格拉晓夫数
流体动力学和热传递中的无量纲数
格拉晓夫数(Gr)是流体动力学和热传递中的无量纲数,其近似于作用在流体上的浮力与粘性力的比率。 在研究涉及自然对流的情况下经常出现,类似于雷诺数。 它被认为是以弗朗茨·格拉斯霍夫(Franz Grashof)命名的。 虽然这个术语组合已经被使用,但直到1921年,Franz Grashof去世后的28年,才被命名。
简介
格拉晓夫数(Gr)是流体动力学和热传递中的无量纲数,其近似于作用在流体上的浮力与粘性力的比率。 在研究涉及自然对流的情况下经常出现,类似于雷诺数。 它被认为是以弗朗茨·格拉斯霍夫(Franz Grashof)命名的。 虽然这个术语组合已经被使用,但直到1921年,Franz Grashof去世后的28年,才被命名。 格拉晓夫数(又称升浮力数或格拉霍夫准数)。
其公式为:
其中是体积变化系数,对于理想气体即等于绝对温度的倒数,g是重力加速度,L是特征尺度,Δt为温差,分母是运动黏度的平方。
推导
推导格拉晓夫数的第一步是对体积展开系数进行如下操作:
应该注意的是,上述等式中的v表示特定的体积,与此推导的后续部分中的 v不同,后者将表示速度。 体积膨胀系数的关于流体密度的部分关系,给定恒压,可以重写为
其中,是体积流体密度;是边界层密度。
,表示边界层与散装液体之间的温差。
从这里可以找到格拉晓夫数的两种不同的方式。 一个涉及能量方程,而另一个包含由于边界层和体液之间的密度差而引起的浮力。
能量方程
涉及能量方程的这个讨论是关于旋转对称流动的。 该分析将考虑重力加速度对流动和热传递的影响。 要遵循的数学方程既适用于旋转对称流动又适用于二维平面流动。
其中,
s是旋转方向,即平行于表面的方向
u是切向速度,即平行于表面的速度
y是平面方向,即垂直于表面的方向
v是正常速度,即垂直于表面的速度
是半径。
在该方程中,上标n是区分来自平面流的旋转对称流。 这个方程的以下特征成立。
n = 1:旋转对称流
n = 0:平面,二维流
g是重力加速度
随着物理流体性质的增加,该方程式扩展到以下内容:
从这里我们可以通过将体积流体速度设置为0(u = 0)来进一步简化动量方程。
该关系表明压力梯度仅仅是体积流体密度和重力加速度的乘积。 下一步是将压力梯度插入动量方程。
动量方程的进一步简化来自于体积膨胀系数,密度关系和运动粘度关系,进入动量方程。
从这一点来找到格拉晓夫数,前面的方程必须是非维数的。 这意味着方程式中的每个变量都应该没有维度,而应该是与几何形状和问题设置的比率特征。 这是通过将每个变量除以相应的恒定量来完成的。 长度除以特征长度。 速度被适当的参考速度 V除以,考虑到雷诺数,给出。 温度除以相应的温差()。 这些无量纲参数如下所示:
表示无量纲参数。 将这些无量纲方程与动量方程组合得出以下简化方程:
其中,
是表面温度
是体积流体温度
是特征长度
上述方程中括号中的无量纲参数称为格拉晓夫数:
白金汉姆定理
将导致格拉晓夫数的另一种形式的维度分析称为白金汉姆定理。由于边界层和体积流体中的密度差异,该方法考虑了每单位体积的浮力力。
通过整理该方程式得出:
参考白金汉姆定理,有9 - 5 = 4个无量纲的群体。 选择L,,k,g和作为参考变量。 因此,得到如下方程:
通过和,我们得到格拉晓夫数:
在强制对流中,雷诺数控制流体流动。但是,在自然对流中,格拉晓夫数是控制流体流动的无量纲参数。使用能量方程和浮力与尺寸分析相结合,提供了两种不同的方法来推导格拉晓夫数。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 13:52
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