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
отношение внутреннего термического сопротивления теплопроводности к
внешнему термическому сопротивлению теплоотдачи  
              
            1) для шара: 2) для цилиндра:
 2) для цилиндра: 3) для куба:
 3) для куба:
где  сторона
куба.
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 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
 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
 коэффициент
температуропроводности, характеризующий темп прогрева или охлаждения тела.                                                                                                                                                                                                                                  Величина
обратная 
 называется
тепловой инерцией тела.
 называется
тепловой инерцией тела.       
            Критерий подобия
Фурье – мера тепловой насыщенности тела; характеризует нестационарность
процесса. Чем больше тем ближе стенка к полному
прогреванию.
тем 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
гидродинамического слоя;  толщина
температурного 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;
ускорение
свободного падения;  характерный размер;
характерный размер;  кинематическая вязкость;
кинематическая вязкость;
        характерная
плотность, где
характерная
плотность, где  коэффициент теплового
расширения;
коэффициент теплового
расширения;     
        разность
температур, обусловливающих движение.
разность
температур, обусловливающих движение.
Критерий Грасгоффа – частный вид критерия Архимеда для тепловой гравитационной (свободной) конвекции:

Критерий Галилея:

Критерий турбулентности:

где  пульсационная
скорость.
пульсационная
скорость.
Критерий С. С. Кутателадзе, который вводят при фазовых переходах:

где  теплота
фазового перехода.
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 конвекции;  теплота за счет
теплопроводности.
теплота за счет
теплопроводности.
            Если  то конвекции нет, только
тепловодность.
 то конвекции нет, только
тепловодность. 
            Получим искомое
решение в безразмерном виде:  где
 где  локальное число Нуссельта;
локальное число Нуссельта;  безразмерная координата.
безразмерная координата.
            Введём
понятия критерия Стантона  и локального
коэффициента сопротивления трению
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
то  справедливо
только для пластины.
справедливо
только для пластины.                                                                                                     
            Важный
вывод: механизм переноса импульса и тепла один и тот же. Если известен St,
то можно определить  и наоборот.
 и наоборот. 
Критерий подобия Эккерта, который связан с выделением тепла при адиабатическом сжатии:

где разность температур тела и потока.
разность 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.