【流体力学微教材】相似性原理

流体力学实验，一般分为实物实验和模型试验两大类。，各种原型观测实验)不会发生模型和环境模拟失真问题，一直是最后鉴定实物流动特性和观测流场的手段，但实验费用昂贵，实验条件难以控制。而模型试验采用与真实物体几何相似的模型，在人工控制的条件下进行。为使模型试验结果能够应用于实际情况，须使绕模型和绕实物两种流动相似。这样，它们的无量纲流体动力特性才会相同。这就要求在所有相似点上作用于体积元上的同类力具有相同的比值。在流体动力试验中，这些无量纲数的比值称为相似参数。相似参数很多，如马赫数、雷诺数、弗汝德数等。在一项模型试验中，要使所有参数都与真实物体完全相等是难以做到的。但就一项具体的模型试验而言，各相似参数所起的作用有主次之分，要根据试验的目的、要求等具体情况确定需要模拟的相似参数。

为了建立缩比模型试验和实物实验的相似性关系，早在1851年英国力学家与数学家斯托克斯，在几何相似和运动相似的条件下，首先从微分方程组出发提出了动力相似性理论，后来1873年德国科学家亥姆霍兹进一步论证了这一理论。1892年和1904年，英国物理学家瑞利利用量纲分析方法提出了两个流动相似的动力相似性参数。1914年美国物理学家布金汉（E.Buckingham，1867～1940年），基于量纲分析法提出著名的π定理，为相似性试验奠定了坚实的理论基础。1870年弗汝德按水流重力相似准则进行了船舶模型试验。1885年.英国物理学家雷诺利用重力相似准则进行了河口潮汐模型试验，1898年恩格斯（H.Engels）在德国建立了世界上第一座水工试验室，并进行了河道模型试验。

英国力学家与数学家斯托克斯

(George Gabriel Stokes，1819～1903年)

德国流体力学家亥姆霍茲

（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz，1821～1894年）

英国物理学家瑞利（Rayleigh，1842～1919年）

美国物理学家布金汉（E.Buckingham，1867～1940年）

英国流体力学家弗汝德（William Froude，1810年～1879年)

英国物理学家雷诺(Osborne Reynolds 1842年～1912年）

世界上公认的第一座风洞是由英国工程师韦纳姆(F.H.Wenhan，1824～1908年)于1871年建成，并测量了物体与空气相对运动受到的阻力。该风洞是一座两端开口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，长3.05米。该风洞用蒸汽机带动风扇高速旋转，产生了时速达65千米的气流，用来设计合理的飞机。风洞实验的结果使人们惊讶发现：高速气流掠过机翼时，可以产生数倍于机翼自身重量的升力，这一发现坚定了人们制造飞机的信念。利用风洞试验研究飞机的造型，标志着人类向往飞行的创造活动由冒险走向科学。后来1901年9月，美国发明家威尔伯·莱特Wilbur Wright和奥维尔·莱特Orville Wright 兄弟俩，自己动手设计了一个小型风洞，以精确测量气流在机翼上产生的升力以及控制板偏转时使飞机转向的力，获得了设计飞机最重要的数据。该风洞试验段截面尺寸为40.6厘米×40.6厘米，长1.8米，气流速度为12米/秒。1902年俄罗斯空气动力学家茹可夫斯基在莫斯科大学建造了一座直径2英尺的风洞。

美国飞机发明家莱特兄弟

（威尔伯·莱特，Wilbur Wright，1867～1912年，左图）和奥维尔·莱特（Orville Wright，1871～1948年）

尼古拉·叶戈罗维奇·茹科夫斯基俄罗斯科学家

（1847年1月17日～1921年3月）

美国发明家威尔伯·莱特WilburWright （1867～1912年，右）和奥维尔·莱特OrvilleWright （1871～1948年，左）兄弟。