Коэффициенты подобия
После исследований, выполненных на модели, необходимо перенести полученные данные на натурный объект, что и является конечной целью моделирования. При физическом моделировании это можно сделать достаточно надежно лишь в том случае, если есть уверенность, что явления в натуре и на модели подобны.
Физическое подобие явлений заключается в подобии полей соответствующих физических параметров двух систем (натуры и модели), как в пространстве, так и во времени, т. е. в пропорциональности, характеризующих их сходственных параметров. В частности, механическое подобие двух потоков жидкости предполагает наличие геометрического, кинематического и динамического подобия.
Естественно потоки считать механически подобными, если геометрические, кинематические и динамические величины, характеризующие натурный поток, могут быть получены из соответствующих величин модельного потока, взятых в сходственных точках и в сходственные моменты времени, простым умножением на постоянные множители, называемые коэффициентами подобия (масштабами).
|
|
Геометрическое подобие заключается в том, что сходственные линейные элементы натурного и модельного объектов находятся в одинаковом соотношении:
lм/lн=m, (7-1)
где 1н - длина линейного элемента в натуре; 1 м - длина сходственного модельного элемента; т - геометрический масштаб (коэффициент геометрического подобия).
Очевидно, сходственные площади ωн и ωм находятся в соотношении
(7.2)
а отношение сходственных объемов соответственно равно
Vн/Vм = mv = m3. (7.3)
При обеспечении геометрического подобия углы между двумя сходственными направлениями (βн и βм одинаковы: βн = βм, β =idem (idem - значит «одно и то же»).
Кинематическое подобие заключается в подобии полей скоростей и ускорений натуры и модели, которое выполняется, если скорости uн и им и ускорения jн и jм в сходственных точках натуры и модели находятся в одинаковых соотношениях, т. е. существует масштаб скоростей тu и масштаб ускорений mj, т. е.
uн / им = тu =const; jн /jм= mj= const.
Масштабы скорости и ускорений связаны с геометрическим масштабом. Действительно, так как сходственные расстояния натурные и модельные частицы проходят за сходственные отрезки времени tн и tм, то существует и масштаб времени:
tн / tм =mt= const. (7.4)
Но натурная и модельная скорости выражаются через сходственные отрезки пути и времени
uн=lн/tн и uм=lм/tм,
откуда
тu = uн / им = lн/ tм /(lм/ tн) =mmt-1.(7.5)
Аналогичным путем получим для масштаба ускорений
mj= jн/jм = mmj -2. (7.6)
Таким образом, кинематическое подобие возможно лишь при обеспечении геометрического подобия.
|
|
Динамическое подобие состоит в подобии многоугольников сил, действующих на сходственные частицы (имеющие сходственные массы Мн и Мм).
Так как
Fн = Мн jн,= ρнVнjн, аFм= Мм jм=ρмVмjм, то
mF = Fн/Fм,= ρнVнjн /(ρмVмjм)= трт3тj= mpm3m/mt2 = трт2 тu 2 = const. (7.7)
Полученное соотношение называется законом динамического подобия Ньютона в коэффициентах подобия.
Из полученного выражения следует, что для обеспечения динамического подобия требуется выполнить условия геометрического и кинематического подобия и что основными масштабами являются масштабы длины, силы и времени. Эти условия являются необходимыми. Как правило, они и достаточны, однако доказательство их достаточности затруднено разнообразием начальных и граничных условий, которые на практике выполняются лишь с некоторой степенью приближения.