流体力学
量纲分析把流动归结为无量纲数
单位相消 → 无量纲数(白金汉 Π),Re·Fr·Ma 是力之比,动力相似让模型预测真物,单一 CD(Re) 曲线
仅凭一艘小模型船,就能预测庞大真船的阻力。秘诀在于单位全部相消的无量纲数。拖动速度,看看雷诺数的单位是怎样消失的。
看雷诺数 Re = ρvLμ。分子 ρvL 的单位是 kg·m⁻¹·s⁻¹,分母 μ 的单位也正是 kg·m⁻¹·s⁻¹。所以一除,单位整个相消,只剩一个纯数。拖动速度 v,Re 的值在变,但始终是没有单位的无量纲数。单位消失后的这个数,抓住了流动的本质。
支配流动的无量纲数,都是相互竞争的力之比。用按钮比较三个。雷诺数 Re = ρvLμ 是惯性对黏性(管道、机翼、游泳);弗劳德数 Fr = v√(gL) 是惯性对重力(船和水道的波);马赫数 Ma = vc 是流速对声速,即可压缩性(喷气、超声速)。哪种力胜出,就决定了流动的性格。
用船来感受弗劳德数。船一快,船首激起的波就更长更猛。当 Fr = v√(gL) 接近 1,船就费力去翻越自己造出的船首波——这就是船体的极限航速。拖动速度,波和 Fr 一起长大。所以模型船试验要让 Fr 与真船相同。
无量纲数相同,两个流动就完全相似——这就是动力相似。要让真物与模型的 Re 相同,就把模型缩小多少、把流动加快多少,使 v·L 保持不变。拖动模型大小,越小风速越高,两个 Re 始终相等。所以风洞里的小模型,能原样重现真飞机周围的流动。
最后的回报。大小和速度各不相同的无数次阻力测量,一旦用无量纲来画,就重叠到唯一一条曲线 CD(Re) 上。拖动 Re,点就沿这条普适曲线移动。低 Re 时黏性主导、CD 很大;中间一段平坦;到临界 Re 附近边界层转为湍流、CD 骤降——这就是阻力危机。穆迪图、风洞数据,全都是这条无量纲曲线。就这样,量纲分析把压力、流动、黏性、边界层乃至阻力用一种语言串起来,为整个流体力学收尾。
实际应用总结一下:量纲分析把变量归结为单位相消的无量纲数,减少需要处理的变量个数(白金汉 Π)。关键无量纲数是竞争力之比:Re = ρvLμ(惯性/黏性)、Fr = v√(gL)(惯性/重力)、Ma = vc(可压缩性)。无量纲数相同,两个流动就动力相似,于是小模型能预测真物(相似律)。所以阻力数据重叠到唯一一条 CD(Re) 曲线上,连阻力危机也在其中。压力、浮力、连续、伯努利、动量、黏性、雷诺、边界层、阻力,全都在这套无量纲语言上连成一体。
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