Рисунок 9.2 - К исследованию силы лобового сопротивления аппарата |
Метод анализа размерностей рассмотрим на примере исследования силы лобового сопротивления аппарата. Процесс получения критериев подобия может быть разделен на следующие этапы.
1) Постановка задачи. Некоторый гидро (аэро)-динамический аппарат с характерным линейным размером d находится в потоке жидкости, движущейся со скоростью w (рис.9.2). Необходимо исследовать силу лобового сопротивления аппарата. Выявляем величины, которые могут повлиять на силу P. Такими величинами, по нашему мнению, помимо скорости и линейного размера, могут быть теплофизические свойства жидкости - плотность r и динамическая вязкость m . Поэтому силу лобового сопротивления будем считать следующей функцией:
P = ¦ (w, d, r, m), (9.10)
т.е. в общем случае это функция 4-х переменных.
2) Запись функции (9.10) со степенями при независимых переменных :
P = ¦ (w a,d b,rc , m e ) (9.11)
3) Составление таблицы размерностей. Введем обозначение независимых единиц измерения:
длины, м - L,
массы, кг - M,
времени, с - T.
Тогда единицы измерения величин в функции (9.10) могут быть представлены следующим образом:
единица силы P - H = - M×L×T-2
скорости w - м/с - L×T-1
длины d - м - L
плотности r - кг/м3 - M×L-3
коэффициента динамической
вязкости m - - M×L-1×T-1
4) Запись функции (9.11) в размерностях:
(9.12)
5) Составление системы уравнений для удовлетворения требования однородности размерности (размерности левой и правой частей функции должны быть равны):
для M: 1= с + е (9.13)
L: 1= a + b - 3 c - e (9.14)
T: -2 = - a - e (9.15)
6) Решения системы уравнений (9.13-9.15). В системе трех уравнений имеется 4 неизвестных. Решить такую систему можно, если принять одно из них, например е, за известное (вообще может и большее количество лишних неизвестных, тогда за известные принимаются два, три и т.д. неизвестных). Решая систему, получаем:
из (9.13) с=1-е ,
из (9.15) а=2-е ,
из (9.14) b=2-е .
7) Записать уравнения (9.11) с найденными значениями системы:
P = f (w2-e , d2-e , r1 - e , me) (9.16)
8) Объединение величин в комплексы. Сначала объединяем величины без буквенных степеней, перемножая их, при этом при перенесении таковых из правой части уравнения в левую изменяем знак степени:
.
Назовем полученный комплекс “коэффициент лобового сопротивления” и обозначим Кл.с. Заметим, что полученное выражение является аналогом критерия Эйлера. Затем объединим величины, имеющие буквенную степень “е” и перемножим их:
.
Полученный комплекс является обратным выражением критерия Рейнольдса.
9) Запись безразмерного (критериального) уравнения
Кл.с. = ¦ (Re). (9.17)
Как видим, вместо пяти размерных величин в исходном размерном уравнении в безразмерном уравнении имеется всего два что соответствует p-теореме Бекингема.
10) Проведение экспериментальных исследований, обработка результатов и получение эмпирических уравнений производится так же, как и 4-й этап метода масштабных преобразований.
Следует отметить, что метод анализа размерности оригинален, прост, но требует от исследователя достаточных знаний, опыта и интуиции при выборе величин, характерных для изучаемого явления.