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因次分析與相似性
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因次分析
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目的
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原因
- 實驗費用昂貴
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期望
- 實驗次數越少好
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因此
- 利用“因次分析”達成目的
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適用
- 可適用於不同流場
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各種物理量
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基本因次
- 質量(M)、長度(L)、時間(T)及溫度(𝜽)的組合
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白金漢𝜋定理
(Buckingham -𝜋 theorem)
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定義
- 已知
- 在任何物理問題中,因變數為自變數之函數
- 其中
- m為流場中所有變數之個數
- n為基本因次之個數
- 取
- m-n為此題物理問題之
“無因次變數”之個數
- 則
- 稱“無因次變數”為𝜋函數
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分析步驟
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"有因次"個數
- (1)找出問題之所有"有因次變數"個數(m) ,並表示成
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"無因次"個數
- (2)找出"基本因次"個數(n),並求得物理問題之"無因次變數"個數(m-n)
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選擇"基本變數"
- (3)選擇"重複變數"(基本變數)
- 其變數必須包含所有之基本因次
- 重複變數不可直接構成變數
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白金漢定理
- (4)利用白金漢定理,解得(m-n)個無因次變數之無因次參數式。
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無因次參數
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雷福韋馬慣上面
分母黏重表可壓
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雷諾數( Reynolds number) Re
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福祿數( Froude number ) Fr
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韋伯數( Weber number) We
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馬赫數( Mach number) M
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尤拉史特慣下面
分子壓力與離心
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歐拉數( Euler number ) Eu
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史特豪數( Strouhal number) St
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相似定律
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相似性(similitude)
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目的
- 從模型(model)之物理系統來預測原型(prototype)在某方面之物理特性
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定義
- 若
- 模型與原型具有相似性
- 則
- 模型與原型間 各 無因次參數 應相等
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種類
- 動力相似( dynamic similarity)
- 所受之力均具有相同比值
- 運動相似(kinematic similarity)
- 所受 速度 加速度 均具有相同比值
- 幾何相似(geometric similarity)
- 對應長度均具有相同之比值
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常用流場
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自由表面之流動
- 定義
- 兩種不同流體所產生之介面上的流動,稱為自由表面之流動
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完全沈浸之流動
- 定應
- 此流場包括流體流過機翼、灒水艇或管路之流動
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可壓縮流動
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週期性運動
- 定義
- 若
- 流場具有週期性之流動
- 例如:流體流經橋樑或電纜等
- 則
- 史特豪數為其主導之無因次參數
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無因次化之統御方程式
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連續方程式
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那維爾一史托克方程式