В основе предмета о физическом подобии лежит идея о независимости закона природы от конкретной системы мер, выбранной исследователем.
Основная теорема подобия: физически подобные процессы – те, у которых безразмерные поля, характеризующие их одноименные величины, тождественны (поля скорости температур) в геометрически подобных конфигурациях при турбулентном и ламинарном течении (или два физические явления подобны, если они имеют одинаковое математическое описание (физическое подобие), равенство соответствующих критериев подобия и идентичность условий однозначности). Механически подобными течениями называются течения с геометрически подобными картинами линии тока.
Для выполнения механического подобия необходимо, чтобы во всех подобно расположенных точках силы, действующие на элемент объема жидкости, находились в одинаковом отношении одна к другой во все моменты времени.
Имеются только силы трения и силы инерции:
Каждая точка критериальной функции соответствует группе подобных явлений. Критерии подобных явлений справедливы как для сжимаемых, так и несжимаемых течений.
Теория подобия позволяет, не решая основной системы уравнений, выделить безразмерные (определенные) компоненты (критерии), которые определяют решение.
При этом значительно уменьшается число определяемых факторов, и решение получается в наиболее общем виде.
Введём для нестационарного режима течение понятие критерия подобия Био:
отношение внутреннего термического сопротивления теплопроводности к
внешнему термическому сопротивлению теплоотдачи
1) для шара: 2) для цилиндра:
3) для куба:
где сторона
куба.
В общем виде
решение имеет вид:
Таким образом,
критерий подобия Био характеризует неравномерность температурного поля в теле. При
тепло проходит «транзитом»
сквозь стенку и температура не изменяется (нет температурного перепада), а при
тепло скапливается вблизи
поверхности. Такие случаи бывают на ракетах – «тонкая стенка» (в
тепловом отношении нет перепада температур
).
Введём критерий подобия Фурье:
где коэффициент
температуропроводности, характеризующий темп прогрева или охлаждения тела. Величина
обратная
называется
тепловой инерцией тела.
Критерий подобия
Фурье – мера тепловой насыщенности тела; характеризует нестационарность
процесса. Чем большетем ближе стенка к полному
прогреванию.
Критерии подобия Био и Фурье относятся к теплообмену теплопроводностью в твёрдых телах (нестационарная задача) и соответственно, учитывают физические свойства тел и временные характеристики.
Критерий подобия Прандтля, характеризующий теплофизические свойства среды:
где толщина
гидродинамического слоя;
толщина
температурного слоя.
Критерий Эйлера, который следует из уравнения движения и характеризует соотношение перепада статических давлений к динамическому напору:
В реальном напоре всегда есть потери полного давления.
Критерий Архимеда, учитывающий массовые силы – отношение подъемной силы к силе вязкого трения:
где ускорение
свободного падения;
характерный размер;
кинематическая вязкость;
характерная
плотность, где
коэффициент теплового
расширения;
разность
температур, обусловливающих движение.
Критерий Грасгоффа – частный вид критерия Архимеда для тепловой гравитационной (свободной) конвекции:
Критерий Галилея:
Критерий турбулентности:
где пульсационная
скорость.
Критерий С. С. Кутателадзе, который вводят при фазовых переходах:
где теплота
фазового перехода.
В реальной практике используют комбинированные критерии подобия.
Критерий Пеклé для несжимаемой жидкости:
Критерий Рэлея:
Искомыми переменными в безразмерном виде являются критерии Нуссельта и Стантона.
Критерий Нуссельта, который можно получить из дифференциального уравнения теплоотдачи методом масштабных преобразований – показывает во сколько раз теплоотдача больше теплопроводности:
где теплота
за счет конвекции;
теплота за счет
теплопроводности.
Если то конвекции нет, только
тепловодность.
Получим искомое
решение в безразмерном виде: где
локальное число Нуссельта;
безразмерная координата.
Введём
понятия критерия Стантона и локального
коэффициента сопротивления трению
Критерий Стантона – безразмерный коэффициент теплоотдачи:
где
коэффициент теплоотдачи
Тогда
Локальный коэффициент сопротивления трению:
Используя выше приведенные выражения, получим:
Если то
справедливо
только для пластины.
Важный
вывод: механизм переноса импульса и тепла один и тот же. Если известен St,
то можно определить и наоборот.
Критерий подобия Эккерта, который связан с выделением тепла при адиабатическом сжатии:
гдеразность температур тела и потока.
Проведя некоторые преобразования, получим:
где
число Маха:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.