單粒子在流體中的受力分析

1、論文單粒子在流體中的受力分析系別：化學(xué)與材料工程系班級：無機(jī)非（2）姓名：談文鵬學(xué)號：0903032002單粒子在流體中的受力分析流體中的粒子通常會(huì)受到重力、浮力、曳力、壓力和梯度力、虛擬質(zhì)量力、Basset力、Magnus力、Saffman力、熱泳力等作用。盡管作用在粒子上的力相當(dāng)復(fù)雜，但一般情況下僅需要考慮其中影響較為顯著的作用力。如在氣-固兩相流動(dòng)中，由于氣體的密度通常遠(yuǎn)小于粒子的密度，與粒子本身慣性相比，浮力、壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力等均很小，可以忽略不計(jì)。在以上所有的兩相間的相互作用力中，曳力相對而言是最重要的力，它是兩相間的相對流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等起到著很十分重要的作用，不能忽略。下面

2、分析單個(gè)粒子在無界流場中所受到曳力。1.流體對運(yùn)動(dòng)粒子的阻力所受阻力是流體對運(yùn)動(dòng)粒子的粘性力和壓力的合力。靜止粒子在速度為u的均勻流體中受到的作用力等于以速度-u在靜止流體中中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的作用力。對于勻速、等溫、不可壓縮及無限大流場的實(shí)際（粘性）流體，當(dāng)單粒子在流體中運(yùn)動(dòng)且具有相對速度（uf -up）時(shí)，由于流體的粘性，在粒子表面有一粘性附面層。粒子受到的流體阻力可表示成CDA式中連續(xù)相的密度，； 阻力系數(shù)；和分別為流體和粒子的速度，；A粒子沿相對速度方向的投影面積，也叫例子的迎風(fēng)面積，。令 為基于流體速度的顆粒雷諾數(shù)，則習(xí)慣上稱1的情況為斯托克斯區(qū)，1103稱為湍流區(qū)，不同的區(qū)域內(nèi)阻力系數(shù)采

3、用不同的公式來計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)阻力曲線僅是是球形粒子在靜止、等溫和不可壓縮流體中做勻速運(yùn)動(dòng)的條件下通過實(shí)驗(yàn)得到的，并沒有考慮到流體的湍流、稀薄性、可壓縮性、兩相不等溫以及離子表面的粗糙度、粒子旋度、粒子形狀、粒子尾流中的脫體漩渦的非對稱性和靜電力等因素對阻力系數(shù)的影響。2非穩(wěn)定力如果流體中的粒子處于加速運(yùn)動(dòng)的狀況，則流體與粒子之間的相對加速度會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的力。相對加速度產(chǎn)生的力可分成兩部分，即虛擬質(zhì)量力和Basset力。虛擬質(zhì)量力涉及加速粒子周圍的流體所需要得力。Basset力是指隨著相對速度的改變，由于滯后邊界層的存在所產(chǎn)生的力。（1） 虛擬質(zhì)量力虛擬質(zhì)量力與粒子-流體相對加速度相反，其表達(dá)式為對

4、于氣-固兩相流，由于氣體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于粒子密度，所以虛擬質(zhì)量力相對于慣性力來說可以忽略不計(jì)。（2） Basset力由于粒子表面的附面層不穩(wěn)定，使粒子受到一個(gè)隨時(shí)間變化的流體作用力，而且與粒子的加速歷程有關(guān)，其大小為計(jì)算表明，對于氣-固兩相流，因?yàn)闅怏w密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固體密度，因此Basset力通?？梢院雎圆挥?jì)；對于液-固兩相流，由于密度在同一數(shù)量級上，因此必須考慮此力；對于因湍流脈動(dòng)而產(chǎn)生的粒子加速運(yùn)動(dòng)來說，Basset力是非常重要的。3.不均勻流場對粒子的作用力由于流體速度和壓強(qiáng)不均勻性而作用于粒子上的力稱為不均勻流場力，包括壓強(qiáng)梯度力和速度梯度力。（1） 壓強(qiáng)梯度力在有壓強(qiáng)梯度的流動(dòng)中，例如管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于粒子周圍流體局部壓力梯度的的存在，總有壓強(qiáng)的合力作用在粒子上，大小為利用高斯定理得設(shè)粒子容積范圍內(nèi)的壓強(qiáng)梯度p為常量，則粒子受到的壓強(qiáng)梯度力為 可見，該力的大小等于粒子的體積與壓強(qiáng)梯度的模的乘積，方向與壓強(qiáng)梯度相反。（2） 升力（速度梯度力）1、Magnus力Rubinow和Keller（1961）導(dǎo)出的升力適用于數(shù)量級為1的雷諾數(shù)，