流体力学各无量纲数定义(2)

2019-03-09 14:49

其中 = 较重流体的密度 = 较轻流体的密度

应用

不论在研究和重力、惯性力有关的瑞利泰勒不稳定性或是和激波有关的Richtmyer-Meshkov 不稳定性(Richtmyer–Meshkov instability),阿特伍德数都是其中的重要参数。 在瑞利泰勒不稳定性中,较重流体泡泡穿透较轻流体的距离是时间的函数其中g是重力加速度而t是时间。 [1],参考资料 1. ^ Glimm, J., Grove, J. W., Li, X.-L., Oh, W., and Sharp, D. H., A critical

analysis of Rayleigh–Taylor growth rates, J. Comput. Phys., 169, 652-677 (2001).

毕奥数是热传学中的无因次数,以法国物理学家让-巴蒂斯特·毕奥的名字命名。 热量传递中,毕奥数指传热阻力与对流阻力之比,决定固体温度的一致性,计算式为:

其中,

? ? ?

为膜系数或传热系数或热对流系数 为特征长度

为固体的热导率

质量传递中,毕奥数指扩散阻力与反应阻力之比,决定固体浓度的一致性,计算式为:

其中,

?

为膜传质系数

? ?

为特征长度

为固体的质量扩散率

Damk?hler数(Da)为一无量纲标量,用于描述同一系统中化学反应相比其它现象的相对时间尺度,其命名是为纪念德国化学家 Gerhard Damk?hler(1908–1944)。 根据系统的不同,Damk?hler数有不同的定义。 对于一个n阶反应来说,Da通常定义为:

其物理意义为无量纲反应时间,其中:

? k : 化学动力学常数 ? C0 : 初始浓度 ? n : 反应阶数 ? t : 时间

对于连续或半连续反应器中,Damk?hler数的通常定义为:

在连续反应器中,Da为

其中 为残留时间 或 空间时间。

在包含界面传质的反应系统中,Damk?hler数(DaII)的定义为:化学反应速率与传质速率之比,即:

其中:

: 总传质系数

?

? :界面面积

底波拉数是流变学中的一个无量纲量,用来描述材料在特定条件下的流动性。底波拉数最早是由以色列理工学院的教授马库斯·莱纳(英语:Markus Reiner)所提出,其名称是因为圣经士师记 5:5中,士师底波拉的歌中的一句

The mountains flowed before the Lord

底波拉数是假设在时间足够的条件下,即使是最坚硬的物体(例如山)也会流动。因此流动特性不是一个材料本身的固有属性,而是一种相对属性,此相对属性和二个有本质上完全不同的特征时间有关。

底波拉数定义为驰豫时间及观测时间尺度的比值。驰豫时间表示一材料反应施力或形变时所需要的时间,观测时间尺度是指探索材料反应的实验(或电脑模拟)的时间尺度。底波拉数中整合了材料的弹性及粘滞度。若底波拉数越小,材料特性越接近流体,其运动越接近牛顿粘性流。若底波拉数越大,材料特性主要以弹性为主,底波拉数非常高时,材料特性接近固体[1] [2]。 其方程式为:

其中

? tc是指应力的驰豫时间(有时称为马克士威驰豫时间) ? tp是指观测的时间尺度

欧拉数是流体力学的一个无量纲量,表示局部压强损失和单位体积动能之间的比例,常用来描述一流场损失的特性,一个理想的无滞性流其欧拉数为1。 欧拉数的定义如下

表示

? ? ?

为流体的密度。 为压强差。 为流体的特征速度。

福禄数(Froude number,Fr)为流体力学中无量纲的标量,为惯性力和重力效应之比,公式如下:

式中U为流体速度,L为物体特征长度,g为重力加速度。

明渠流和波浪力学中都常用到福禄数。在明渠流中,长度L为水深 h。在波浪力学中,福禄数代表平均流速与重力波(Gravity wave)的波速之比。

? 当Fr > 1,表示惯性力对流动之影响较重力为大,称为超临界流(Supercritical

flow),为水深小,流速急湍的流况。

? 当Fr < 1为亚临界流(Subcritical flow),为流速缓慢,水深大的流况。 ? 当Fr = 1为临界流(Critical flow)。

格拉晓夫数(Grashof number,Gr)为一无量纲的标量,常用在流体力学及热传导中。格拉晓夫数可以视为流体浮力与粘性力的比值,是研究自然对流时重要的参数。格拉晓夫数的命名是源自德国工程师Franz Grashof。

(垂直表面)

(pipe)

(bluff bodies)

其中下标的L及D表示格拉晓夫数参考长度的来源。 g = 重力加速度

β = volumetric thermal expansion coefficient (若是理想流体,可近似为绝对温度 T 的倒数 1/T) Ts = 表面温度 T∞ = 环境温度 L = 长度 D = 直径 ν = 动粘度

Kc数(Keulegan–Carpenter number)是一个无量纲数,用来描述一个在振荡流场中的物体,所受到的阻力相对惯性力之间的关系,也可可以用在一物体在静止流体中振荡的情形。Kc数小表示惯性力的影响比阻力要大,Kc数大表示(紊流)阻力的影响较大。 Kc数的定义如下[1]

其中

? V为流速振荡的振幅(若是物体振荡的情形,则为物体速度的振幅) ? T为振荡的周期

? L为物体的特征长度,若物体为一圆柱,其特征长度为其直径。

在探讨海浪对沉积物运移(英语:sediment transport)的影响时,会使用另一个相关的位移参数δ(displacement parameter)[1]来表示:

其中

?

A为在振荡流场中流体粒子的偏移幅度,若流场以弦波运动,A可以用V和T表示A = VT/(2π),则

若将纳维-斯托克斯方程的加速度项进行尺度分析(英语:scale analysis (mathematics)),也可以找到Kc数:

?

对流加速度:

?

局部加速度:

将以上二式相除即可得到Kc数。


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