斯特勞哈爾相似準則相關(guān)研究

在研究水工建筑物振動問題時，應(yīng)考慮水流與彈性結(jié)構(gòu)的相互作用，即水彈性振動問題。水流激振的主要振源有兩種：一是水流脈動：二是水流非恒定性。激振的原因不同，研究方法和模型設(shè)計也不同。

研究無自由液面的水流系統(tǒng)中水力激振問題時，模型和原型中的柯西數(shù)必須相等；激振力是時間的函數(shù)，因此又必須滿足斯特勞哈爾數(shù)相等。對有自由液面的水流同時要滿足弗勞德數(shù)和柯西數(shù)相等。如果模型中流體是水，密度比為1，則應(yīng)選擇彈性系數(shù)很小的特種模型材料。

根據(jù)斯特勞哈爾相似準則，模型和原型的斯特勞哈爾數(shù)( St)相等。St=fL/u，其中u為速度；L為特征長度；f為頻率.

理論上，任意一個流動由控制該流動的基本微分方程和相應(yīng)的定解條件唯一確定。兩個相似的流動現(xiàn)象，為了保證它們遵循相同的客觀規(guī)律，其微分方程就應(yīng)該相同，這是同類流動的通解；此外，要求得某一具體流動的特解，還要求其單值條件也必須相似。這些單值性條件包括：

（1）初始條件，指非定常流動問題中開始時刻的流速、壓力等物理量的分布；對于定常流動不需要這一條件。

（2）邊界條件，指所研究系統(tǒng)的邊界上（如進口、出口及壁面處等）的流速、壓力等物理量的分布。

（3）幾何條件，指系統(tǒng)表面的幾何形狀、位置及表面粗糙度等。

（4）物理條件，指系統(tǒng)內(nèi)流體的種類及物性，如密度、粘性等。

因此，如果兩個流動相似，則作為單值性條件相似，作用在這兩個系統(tǒng)上的慣性力與其它各力的比例應(yīng)對應(yīng)相等。在流體力學(xué)問題中，若存在上述所有這六種力，而且滿足動力相似，則必須使下列各力間的比例對應(yīng)相等。

慣性力與壓力（或壓差）之比： Fi/Fp

慣性力與重力之比： Fi/fg

慣性力與摩擦力之比： Fi/Fv

慣性力與彈性力之比：Fi/Fe

慣性力與表面張力之比：Fi/Ft

上述五式式分別引入了五個無量綱數(shù)，它們依次是：

1）歐拉數(shù)Eu=2Δp/(ρ·V^2)，例如以后經(jīng)常用到的表示物體表面壓力分布的壓強系數(shù)，以及升力系數(shù)和阻力系數(shù)等。物理上，歐拉數(shù)表征了慣性力與壓強梯度間的量級之比。

2）弗勞德數(shù)Fr=V/sqrt (l·g)，物理上，弗勞德數(shù)表征了慣性力與重力間的量級之比，是一個表征流速高低的無量綱量。

3）雷諾數(shù)Re=Vl/υ,物理上，雷諾數(shù)表征了相似流動中慣性力與粘性力間的量級之比，流動的Re數(shù)小，表示與慣性力的量級相比，粘性摩擦力的量級要大得多，因此可以忽略慣性力的作用；反之,Re數(shù)大則表示慣性力起主要作用，因此可以當(dāng)作無粘流體處理。

4）馬赫數(shù)Ma=V/c,物理上，馬赫數(shù)表征了慣性力與彈性力間的量級之比，是氣體可壓縮性的度量，通常用來表示飛行器的飛行速度或者氣流的流動速度。

5）韋伯?dāng)?shù)We, 物理上，韋伯?dāng)?shù)表征了慣性力與表面張力間的量級之比。

可以看出，Eu、Fr、Re、Ma和We都是無量綱數(shù)，在相似理論中稱作相似準則或者相似判據(jù)，它們是判斷兩個現(xiàn)象是否相似的依據(jù)。因而，彼此相似的現(xiàn)象，其同名相似準則的數(shù)值一定相等。反之，如果兩個流動的單值條件相似，而且由單值條件組成的同名相似準則的數(shù)值相等，則這兩個現(xiàn)象一定相似。

設(shè)流體密度為，彈性系數(shù)為E，截面積為A，體積為V，壓強增加

彈性力，彈性力比尺為

根據(jù)動力相似的必要條件，可得模型的比尺為

時間比尺(3)

流速比尺(4)

若模型和原型的流體相同，則式（3）和式（4）可寫為（5），（6）

從式(4)可導(dǎo)出彈性力相似準則為(7)，（8）

式中，Ca為柯西數(shù)；p、m為下標,分別代表原型和模型 。

當(dāng)進行彈性力為主的模型試驗時，動力相似的條件是必須保持模型和原型的柯西數(shù)相等 。