Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методическое пособие БТП ред4фин.doc
Скачиваний:
14
Добавлен:
01.04.2025
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

3.3. Исследование механического движения тел

Определим критерии подобия механического движения тел. Пусть на ряд тел действуют силы (F, Fi, …). Требуется из всей совокупности тел выделить, например, шары, имеющие подобие в движении.

Построим математическую модель изучаемого явления. Как известно, движение тел подчиняется второму закону Ньютона –

F = m·(dw/dτ),

где m – масса тела, w – его скорость, τ – время.

Выявим константы подобия –

KF = Fi/F; Km = mi/m; Kw = wi/w; Kτ = τi/τ.

Теперь определим индикаторы подобия. Имеем –

Fi = KF·F; mi = Km·m; wi = Kw·w; τi = Kτ·τ.

Подставим эти равенства в исходное базовое уравнение –

KF·F = (Km·m)·(Kw·dw/Kτ·dτ).

Получено новое уравнение –

KF·F = (Km·Kw/Kτ)·m·(dw/dτ).

Разделим его на базовое

KF = Km·Kw/Kτ.

Отсюда

KF·Kτ/Km·Kw = 1.

Получен один индикатор подобия, значит, в рассматриваемом случае необходим и один критерий подобия. Используя общую методику его определения, имеем –

F·τ/m·w = idem.

3.4. Исследование теплофизических задач с помощью теории подобия

В качестве примера выявим критерии подобия процесса конвективного теплообмена, при котором изучаемое тело нагревается, считая задачу нестационарной и одномерной.

Математическая модель имеет вид –

∂T/∂τ = a·(∂2T/∂x2),

причем, α·(Тв – Тст) = – λ·(∂T/∂x), Т = Тст (смысл параметров см. выше).

Найдем константы подобия –

КТ = Ti/T; Kx = xi/x; КТст = Тстi/Tст; Кτ = τi/τ; Kα = αi/α; Кλ = λi/λ; Ka = ai/a; КТв = Твi/Tв.

Получим индикаторы подобия. Запишем –

Ti = КТ·T; xi = Kx·x; Тстi = KTст·Тст; τi = Кτ·τ; αi = Kα·α; λi = Кλ·λ; ai = Ka·а; Твi = KТв·Тв.

Эти равенства подставим в базовое уравнение

КТ·∂Т/Кτ·∂τ = (Ка·а)·(КТ·∂2Т/Кх2·∂х2).

Отсюда (разделив последнее уравнение на базовое) можно получить

КТ/Кτ = Ка·(КТ/Кх2).

Далее

Кα·α·(КТв·Тв – КТст·Тст) = – Кλ·λ·(КТ·∂Т/Кх·∂х)

и

Кα·КТв = Кα·КТст = Кλ·КТ/Кх.

В итоге индикаторы подобия имеют вид

Кх2/(Кα·Кτ) = 1; КТв/КТст = 1; (Кα·КТст·Кх)/(Кλ·КТ) = 1.

Отсюда можно получить три критерия подобия –

х2/а·τ = idem; Тв/Тст = idem; (α·Тст·х)/(λ·Т) = idem.

Вспомним, что при решении задач теплопроводности расчетные формулы принято записывать, используя безразмерные параметры. Поменяем в полученных равенствах местами числители и знаменатели, принимая во внимание, что по условию Т = Тст. Тогда

a·τ/x2 = idem; Т/Тв = idem; α·х/λ = idem.

Первое из приведенных равенств фактически представляет собой критерий Фурье Fo (безразмерное время процесса), второе – критерий θ (безразмерная температура процесса), а третье – критерий Био Bi (аналог критерия Нуссельта или безразмерного коэффициента теплоотдачи α).

Таким образом, теория подобия на основании математической модели исследуемого процесса позволяет без операций интегрирования и дифференцирования выявить критерии подобия процесса и их количество, что значительно упрощает решение теплофизических задач. Правда, теория подобия не указывает на конкретную аналитическую связь между упомянутыми критериями. Чтобы ее найти, необходима постановка экспериментов на моделях изучаемого процесса. В качестве примера выявления такой связи рассмотрим подробнее исследование процесса конвективного теплообмена.