流体力学各无量纲数定义

雷诺数:对于不同的流场,雷诺数可以有很多表达方式。这些表达方式一般都包括流体性质(密度、黏度)再加上流体速度和一个特征长度或者特征尺寸。这个尺寸一般是根据习惯定义的。比如说半径和直径对于球型和圆形并没有本质不同,但是习惯上只用其中一个。对于管内流动和在流场中的球体,通常使用直径作为特征尺寸。对于表面流动,通常使用长度。管内流场对于在管内的流动,雷诺数定义为:式中:是平均流速(国际单位:m/s)管直径(一般为特征长度)(m)流体动力黏度(Pa·s或N·s/m²)运动黏度(ρ)(m²/s)流体密度(kg/m³)体积流量(m³/s)横截面积(m²)假如雷诺数的体积流率固定,则雷诺数与密度(ρ)、速度的开方()成正比;与管径(D)和黏度(u)成反比假如雷诺数的质量流率(即是可以稳定流动)固定,则雷诺数与管径(D)、黏度(u)成反比;与√速度()成正比;与密度(ρ)无关平板流对于在两个宽板(板宽远大于两板之间距离)之间的流动,特征长度为两倍的两板之间距离。流体中的物体对于流体中的物体的雷诺数,经常用Rep表示。用雷诺数可以研究物体周围的流动情况,是否有漩涡分离,还可以研究沉降速度。流体中的球对于在流体中的球,特征长度就是这个球的直径,特征速度是这个球相对于远处流体的速度,密度和黏度都是流体的性质。在这种情况下,层流只存在于Re=0.1或者以下。在小雷诺数情况下,力和运动速度的关系遵从斯托克斯定律。搅拌槽对于一个圆柱形的搅拌槽,中间有一个旋转的桨或者涡轮,特征长度是这个旋转物体的直径。速度是ND,N是转速(周/秒)。雷诺数表达为:当Re>10,000时,这个系统为完全湍流状态。[1]过渡流雷诺数对于流过平板的边界层,实验可以确认,当流过一定长度后,层流变得不稳定形成湍流。对于不同的尺度和不同的流体,这种不稳定性都会发生。一般来说,当,这里x是从平板的前边缘开始的距离,流速是边界层以外的自由流场速度。一般管道流雷诺数<2100为层流(又可称作黏滞流动、线流)状态,大于4000为湍流(又可称作紊流、扰流)状态,2100~4000为过渡流状态。层流:流体沿着管轴以平行方向流动,因为流体很平稳,所以可看作层层相叠,各层间不互相干扰。流体在管内速度分布为抛物体的形状,面向切面的则是抛物线分布。因为是个别有其方向和速率流动,所以流动摩擦损失较小。湍流:此则是管内流体流动状态为各分子互相激烈碰撞,非直线流动而是漩涡状,流动摩擦损失较大。管道中的摩擦阻力穆迪图说明达西摩擦因子f和雷诺数和相对粗糙度的关系在管道中完全成形(fullydeveloped)流体的压降可以用穆迪图来说明,穆迪图绘制出在不同相对粗糙度下,达西摩擦因子f和雷诺数及相对粗糙度的关系,图中随着雷诺数的增加,管流由层流变为过渡流及湍流,管流的特性和流体为层流、过渡流或湍流有明显关系。流动相似性两个流动如果相似的话,他们必须有相同的几何形状和相同的雷诺数和欧拉数。当在模型和真实的流动之间比较两个流体中相应的一点,如下关系式成立:带m下标的表示模型里的量,其他的表示实际流动里的量。这样工程师们就可以用缩小尺寸的水槽或者风洞来进行试验,与数值模拟的模型比对数据分析,节约试验成本和时间。实际应用中也许会需要其他的无量纲量与模型一致,比如说马赫数,福禄数。雷诺数的一般值精子~1×10−4大脑中的血液流~1×102主动脉中的血流~1×103湍流临界值~2.3×103-5.0×104(对于管内流)到106(边界层)棒球(职业棒球投手投掷)~2×105游泳(人)~4×106蓝鲸~3×108大型邮轮~5×109雷诺数的推导雷诺数可以从无因次化的非可压纳维-斯托克斯方程推导得来:上式中每一项的单位都是加速度乘以密度。无量纲化上式,需要把方程变成一个独立于物理单位的方程。我们可以把上式乘以系数:这里的字母跟在雷诺数定义中使用的是一样的。我们设:无量纲的纳维-斯托克斯方程可以写为:这里:最后,为了阅读方便把撇去掉:这就是为什么在数学上所有的具有相同雷诺数的流场是相似的。韦伯数(Webernumber)的计算公式为其中为流体密度,为特征流速,为特征长度,为流体的表面张力系数。韦伯数代表惯性力和表面张力效应之比,韦伯数愈小代表...

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