化工应用数学 4第四章 量纲分析PPT.ppt

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1、第四章 量纲分析,任课老师：程道建 副教授 E-mail: ,1.单位和量纲,单位：度量同一物理量的大小。 如长度有 m、cm、mm， 时间有 h、min、s。,量纲（因次）：物理量的种类。 如长度用L，时间T,质量M，无论量的大小都用同一符号表示。,量纲分析,基本量纲：相互独立的量纲，相互之间不能导出，而其它量的量纲可由基本量导出。一般取长度L、时间T、质量 M、温度,导出量纲：其它物理量的量纲可由基本量纲导出，例如速度量纲 ，面积 ， 压强 ,单位、量纲、基本量纲、导出量纲举例,任何物理量都有量纲，基本量纲用大写字母表示，如下表 表 1 基本量纲 每个基本量纲都有一个基本单位，该基本单位与

2、单位制有关。下表为两种主要单位制 表 2 国际单位制和英制单位,去年考题：写出任意5个基本单位及量纲,为了便于描述物理量，复合单位应运而生，例如 和 。下表列出了常用前缀 表 3 复合单位的前缀 最后一种单位是导出单位。它是基本单位的衍生物并具有特定的名称。如下表 表 4 导出单位与量纲,单位、量纲、基本量纲、导出量纲举例,去年考题：推导五个导出单位及量纲,例子. 钟摆的量纲分析 下面用量纲分析的方法得到钟摆运动的数学描述(钟摆模型如右图) 表 5 钟摆参数 希望利用小钟摆模并由物理参数预测摆动周期。我们假设有下方程的形式 的函数 (4) 或 (5) 由之前讲到的两条基本规则可知，上面函数的每

3、一项必须为时间量纲。这就意味着式(5)应该和质量无关，因为没有能消除质量量纲的互补项！这样，函数简化为 (6),如果长度 出现在式(6)中，则必须用 除 以消除长度量纲，即 (7) 也就是说，如果长度出现在式(6)中，那么必然以 的形式出现。这样式(6)变为 (8) 又 (9) 且， 是无量纲的，因此 (10) 上式中量纲不能为函数 提供任何信息。接下来，我们只需要测定不同 和 时钟摆的行为了，而不需要去花费时间考虑质量的影响。这说明量纲分析缩短了实验的进程。而且，对实验数据的分析时，我们有理由相信可在固定摆幅的情况下将 对 作图，这说明量纲分析简化了数据分析过程。通过实验测定发现，当摆幅较小

4、时( ),周期与摆幅无关，也就是说 和 之间为线性关系，斜率为 。因此，任何摆钟运动由以下简单的函数形式 (11),2.量纲分析法,量纲分析法是将物理现象所涉及的物理量组成无量纲综合量。利用 定理使无量纲综合量构成函数关系，该关系式反映了物理量之间的内在规律，并使自变量的个数减到最少。,无量纲综合量：由n个物理量组合成的无量纲数称之。用 表示。例如：,表示无量纲综合量，解出有理数m可得 项。,白金汉定理：设某个物理现象与n个物理量有关 q1,q2,qn，这n个物理量的函数关系为F(q1,q2,qn)=0。若这n个物理量的基本量纲为m个，则这n个物理量可组成（n-m）个无量纲数1, 2, n-m

5、，这些无量纲数也存在函数关系 F(1, 2, n-m)=0。,去年考题：无因次数群推导（2题，25分）,例子. 步行的量纲分析 由于人的构造是相似的，因此应当可以根据一些物理参数用量纲分析的方法预测人的速度。通过分析，下标列出一些可能与人的步行速度相关的物理量 表 6 步行参数 现在用量纲分析来指导步行数据的测量和分析。先回想一下钟摆的分析思路： 以上的分析过程简单直观，但是只是针对此类简单问题。下面介绍一种通用方法无量纲分析法。 把式(11)写成 (12) 上式就是一个无量纲的式子。,一个无量纲的项称为 数群。现在要寻找一个能够描述步行的 数群。如下 (13) 式中 是待定参数。式(13)的

6、量纲表达式为 (14) 由于 必须是无量纲的，所以有 (15) 从上式可知，质量对步行过程无贡献( )。上式剩2个方程4个未知数，有无穷的组合能满足方程。因此必须指定一些情况。引入白金汉 定律： (16) 因此，在此例中 。为了确定这2个无因次数群，还需以下规则,无因次数群数目( ) = 参数个数 - 量纲数目(方程数目),对于每个 数群，必须选择一个“核心变量”,核心变量是指出现在一个 数群中的参数。它是一个无因次数群的核心。我们的目的是: 寻找一个用无因次数群表示的函数形式。如 (17) 现在， 和 这两个 数群。这两个数群分别以速度和步长为核心变量。 : 该无因次数群包含 而不包含 。因

7、此 的指数项必须为0，即 。任选一数作为 的指数( )。故得 (18) 所以 (19) 上式的平方就是该数群的传统形式(弗劳数 )，且取该数群的平方不会影响分析结果。我们采用传统形式，即 (20),：该无因次数群包含 而不包含 。同上面的分析有 和 。故得 (21) 所以 (22) 我们决定，将含步长的无因次数群作为含速度无因次数群的函数(反过来也一样): (23) (24) 对上式的解释: 对比步长是对比速度的函数。也就是说，平方按 进行了比例缩放，步长按腿长进行了比例缩放。通过这些缩放(动态比例缩放)，使得所有步行者都满足式(24)普适关联式。也就是说，按照同样方法缩放步长，则一个8in与

8、一个6in的人，他们的步行可能是动态相似的。 对比步长与对比速度之间的确定关系不能从量纲分析中得到，这需要实验的测定以及数据分析。例如，做 的关于 的图。 步行者的弗劳常数越大，则步行速度就越快。,例：不可压粘性流体在水平直管中作定常运动，其压力损失 与下列因素有关 ， 试用 定理确定 的规律。,1）由题意假定函数关系式：,2）写出无量纲方程：,取基本量纲为长度L、时间T质量 M由 定理可知，可写出(n-m)=4 个无量纲量,即无量纲方程为,3）取独立变量,选直径 d、速度 V、密度为独立变量,独立变量的量纲分别为：,其它几个变量的量纲为：,4）写出量纲方程,利用量纲和谐原理，方程两边量纲应相

9、等,解得：,令：,同理：,令：,解得：,同理,5）组成无量纲函数关系式,达西公式,考试题目举例,量纲分析设计工具 无因次数群之间的相互关系即设计工具。前面介绍到的对比步长与 的关系对于机器人是一种设计工具。根据量纲分析开发设计工具的过程如下图: 无因次数群之间的关联式很多，我们没必要记住所有的关联式，而重要的是，要知道如何应用动态相似原理来建立新的设计工具。,例子1 固体球在流体中运动的量纲分析 现在将量纲分析应用于另一种现象:球的终端速度。 例如： a. 水中淤泥的沉降。泥水澄清需要多长时间。 b. 空气中的灰尘。公司烟囱的灰尘会落在自己公司的地界上、附近城镇，还是落入海中？核冬天能持续多久

10、？ c. 在流体中拖动一个球需要什么力？ 在这些例子中，颗粒要么太小，要么终端速度太慢(核冬天预计可持续 ), 这样直接测量实际过程是不现实的。所以，考虑对一个方便可测的系统进行测定，并利用量纲分析将实验结果缩放到我们感兴趣但又无法进行实验的实际过程。 确定球在流体中的物理参数。通过分析得到如下参数表： 表 7 球在流体中运动的有关参数 备注1：球的密度归结到浮力当中了，流体的质量归结到流体密度当中了。 备注2：黏度量纲的计算： 剪应力/面积,现在确定这些无因次数群，任何数群都具有一般形式 (25) (26) 同样有， (27) 根据白金汉 定律: 。需要选定3个核心变量。选择核心变量的原则：

11、 a. 我们想知道什么？因变量是速度。 b. 在实验中，我们打算改变哪些参数? 通过分析可以选出3个核心变量，但此例中选择传统的核心变量，即， ， 和 。下面来推导 数群。,: 包含 ,但不包含另外两个核心变量。同理有 ， 和 。 故有 (28) 所以 (29) 即，浮力按照流体密度进行了缩放，不妨称为对比浮力。 :包含 ,但不包含另外两个核心变量。同理有 ， 和 。故有 (30) 所以 (31),所以 (32) 上式的倒数即是弗劳德数 。上式取倒数不会影响分析结果，而且取倒数便于与类似的系统进行分析比较，所以式(32)采用其倒数形式 惯性力/重力 (33) ：数群包含 ，但不包含另两个核心变

12、量。同理有 ， 和 。故有 (34) 所以， (35) 取上式的倒数并不会影响分析结果，上式变为 (36),式(36)也许是最著名的无因次数群雷诺数 。与上面的弗劳德数一样，雷诺数也可以表示为两个力之比 惯性力/黏性力 (37) 到这里之后，量纲分析不能给我们带来更多的东西了。现在需要通过实验测定和数据分析才能得出对比浮力、弗劳德数和雷诺数之间的关系。 下面直接给出相关结果: a. 当 时，球体在流体中处于层流区域，函数形式为: (斯托克斯定律) (38) b. 当 时，球体在流体中处于过渡流区域，函数形式为: (39) c. 当 时，球体在流体中处于湍流区域，函数形式为: (牛顿阻力定律)

13、(40),如何运用式(38)-(40)解决实际问题呢？ 例：要计算直径1微米的固体颗粒在50千米的高空下落到地面时所用的时间t。且 假设，该系统处在层流区域，即 。则用式(38)来计算，即用斯科托斯定律 来计算，这里直接给出速度结果 (41) 所以 (42) 现在计算雷诺数，可知 ，因此可以应用斯科托斯定律。,例子2 动态放大阿拉斯加管线 前面实例，都是先通过量纲分析，然后实验，最终得出函数关系式，用函数关系式外推到量纲相似的一些现象。如果我们不想得到具体的函数关系，还可以采用什么方法来分析呢？ 我们可以通过模型体系上的一次实验来预测该实际体系在“这些特定条件”的行为，“这些特定条件”就是动态

14、相似原理告诉我们的“模型体系与实际体系无因次数群的大小必须相等”。 现在，我们来考察阿拉斯加输油管线的一台泵， 如右图所示。假定每1000m安装一个泵，希望其流率 为 。问每台泵必须提供多大压力?即 (43) 如果建立一个全尺寸的模型来测定压力降是不现实的。我们来搭建一个模型装置，仅在模型装置上做一次实验。我们令模型系统与阿拉斯加管线系统的无因次数群值相等，这样，两个系统就是动态相似的。以下是步骤： a. 导出管内流体流动的无因次数群； b. 令实际系统和模型系统的无因次数群相等。,步骤(a1): 通过分析，我们得到以下参数表 表 8 管内流体流动的参数 步骤(a2): 写出无因次数群的通式

15、(44) (45) 所以 (46),步骤(a3):根据白金汉 定律: 。需要选定3个核心变量。 步骤(a4): 选择与3个 数群对应的3个核心变量 我们要求的一个参数。 这是可以调节的一个参数。 这是流体的一种性质。 正如前面介绍的一样，选择一套适合的核心变量是有章可循的。 规则1：系统的所有量纲必须体现在核心变量中 规则2：核心变量之间不能形成一个无因次数群 步骤(a5):导出 数群 :包含 而不包含其他两核心变量。从而有 (47) 解得 (48),上式即欧拉数 ，它是化学工程中的一个常用数群。 摩擦力/惯性力 (49) :包含 而不包含其他的两个核心变量，从而有 (50) 解得 (51)

16、:包含 而不含其他的两个核心变量，从而有 (52),解得 (53) 上式的倒数就是雷诺数的变形。 惯性力/黏性力 (54) 的大小表征了流体流动的特征。 雷诺数和直接导出的式(53)一样都可以作为第三个无因次数群。为了方便起见，就用雷诺数作为第三个无因次数群。 现在，设计一个模型系统来预测实际系统的特性。为此这两个系统中无因次数群的大小必须相同，即 (55) 这就是动态相似性。,去年考题：量纲分析设计（1题，15分）,现在设计一个室内操作的模型装置系统。 通过适当大小的玻璃管内水的流动过程来模拟阿拉斯加管线的实际情况。先将流率转化为SI制。 (56) 现在计算平均流速。 (57) 所以平均流速

17、为 (58) 该系统的参数见下表 表 9 管内流体流动的参数,如何来计算玻璃管长和水的流速呢？令无因次数群相等。由 来计算 。 (59) 利用 来计算 (60) 和 都是合理的。如果其中一个结果不合理，可以选用其它的流体或不同的管径。,现在，通过模型装置系统来测定 。在该系统中，应有多大体积流？ (61) 靠调节模型装置的阀门来达到指定流率(此例中式达到式(61)指定的流率)。再在距离3m的玻璃管上钻两个孔，并按上垂直管，通过测量两垂直管中水柱的高度差来测定模型系统的压力降。本例中高度差为2.9cm，转换为SI单位有 (62) 现在使用欧拉数来求得实际系统中的压力降 (63) 由上可知，实际体

18、系的压力降可以从模型上的一次实验结果得到。然而，并没有得到函数关系。因此，如果实际系统任一参数发生了变化，就必须做一次新的实验才行。,例子3 流体在管内流动 上节导出了流体在管内流动的三个 数群： 摩擦力/惯性力 (64) 对比长度 (65) 惯性力/黏性力 (66) 对于实际管道，还需要另外一个参数，即管粗糙度。粗糙度是管道材料的一种固有性质。玻璃管比水泥排水管更光滑。管内污垢的积累也会形成粗糙度。由于粗糙度变化很大，因此没有一种精确的表征方法。描述粗糙度的一个灵敏参数是管壁凸出物的平均高度 。为了更合理的表征粗糙度，应该用管径来归一化，即 。因为，1mm的粗糙度对直径1m的管道无足轻重(

19、)，但对直径1cm的管子( )将是重要的。 在研究球体终端速度时，将两个 数群组合可以形成一个复合的无因次数群摩擦因子 (67),对流体在管内流动的类似分析发现，欧拉数与对比长度也可以组合出一个称作摩擦因子的无因次数群。范宁摩擦因子由下式给出 (68) 在高雷诺数区域，粗糙度使摩擦因子增加，该区域是湍流。,例子4 流体在管内流动传热 在前面的很多过程设计中已经包含换热气装置了，换热器的一般形式如下图 热换器一般都是“管壳”式的。经过分析，考察流体在管内流动传热过程需要的参数包括前面介绍到的表(8)描述管内流体流动的参数，同时应包括有关传热有关的参数 表 10 管内流体流动的传热参数,下面来简单

20、解释上表各参数。正如密度差是球体在流体中升降的推动力一样，温差是传热的推动力一样，温差是传热的推动力。热容是流体吸收热量的能力；温度升高是由于吸收能量造成的。导热系数是能量的传递系数，或传热阻力的倒数；导热系数高意味着传热阻力小。类似地，球体在流体中运动的阻力是流体的黏度。通常将传热速率 与温差和管的表面积结合起来得到传热系数 : (69) 根据这些参数，我们可以得到4个无因次数群，其中3个为 雷诺数=惯性力/黏性力 (70) 斯坦顿数=传热的热量/热容量 (71) 普朗特数=动量/热通量 (72) 第4个无因次数群包含压力降。然而实验表明，第4个无因次数群是多余的。,雷诺数表示流体流动的动力

21、学，斯坦顿数表示热量流动的动力学，普朗特数表征了流动过程中被加热物质的性质。 给定3个无因次数群后，就可以作图。例如，我们可取 (流体类型)为参量，将 (传热动力学)对 (流体流动动力学)作图。通过作图进行数据分析，这样就能分析出这3个无因次数群的函数关系。这里就不再赘述了。,例子5 气体压缩因子 前面已经将量纲分析应用于换热器设备。量纲分析还能应用于一些基本系统，例如纯气体物质。理想气体模型(如高温低压气体模型)已经被熟知，它服从理想气体定律。如果要扩展到理想气体范围之外，就需要测量特定气体的性质，然后作图分析，建立相关模型。但如果没有实验数据，该怎么做才能建立非理想气体模型？是否所有气体的

22、行为都能用一条通用曲线表示呢？ 量纲分析提供了建立气体通用曲线的基础。 通过分析理想气体和非理想气体的差别，我们得到以下气体参数 表 11 气体参数 如何知道参数已经足够了呢？在测定这些参数的时候，如果所有的数据点都落在同一曲线上，就说明参数已经足够了。,现在来推导无因次数群。这里直接写出 数群的通式 (73) 所以有 (74) 根据白金汉 定理可知， 。也就是说有两个 数群。但是我们可以发现， 上方程组实际只有3个独立方程(方程组中的第1和第3个方程相同)。所以， 。 所以需要三个核心变量。,3个核心变量的合理选法有很多种，然而，描述气体的标准无因次数群有 对比温度 (75) 对比压力 (7

23、6) 压缩因子 (77) 压缩因子是一个反映气体理想程度的指标。通常以 为参数将 对 作图。如果气体是理想气体， 。对 。因此，在很高的温度下，应该有如下图所示关系。,当温度较低时，就会出现非理想性。在高压时，由于摩尔体积的限制， ， 因此 。在低压时，由于分子间作用使得 ，因此 。通过一系列测定 与分析，我们预测低温时等温线的一般形式如下图所示。 中等压力和高压的情况，这里就不列举了。,量纲分析小结 量纲分析具有以下优点： a. 揭示参数的相对缩放规律。我们发现，如果钟摆的摆长加倍，周期减少 倍。如果球的直径加倍，在低雷诺数时，其终端速度也扩大1倍。 b. 优化实验研究。在有些情况下，量纲分

24、析能够指出一些参数是不相干的。钟摆的周期与摆的质量无关，步行的速度也与质量无关。 c. 优化分析。对我们研究过的每个体系钟摆、步行、球体在流动中运动，原本需要好多变量才能描述的复杂现象被简化为少数几个无因次数群间的函数关系。在步行分析中，参数 和 简化为 。在分析球体的终端速度时，6个参数 浮力， 和 被简化为3个 数群之间的关系 (78) d. 揭示现象的不同特征。在弗劳德数约为2.55时，四足运动的跑动类型从小跑变为飞奔。流体绕球体流动的类型有3个不同的区域：层流，湍流和过渡流，并可用雷诺数来表征。 e. 应用方便。化学工程中有几百种不同的现象。当描述一种现象的方程表示成无因次数群形式时，该方程可以简化为8个微分方程之一。其优点明显：方程已经被解出来了，而量纲相似揭示出物理过程的相似性。例如，热传导过程在数学上与扩散传质过程是相似的。,