流体力学中常用的无量纲数

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Reynold数

雷诺数[1]定义为:

流体力学中常用的无量纲数的图1

式中,ρ为流体密度;U为流动速度;L为特征长度;ρ为动力粘度。

雷诺数表示为流体对流(惯性)与扩散(粘滞)动量通量的相对重要性。则如图所示,雷诺数可用于表征流动状态(层流、过渡流或湍流)。

流体力学中常用的无量纲数的图2

Grashof数

格拉晓夫数定义为:

流体力学中常用的无量纲数的图3

式中,g为重力加速度;β为热膨胀系数;ΔΤ为温差;L为特征长度;γ为运动粘度。

格拉晓夫数表示浮力与粘性力之比。该参数在自然对流中起着与雷诺数在强制对流中同样的作用。下图中描述了一个Grashof数影响的示例。


Prandtl数

普朗特数定义为动量扩散与热扩散的比值:

流体力学中常用的无量纲数的图4

式中,μ为动力粘度;Cp为等压比热容;k为热导率;γ为运动粘度;α为热扩散系数,α=k/(ρCp)。

Pr>1,热边界层在流动边界层内部;Pr<1,热边界层在流动边界层外部;Pr=1,热边界层与流动边界层重合。

流体力学中常用的无量纲数的图5

热边界层与流动边界层


Peclet数

Peclet数[2]定义为物理量的对流输运速率与扩散输运速率之比

对于涉及传热的问题,Peclet数定义为:

流体力学中常用的无量纲数的图6

此时,Peclet数为雷诺数与普朗特数的乘积。

对于质量输运问题,Peclet数定义为:

流体力学中常用的无量纲数的图7

式中,D为质量扩散率,Sc为Schmidt数,此时Peclet数等于雷诺数与Schmidt数的乘积。

较大的Peclet数表明流动对下游位置的依赖性较低,对上游位置的依赖性较高。因此对于Peclet数较高的情况,可以采用较为简单的计算模型进行模拟,如CFD中广泛采用的迎风格式非常适合于大Peclet数条件下。


Schmidt数

施密特数[3]定义为:

流体力学中常用的无量纲数的图8

式中,γ为运动粘度;D为质量扩散率。

传质中的施密特数与传热中的普朗特数类似,其表示动量扩散率(γ)与质量扩散率(D)的比值。


Nusselt数

努塞尔数[4]定义为:

流体力学中常用的无量纲数的图9

式中,h为对流换热系数;k为热导率;L为特征长度。


Mach数

马赫数[5]定义为运动速度与当地声速的比值:

流体力学中常用的无量纲数的图10

式中,|V|为流体的速度值;α为声速。

声速可通过下式进行计算:

流体力学中常用的无量纲数的图11

对于理想气体,声速计算方式可表示为:

流体力学中常用的无量纲数的图12

式中,γ为绝热指数,定压比热容与定容比热容的比值;R为普适气体常数。

当马赫数小于0.2通常认为流体不可压缩;M<1为亚音速,M=1为音速,1<M<5为超音速,M>5为高超音速。从亚音速加速到超音速的流动称为跨音速流动。


Echert数

埃克特数[6]表示流动动能与边界层焓差之间的关系,用于表征散热。

流体力学中常用的无量纲数的图13

式中,ΔΤ为特征温差。

大的埃克特数表示高粘性耗散,对于小的埃克特数(Ec<<1),可以忽略能量方程中的一些项(如粘性耗散,体积力等)


Froude数

弗劳德数[7](Fr)表征惯性力与重力的相对大小。

流体力学中常用的无量纲数的图14

Fr数用于度量部分浸没的物体在流体中的阻力,较高的Fr值表示较高的流体阻力。


Weber数

韦伯数[8](We)表征惯性力与表面张力的相对大小。

流体力学中常用的无量纲数的图15

式中,σ为表面张力系数。

流体力学中常用的无量纲数的图16

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