该风洞系低速全尺寸风洞寸风洞(k(kl l=2/3)=2/3)，并假定风洞试验段内气，并假定风洞试验段内气流温度与轿车在公路上行驶时的温度相同，流温度与轿车在公路上行驶时的温度相同，试求：风洞实验时，风洞实验段内的气流试求：风洞实验时，风洞实验段内的气流速度应安排多大？速度应
32、安排多大？解：解：首先根据流动性质确定决定性相似首先根据流动性质确定决定性相似准数，准数，这里选取这里选取ReRe作为决定性相似准数，作为决定性相似准数，Rem=Rep，即，即vl/=1，再根据决定型相似准数相等，确定几个比再根据决定型相似准数相等，确定几个比例系数的相互约束关系，例系数的相互约束关系，这里这里=1，所以，所以 v=l-1，由于，由于l=m/p=2/3，那么，那么v=m/p=1/l=3/2 最后得到风洞实验段内的气流速度应该是最后得到风洞实验段内的气流速度应该是 vm=vpv=1083/2=162km/h=45m/s 例例5 5 在例在例4 4中，通过风洞模型实验，获得模型轿车
33、在风中，通过风洞模型实验，获得模型轿车在风洞实验段中的风速为洞实验段中的风速为45m/s45m/s时，空气阻力为时，空气阻力为1000N1000N，问：，问：此轿车以此轿车以108km/h108km/h的速度在公路上行驶时，所受的空气阻的速度在公路上行驶时，所受的空气阻力有多大？力有多大？解：在设计模型时，定下解：在设计模型时，定下 =1 l=2/3 v=3/2 在相同的流体和相同的温度时，流体密度比例系数在相同的流体和相同的温度时，流体密度比例系数=1，那么力比例系数，那么力比例系数 F=l2 v2=1(2/3)2(3/2)2=1 因此，该轿车在公路上以因此，该轿车在公路上以108km/h1
34、08km/h的速度行驶所遇到的速度行驶所遇到的空气阻力的空气阻力 Fp=Fm/kF=1000/1=1000N 一、物理方程量纲一致性原则一、物理方程量纲一致性原则二、瑞利法二、瑞利法三、三、定理定理 1.1.基本量纲：基本量纲：(独立量纲)长度(L)时间(T)质量(M)2.2.导出量纲：导出量纲：3.3.一致性原则一致性原则物理方程中要求每一项量纲都相同例:量纲为L.22vpzhgg无量纲物理量的意义：（1）客观性；（2）不受运动规模的影响；（3）清楚反映问题实质（如一个系列一条曲线）；（4）可进行超越函数的运算物理方程的量纲齐次性原理凡是正确描述自然现象的物理方程，其方程各项的量纲必然相同。
35、量纲齐次性原理是量纲分析的理论基础。工程中仍有个别经验公式存在量纲不齐次。满足量纲齐次性的物理方程，可用任一项去除其余各项，使其变为无量纲方程。如流体静力学基本方程用 除其余各项，可得无量纲方程：ghpp0gh10ghpghp1.选取影响流动的 n 个物理量写出下述函数关系如 (1)2.选择 m 个独立变量，原则是要既相互独立，又包含三个基本量纲.一般选 :几何尺度 速度 质量 12(.)0nF x xxlv13LLTML12nnnxxx 3.用 n m 个无量纲写出准则方程 (2)4.求 (3)5.将 带入(2)式，求得 准则方程 12(.)0n mf ii2121iiiiiiabciinn
36、niiabcnnnxxxxxxxx 例：求有压管流压强损失的表达式a.找出物理过程中有关的物理量，组成未知的函数关系0,vkdlpf7nb.选取基本量常取：几何学量l（d），运动学量v，动力学量m=3基本量独立条件：指数行列式不等于零1dim LTvLd dim3dim ML110111cba，010222cba，031333cba，解：步骤01031010110c.基本量依次与其余物理量组成项，共nm=73=4个1111cbadvp2222cbadv3333cbadvl4444cbadvkd.决定各项的基本量的指数111dimdim1cbadvp：1113121cbaMLLLTTML比较两边
37、系数11c11131cba12aMLT得a1=2，b1=0，c1=121vp同理vd2dl3dk4e.整理方程式0,24321 dkdlvdvpffdkdlvdfvp,2dldkfvpRe,22Re,22vdlvdldkfpdkf Re,10310-3.已已 知知 圆圆 球球 绕绕 力力 阻阻 力力D 与与 球球 的的 直直 径径d，来来 流流 速速 度度U0，流流 体体 的的 密密 度度、动动 力力 粘粘 度度 有有 关，关，试试 用用 定定 理理 推推 求求 阻阻 力力D 的的 表表 达达 式。式。dU0解解：0),(0 UdDf选选d,U0,为为 独独 立立 基基 本本 量量 纲，纲，可
38、可 以以 组组 成成5-3=2 个个 项项 2221110201cbacbaUdDUd 写写 成成 量量 纲纲 式式 LTMLMLTL0231111 cba 按按 量量 纲纲 和和 谐谐 原原 理理 求求 指指 数，数，对对130:L111 cba20:T1 b10:M1 c 联联 立立 求求 解解 得，得，abc111221 所所 以以 1202DdU2001d UdURefDdURe122010(,)，阻，阻 力力 DdURe202()或或 DRedU()842202令令 CReAdD(),842则则 DCAUD022CD称称 为为 阻阻 力力 系系 数，数，A为为 球球 在在 来来 流流 方方 向向 投投 影影 面面 积。积。1.1.定义定义：根据量纲量一致性原则，确定 相关量的函数关系。312123.naaaanykx x xx 2.举例：图图4-74-7 三角堰三角堰
