什么是可压缩流动?他和不可压缩流动的关系为什么居然和相对论的尺缩一样?
2012-02-13 10:32阅读:
空气动力学里面有个近似算法,可压缩流动经过一个变换可以变成
不可压缩流动,这样计算量就大大减小,其变换的因子是(1-M^2)^(1/2) ;照这么看,M<0.3的时候,
这个变换和不变换的误差小于0.05,于是有相对流速的流场和流速近似为零的流场相差不多,所以都可以看作不可压缩流动.
这里说的不是什么人工压缩性,这里说的是物理上实在的介质性质.这是空气动力学的基本概念,所谓人工压缩性,是在不可压流的有限差分算法里面添加一些人工附加项,把它叫做人工压缩性,和这里的压缩性是两码事情!
这里的压缩性质的状态方程密度变化所带来的压缩性, P=rho g R
T, 来流速度变化会引驻点位置以及加速区域的压力变化,从而改变了整个流场形态,这里的压缩性是指这一方面.
对于搞不可压缩流动比较困难的是那个空气动力学里面的可压缩流动的速度势方程,
它和不可压缩流动的拉普拉斯方程唯一不一样的地方,就是在X方向的导数项多了一个(1-M^2)的系数,这个系数说明了,密度不变化的流动和密度变化流动的区别关键之点在于马赫数变化,高速流动的声音波动传播方程也有这个系数的区别.
所有的流动,速度再小,也有一个不为零的马赫数,但是马赫数小到什么程度才算区别很小以至可以忽略呢?
从这个方程的系数来分析,马赫数小于0.3,方程误差小于5%,在现在的技术水平和工程需要来看,就可以算成就看不出结果的区别来了,所以马赫数小于0.3的流动也可以称为不可压缩流动.
以后计算发展了,没准这个不可压缩流范围的定义还会变,就和附面层边界原
来定义为和主流相差5%,现在改成了1%.一样,教科书也会变的.
可压缩和不可压缩流动如何通过一个变换得到互相对应的结果,这是以前工程师必须掌握的基本功,现在似乎不那么要求了。
详细请见上海交通大学 航空航天学院 本科空气动力学教材:
第6章+亚音速翼型和机翼的气动特性(2)
飞行器空气动力学
http://wenku.baidu.com/view/698e680cf12d2af90242e676.html
上面的分析是基于空气动力学得到的,对于水流动来说,尽管水的状态方程和气体有区别,但是压力高密度大这一点关系大致是存在的,水声速是很高的,1400m/s,所以水流动速度和喷管里面的水介质声速来比较,一般都十分低下,一般情况下可以看成不可压缩流动。
比如高速水射流中,类似水刀这样的设备,高压射水流,用来切割钢板之类的喷口,它按照的压力分300MP的,还是500MP的两种型号,
300MP的压力的,喷口流速可以调到400M/S的速度。这比水中声速1400m/s小得多,300MPa的时候还不算可压缩流动,可以看成不可压缩流动,
而500MP的压力喷口流速可以调到600M/S的速度?水流的速度要和水声速1400m/s来比较相对就比较大了,所以和喷管里面的水介质声速来比较,到500MP就可以算作可压缩流动了
要说明的是,水的可压缩性探讨和空气还是有区别的,所以对于空气小于声速0.3倍的约定仅仅是个粗略的说法,数值计算,对于水,会有些变化,可以不拘泥这些,都按照可压缩处理,反正不会错!所以迈克尔孙莫雷实验在一百年前由洛伦兹来解释的时候,就拿出来一个和可压缩的声音信号传播规律相同的方程,但是他不知道这是因为介质的可压缩性所导致,而是解释成空间的缩短,一块石头走得越快就变得越短,结果遭到当时科学界反对,洛伦兹不知道用流体,用空气动力学来辩护,死不瞑目啊!