那些年遇到的無量綱數

  • 雷諾數(Re)
  • 努塞爾數(Nu)
  • 普朗特數(Pr)
  • 畢渥數(Bi)
  • 傅里葉數(Fo)
  • 馬赫數(Ma)

01— 雷諾數(Re)


英國物理學家老雷(雷諾)進行了大量的實驗,并在1883年發表的報告中提出:自然界的流體流動有兩種不同的流態,低速下為層流,流速增大后,流體流動過度為湍流(紊流);在層流下流體的流動是有規則有秩序的,在湍流情況下,流體的運動是雜亂無章的。雷諾在大量實驗的基礎上,用所有影響流動狀態因素的一個無因次組合數(雷諾數),來判斷流動是層流還是湍流,定義為:
那些年遇到的無量綱數的圖1

那些年遇到的無量綱數的圖2

其中,ρ為流體密度,v為流體速度,l為特征長度,μ為動力粘度,υ為運動粘度

在工程實際中,一般當Re≤2000,認為管內的流動為層流;當Re>2000時,認為管內流動為湍流。

雷諾數實際上表征的是:慣性力和粘性力之比。當雷諾數較小時,流場中粘性力起主導作用,慣性力起次要作用;當雷諾數較大時,流場中慣性力起主導作用,粘性力起次要作用。

02— 努塞爾數(Nu)

努塞爾數(Nusselt number),以德國物理學家威廉·努塞爾特(Wilhelm Nusselt)的名字命名,以紀念其對此方面研究的突破。努賽爾數的物理意義為是表示對流換熱強烈程度的一個無量綱數。
那些年遇到的無量綱數的圖3

那些年遇到的無量綱數的圖4

其中,h為流體的對流傳熱系數,l為傳熱面的幾何特征長度,k為流體的導熱系數。

03— 普朗特數(Pr)


普朗特數是流體力學中表征流體流動中動量交換與熱交換相對重要性的一個無量綱參數,表明溫度邊界層和流動邊界層的關系,反映流體物理性質對對流傳熱過程的影響。記為Pr。

那些年遇到的無量綱數的圖5

那些年遇到的無量綱數的圖6υ為運動粘度,α為熱擴散系數,μ為動力粘度,c_ρ為比熱容,k為導熱系數。

當幾何尺寸和流速一定時,流體粘度大,流動邊界層厚度也大;流體導溫系數大,溫度傳遞速度快,溫度邊界層厚度發展得快,使溫度邊界層厚度增加。因此,普朗特數的大小可直接用來衡量兩種邊界層厚度的比值。

04—畢渥數(Bi)


表征固體內部單位導熱面積上的導熱熱阻(內部熱阻)與單位面積上的換熱熱阻(即外部熱阻)之比。

那些年遇到的無量綱數的圖7

那些年遇到的無量綱數的圖8б是特征長度,h是表面傳熱系數,λ是導熱系數。

Bi數越小,意味著內熱阻越小或外熱阻越大;Bi越大,意味著內熱阻越大或外熱阻越小。

05— 傅里葉數(Fo)


傅里葉數可以理解為兩個時間間隔相除所得的無量綱時間。

那些年遇到的無量綱數的圖9

τ是從邊界上開始發生熱擾動的時刻起到所計算時刻為止的時間間隔,分母可以視為使邊界上發生的有限大小的熱擾動穿過一定厚度的固體擴散到l_c的面積上所需的時間。因此,Fo數可以看成是表征非穩態過程進行深度的無量綱時間。在非穩態導熱過程中,這一無量綱時間越大,熱擾動就越深入的傳播到物體內部,因而物體內各點的溫度越接近周圍介質的溫度。

06—馬赫數(Ma)


流體力學中表征流體可壓縮程度的一個無量綱參數,記為Ma,定義為流場中某點的速度 v同該點的當地聲速c之比,

那些年遇到的無量綱數的圖10

亞聲速不可壓縮流:M<0.3

亞聲速可壓縮流:0.3≤M≤0.8

跨聲速流:0.8≤M≤1.2

超聲速流:1.2≤M≤5

高超聲速流:M≥5

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注:以上內容來自傳熱學、流體力學及百度百科等。

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