人们通过观察发现,在实际的流动中,流场的特征不止和流动通道的形状有关,还和尺寸以及流速等有很大的关系。比如,同样是绕圆柱的流动,当尺寸或流速不同时,流动结构呈现出很大的不同。下面的视频1到视频3显示了这种差别。
也就是说,仅仅是几何相似并不能保证流动是相似的,因此发展了流动相似理论,这个理论主要是从实验中发展而来的。有一些实验不可能在真实环境中进行,有一些实验虽然可以模拟真实的环境,但要耗费大量的人力和财力,还有一些实验,真实环境下很难测得详细的流动信息, 这些时候通常要用到模型实验。有些模型实验与真实情况甚至看起来完全不同,但只要分析得当,抓住所研究问题的实质,反而可以研究得更透彻。
例如,人类早期的飞行尝试,一开始都是直接就想模仿鸟类或昆虫的运动方式飞上天,但都失败了,后来成功的飞机设计都离不开大量的模型实验。一开始,人们主要关注飞机的动力和外形,认为只要形状相似的东西飞行原理就相同,现在我们知道尺度也有重要的影响。完全模仿一只蜜蜂,将其放大上千倍做成的飞行器是不可能成功的,因为两者的雷诺数差异很大,蜜蜂翅膀上的层流放大之后变成了湍流,整个流动结构都不同了。所以科幻电影中蜜蜂受了核辐射长到比人大好多到处捣乱的场景是不会出现的,因为它真的长到那么大,就只能在地上费力爬行了(当然这个问题中另一个重要影响是升力重量比)。
鱼的身体是较为完美的流线型,仿照鱼的身体做成的物体在水中的流阻很低,在空气中低速运动时流阻也很低。但如果让这个物体在空气中超声速运动,则鱼形就完全不合适了。第二次世界大战后期的亚声速飞机翼型几乎已经达到了极致,这些飞机的机动性非常完美,有些直到今天还在用作特技飞行。但在人类想要突破声速的时候,这些气动性能优异的亚声速翼型的阻力就太大了,反而采用明显非流线形的菱形机翼可以实现较大的升力和较小的阻力。
大风吹过电线会发出呜呜的声音,原因是电线后面会产生按某种频率脱落的旋涡,即卡门涡街。这个呜呜声的主要频率就是卡门涡街脱落的频率。但大风吹过较粗的圆柱,比如大烟囱时,却几乎不会发出声音。即使两种流动的雷诺数相同,大的圆柱仍然不会发出人耳可以听到的声音。显然这其中还有别的影响因素,使大圆柱的涡脱落频率与小圆柱的不同。
上面讲的例子实际上分别从粘性、压缩性和非定常性三个方面讨论了流动的相似性。要想让一种模型流动能代表原型流动,就需要让这两种流动相似。本质上说,流体运动是符合牛顿定律和热力学定律的,只要控制方程中的各种影响因素相似,流动就应该相似。我们知道控制流动的方程是连续方程、动量方程和能量方程加上边界条件,因此影响因素也应该从这些方程中寻找。多数时候,某一种或几种因素占主导地位,其他因素的影响可以忽略。例如,对于定常、不可压、忽略体积力、绝能流动而言,流动状态基本上由雷诺数决定。