模型试验与量测技术

1. 模型试验与量测技术 第二章　因次分析与π定理

2. 第一节　物理量的因次、量度单位和因次式 研究任一物理现象，都不可避免地要研究这一种物理现象中变化着的各个物理量以及这些物理量之间的量值关系。 表征一物理量，除了有量的数值外，还有量的种类（或类别），如长度、时间、质量、力等，人们把表征物理量的种类通称为“因次”（Dimension）或称为“量纲”。 度量各物理量数值大小的标准，称为单位。这些单位系人为确定。目前世界上大多数国家（包括我国）已统一采用国际单位制 。

3. 第一节　物理量的因次、量度单位和因次式 物理量可分为两大类：一类是有因次的，如长度、时间、速度、加速度、质量、力等，这类物理量要以人为的单位来表示，其数值大小随着单位的更换而改变；另一类是无因次的，如坡度、佛汝德数、雷诺数等，这些量是一个纯数或比值，其数值大小不受量度单位更换的影响。 物理量的因次也可分为两大类：一类是基本因次，它们彼此是相互独立的，即它们中的任何一个因次不能从其它基本因次推导出来。 力学上通常选择长度（以[L]表示）、时间（以[T]表示）和质量（以[M]表示）作为基本因次，显然它们是相互独立的。它们中任一个不能从另外二个推导出来 （例如[L]不可能由[M]、[T]来组成）。

4. 第一节　物理量的因次、量度单位和因次式 另一类因次称为导出因次，这类因次可由基本因次推导出来，例如速度因次[V]就可由所选定的基本因次推导出来，因为速度是表示单位时间内质点的位移，即: 若选择[M、L、T]为基本因次，则速度因次可表示为： [V]=[L]/[T]=[LT-1] 加速度的因次为：[a]=[V]/[T]=[LT-2] 力的因次为： [F]=[M][a]=[M LT-2] 可见某一物理量的因次总可以由基本因次推导出来，而且是基本因次幂指数的乘积，即： (2-1) 该式称为因式关系式。

5. 第一节　物理量的因次、量度单位和因次式 证明式： 令ｘ1，ｘ2，ｘ3 为具有因次的基本物理量，ｙ代表任一物理量，它是基本物理量ｘ1，ｘ2，ｘ3的函数，即： ｙ＝ｆ（ｘ1，ｘ2，ｘ3） 　　　 如有两个同名物理量，它们可表示为： ｙ1＝ｆ（ｘ11，ｘ21，ｘ31） ｙ2＝ｆ（ｘ12，ｘ22，ｘ32）…….. （过程略）其结果是：ｆ＝k1ｘα1，同理：

6. 第一节　物理量的因次、量度单位和因次式 • ｙ＝ｆ（ｘ1，ｘ2，ｘ3）＝kｘα1ｘβ2ｘγ3（2－12） 式中：k，α，β，γ都是常数。 这样可以写出该物理量的因次关系式： [ｙ]＝[ｘ1]α[ｘ2]β[ｘ3]γ （2－13） 若基本量ｘ1取为质量,其因次为[M]；ｘ2取为长度，因次为[L]； ｘ3取为时间，因次为[T]。则某一物理量的导出因次： [ｙ]＝[M]α [L]β [T]γ （2－14）

7. 第一节　物理量的因次、量度单位和因次式 物理量ｙ的性质可由指数αβγ来反映，如均为0，则y为一次无因次纯数，指数αβγ中有一个不等于0，就可以说ｙ是一个有因次的物理量。 1 如 为一几何学量 2 如 为一运动学量 3 如 为一动力学量 如面积是由两个长度的乘积组成的，则它们的因次为长度因次的平方,[A]=[L2]或写成[A]=[M0L2T0]。 流速因次为[V]= [LT-1] = [M0LT-1]；力的因次为： [F]=[M][a]=[M LT-2]。

8. 第一节　物理量的因次、量度单位和因次式 如动力粘滞系数μ，由牛顿内摩擦定律知 详见表2－1 物理量 有因次量 无因次量 基本量 导出量

9. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 一、因次和谐原理 凡是正确反映某一物理现象变化规律的完整的物理方程，其各项因次都必须是一致的，这称为因次和谐原理。 因次和谐原理的重要性是： 利用方程因次和谐特征，可以探求物理方程的结构形式，检验复杂方程式的正确性，还可以用来导出模型试验中必须遵循的相似准则。因此，这一原理是因次分析的重要依据。

10. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 一、因次和谐原理 1. 一个物理方程式在因次上是和谐的，则方程的文字结构形式不随量度单位的更换而变化。因此因次和谐原理可以用以检验新建方程式或经验公式的正确性和完整性。 2.用因次和谐原理确定物理方程中各物理量的指数。

11. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 一、因次和谐原理 用因次和谐原理可以证明 即质量为M,沿半径为R的圆周运动关系式的正确性 ： 左侧 [F]=[M LT-2] 右侧 显然左侧与右侧的因次相同，即可证得：

12. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 一、因次和谐原理 又如管流中层流流量公式： 由因次和谐原理来确定指数 n。选择基本因次[M，L，T]，由表2－1： 代入上式得： 整理后 由因次和谐原理，n-1=3,求得n=4，

13. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 一、因次和谐原理 3.用因次和谐原理建立某些物理方程。 实际工程中有许多自然现象，直至目前仍尚未找出具体形式的物理方程。通过观察和试验等只知道有哪些物理量参与作用，那幺，利用因次和谐原理往往可以确定方程式的结构模式。 仍从上例，水平圆管中层流流量，通过试验知道它与圆管半径、单位管长的压差以及流体的动力粘制系数等因素有关，即 。 假设：

14. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 一、因次和谐原理 其因次式为： 根据因次和谐原理，方程两侧同类因次的指数必须相同，即： 联解上列3式得： 写成函数关系式为 从而有

15. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 一、因次和谐原理 所得结果与前例完全相同。其中，k为无因次系数，由试验结果分析得： 于是圆管中层流流量公式为： 这与理论分析结果一致。

16. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 由因次和用因次和谐原理，可以得到： 1 、自然界中某一物理现象的变化规律，可以用一个完整的物理方程来描述； 2 、一个完整的物理方程式必须符合因次和谐原理； 3 、一个完整的物理方程式其文字结构不随人为确定的量度单位的更换而改变； 4 、 因次和谐的条件是方程式中各个变量的基本因次的指数在方程式两侧彼此相等。

17. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 因次分析方法就是建立在上述结论基础上，是用于探求物理现象的函数关系式的一种数学分析方法。 因次分析方法有二种： 瑞利（Rayleigh）法——适用于解决较简单问题 π定理——应用普遍 瑞利方法的实质是应用因次和谐原理来建立物理现象的函数关系。

18. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 例： 一弦长为L的单摆,摆端有质量为的摆球，要求用瑞利法求单摆的摆动周期t的表达式。 根据单摆现象观测，周期t与弦长l、摆球质量m为及重力加速度g有关，即： 用幂指数乘积来表示这一函数关系，即： 式中： 为待定常数。将上式写成因次式得：

19. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 选择 为基本因次，根据因次和谐原理，则上式可写成： 根据因次和谐： 联立求得上列3式求解得：

20. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 由单摆试验得到 常数等于2π，则单摆周期的表达式为： 这与理论分析结果完全相同（建议多看例子）。

21. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 由上述例子可总结出应用瑞利因次分析法探求物理方程式的步骤如下： 1、 找出物理过程的参变量，建立函数关系式（一般采用幂指数乘积形式）； 2 、写出函数的因次关系式； 3、 选定3个基本因次（一般为：M ,L,T ），按选定的基本因次整理、归并得出函数的因次关系式；

22. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 4、根据因次和谐原理列出因次和谐方程，联立求解出各参变量指数值； 5、将解得的指数值回代到原假定的函数关系式，并加以整理、化简； 6、通过模型试验或现场观测，验证所得的函数表达式的完整性和正确性，并确定表达式中的待定系数或指数，最后获得描述该物理现象的完整的表达式。

23. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 用瑞利因次分析法建立物理现象的函数表达式，最大的优点就是简单易行，但有一定局限性： 1、只能假定物理方程式的模式是参变量幂指数的乘积； 2 、所建立的方程式正确与否，很大程度取决于参变量的选择是否正确、完整； 3 、方程式中的待定系数或某些指数，一般需由模型试验或理论分析（比较简单的物理过程）求得； 4 、只有当参变量不大于3个时，方能求解由3个基本因次构成的因次和谐方程组，求得不大于3个的待定指数，从而建立方程序的具体形式。

24. 第二节 因次和谐原理和因次分析方法 二、 因次分析方法 换言之，当待求的物理方程中包含的参变量大于3个时，瑞利法就无能为力了。 这时需采用因次分析的普遍方法——π定理（又称Backingham定理），找出复合无因次项，方能建立完整的物理方程式。

25. 第三节 π定理及其应用 一、π定理的基本概念 π定理的全部含意： 某一物理进程，若有ｎ个物理量参与作用，基本有ｍ个具有因次独立的基本物理量，则经过处理，这一物理过程可由包含ｎ-ｍ个由物理量组成的无因次准数π的函数关系式来表示。例如用质量ｍ，长度l，时间t三个基本物理量，不管怎样组合均不可能组成一个无因次量。 x1, x2 ,x3——是基本量，则它们是因次独立的，故上列因次中的指数行列式不等于零。 证明过程见书P40。

26. 第三节 π定理及其应用 二、π定理在因次分析中的应用 例1 利用π定理建立圆球的粘滞力公式 设影响圆球在流体中运动(或流体绕圆球运动)时引起的粘滞阻力FD 与流体的密度ρ，动力粘滞系数μ，球体与流体的相对速度以及表征球体的特征面积A有关。于是粘滞阻力的函数关系式可写成： 上式可改写成：

27. 第三节 π定理及其应用 二、π定理在因次分析中的应用 上式共5个变量，选择d 、 V、ρ作为基本变量： 基本因次的指数行列式为 故所选的基本量是因次独立的，根据π定理可得：

28. 第三节 π定理及其应用 二、π定理在因次分析中的应用

29. 第三节 π定理及其应用 二、π定理在因次分析中的应用

30. 第三节 π定理及其应用 二、π定理在因次分析中的应用 例2 利用π定理确定粘性流体在光滑圆管中均匀流动的阻力损失公式。 设流体在圆管中流进l距离的压降为 ，它的大小与管长l，管径d，平均流速v，流体的密度 及动力粘滞系数 有关，即： （2-49） 上式共6个变量，选择 作为基本变量,根据π定理，可得： （2-50）

31. 第三节 π定理及其应用 二、π定理在因次分析中的应用 （2-51） （2-52） （2-53）

32. 第三节 π定理及其应用

33. 第三节 π定理及其应用 由以上推导可知π定理的涵义： 1、π定理的主要理论依据是一个完整的物理方程式必须遵循因次和谐原理。 2 、包含有n个变量参与作用的某一物理现象，可用一个由(n-m)个无因次项组成的函数关系式来表达，其中m为n个参变量中具有因次独立的基本参变量( )； 3 、基本参变量可任意从全部参变量中选择，它们必须是因次独立的(因次中的指数行列式不等于零)，而且它们包含的基本因次应能包括n个参变量中所有基本因次。

34. 第三节 π定理及其应用 • 4、 每一个无因次π项均可由m个基本量指数乘积与某一个变量的商或积组合而成，组合的要求是各个基本量的指数得到合理的确定，最终使所得的各个π项均为无因次量。 • 5 、某些无因次物理量，本身也可作为π项。 • 6 、各个π项的自乘及它们之间相互乘除其物理意义不变。因而在组合π项时，用于和基本量指数乘积或相除的某一个变量，其指数可以任意选择。