理论上来说,要想让两种流动相似,必须要保证几何相似,并且所有无量纲量相等。实际上这基本是不可能的,因为这样的模型就成了原型。用模型代替原型进行实验,关键是要抓住主要影响,而忽略其他次要的影响,体现在无量纲数上就是指保证关键的无量纲数相等就差不多了。下面针对三种具体问题,分析模型试验时需要考虑的无量纲数。
低速不可压缩流动中不需要考虑马赫数的影响,流动的状态主要受雷诺数影响。不可压缩流动的各种特性一般都被描绘成随雷诺数的变化,只要雷诺数相等,通常就可以保证模型实验的结论可以用于真实流动。鉴于雷诺数中有三个独立变量 𝑽,𝑳和 𝝂(𝝂=𝝁/𝝆),模型实验可以有很多种选择。
如果真实的流场太小不易测量(如研究昆虫翅膀的升力问题),实验中就可以用较大的模型代替,适当降低流速来保证雷诺数相等。反之,如果真实的流场太大没法在风洞中实现(如研究摩天大厦所受的气动力),就需要缩小尺寸并增加流速。另外,很多本来属于空气的流动经常会在水洞中进行实验,这时只要保证雷诺数相等,并排除重力影响就差不多了。
上述思想在理论上没有问题,但实现起来却不易做到。例如,一个摩天大楼高400m,受风洞尺寸的限制,实验中用0.4m 高的模型代替的话,为了保证雷诺数相等,则需要风洞中的风速是实际风速的1000 倍。如果实际风速是10m/s,则要求风洞中的风速为10km/s !且不说风洞中能否实现这样的风速,关键是这已经是高超声速流动了,压缩性以及空气物性的变化使得流动完全不相似了。
所以,即使对于不可压缩流动,模型实验的雷诺数也经常与实际流动不相等。那又是如何保证流动相似的呢?
当雷诺数很大的时候,湍流涡粘性占了主导地位,分子粘性几乎可以忽略,因此,只要雷诺数大于一定的值,流动就大概是相似的,这个值就是保证流动为完全发展的湍流的那个值,一般认为是105~107。所以,只要真实流动和模型实验的雷诺数都足够大,就认为他们是相似的,通常把这个雷诺数范围称为自模区。当雷诺数小于2000 的时候,虽然不同的雷诺数对应不同的粘性力影响,但根据层流的理论,可以根据一种雷诺数来推断另一种雷诺数下的流动,因此也不一定需要保证雷诺数相等,只是分析其结果时首先要经过转换。
对于雷诺数处于2000~105范围内的流动是最麻烦的,例如在风洞中吹风研究一个翼型的升力特性,虽然基于弦长的雷诺数一般都很大,但对于边界层来说,前缘附近的当地雷诺数则必然会有处于2000~105范围内的情况。一般来说模型实验的流速较低,基于弦长的雷诺数比真实流动小,转捩位置会比实际翼型靠后,这可能导致模型实验的结论与实际流动完全不符。这时常常采用一种技术──人工转捩。具体来说就是根据实际流动的雷诺数估计出转捩位置(当然也可以通过对实际流动测量得出),然后在模型的相应位置处施加扰动来促使当地的边界层转捩为湍流,例如加一层厚度约为当地边界层排挤厚度的细沙之类的方式。图1表示了缩小尺寸的机翼模型实验中使用人工转捩,从而使在雷诺数不同的条件下保持表面压力分布相似。
对于空气动力学实验来说,压缩性的影响经常是第一位的。尤其是流动达到跨声速和超声速时,流场中可能会出现激波,产生间断面,这种现象在亚声速流动中是无法实现的,无法用低速实验来模拟。
不过,用低速实验来模拟空气中的超声速流动也不是完全不可能。例如,某些时候可以用水面波来模拟激波,做一些定性的波的传播和干涉的研究,但这并不算完全的流动相似。其实在低速下实现有激波的流动也不是没有办法实现,只要采用声速低的流体就好了。美国在第二次世界大战后期曾经做过大量超声速压气机的实验,当时还没有解决高速旋转下叶片的强度和振动等问题,解决办法是采用氟利昂作为工作介质。氟利昂中的声速远小于空气中的声速,因此实现了用低转速模拟高转速的目的。当然今天这种方法已经不现实了,氟利昂由于破坏臭氧层而臭名昭著,连制冷都不再使用了。
对于高亚声速但并不存在激波的流动,马赫数的大小表示了气流的压缩性的作用,低速模型实验得到的诸如升力和阻力等特性与高速下会存在明显的不同。例如,用低速大尺寸模拟高速小尺寸流动,考虑的是雷诺数相等,但如果对应的高速流动的马赫数较高,压缩性不可忽略,则需要做高低速转换。这个问题最早是由普朗特提出的,并且由格劳厄特(Hermann Glauert,1892—1934)系统研究后发表,称为普朗特—格劳厄特转换准则(Prandtl-Glauert transformation rule)。通过这个转换,可以将低速实验下获得的数据转换到高速下。
还有一种方法是重新设计物体形状,使低速下的翼型表面压力系数分布与高速下的相同(也就是保证欧拉数相同)。这样设计出的模型形状与真实的物体形状并不相同,但由于压力分布相同,其结论可以直接应用于高速情况。对于叶轮机的叶片来说,转换到低速下的叶型厚度和弯度将更大,如图2所示。
如果同时采用高低速转换和人工转捩,则模型实验的雷诺数和马赫数都可以与实际流动不同,但欧拉数一定要相同。因为欧拉数代表了压差力与惯性力之比,而多数情况下压差力总是流动的主要驱动力。