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非连续介质效应

/discontinuous medium effect/
条目作者姚朝晖

姚朝晖

最后更新 2024-12-05
浏览 168
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稀薄效应中的一种。

英文名称
discontinuous medium effect
所属学科
力学

从分子动理论观点来看,流体的宏观参数都是大量分子运动时分子运动行为概率的宏观表现,因此宏观参数直接与分子运动的行为有关。而分子运动的行为,除了分子本身的移动和转动之外,还有分子之间的碰撞、分子与壁面之间的碰撞。根据分子动理论,分子行为的表现中就包含了碰撞项和非碰撞项两部分。碰撞项直接与分子平均自由程及宏观特征尺度有关,即与数有关。因此数就成为判断稀薄效应影响大小的一个标志参数。当,流体可作为连续介质。而当数增大时,稀薄效应变得更加重要,连续介质假设不再成立,基于连续介质假设的流动和热量传递模型不能够预测压降、剪应力、热通量以及相应的质量流量,流动呈现非连续介质效应,如壁面上出现速度滑移和温度跳跃,流动中出现反扩散和热蠕动等现象。

通常情况下处理气体的流动都是采用连续介质模型,用平常的测量仪器观察到的气体的性质是连续和光滑的,因而连续假设是自然的。但是在气体密度十分低或者是物体十分微小的情况下,气体的间断粒子效应就会变得显著起来。一般用数来判断流体是否适合连续介质假设。根据数的大小,可以将流动分成4个区域,(在微纳尺度流动中常用10-2)称连续流区,流体可假设为连续流体;称滑移流区,可以用有滑移边界条件的纳维-斯托克斯方程描述流体;称过渡流区;为自由分子流区。在内径0.6微米~6纳米的微纳通道中,称过渡流区;在内径小于6纳米的石墨烯纳米管中,其,流动将处于自由分子流区。当时,间断分子效应即出现,连续介质模型不复正确,要用粒子描述方法。

的滑移流区域,流体的流动会显现出与一般流动稍有不同的现象,这主要表现在边界附近,出现速度在边界的滑移和温度跳跃。在这一流域,一般流体动力学的方程仍然有效,或可借助查普曼-恩斯科格展开的高阶项得到比纳维-斯托克斯方程更为高阶的方程,但对边界条件要做一些改变。在的自由分子流区,气体分子与物体表面的碰撞占主导地位。当分子平均自由程比宏观特征尺度大很多时,由物体反射的分子只有在飞离物体很远以后才与其他分子碰撞,分子来流的速度分布函数不受物体存在的影响,是已知的平衡的麦克斯韦分布,来流对于物体的动量和能量作用容易计算出来,当然要得到完全的解要对分子在表面的反射规律作一定假设。在的过渡流域,分子与表面的碰撞和来流中分子的互相碰撞有着同等的重要性,这时分析变得困难,要借助玻尔兹曼方法、直接模拟蒙特卡罗法或分子气体动力学的方法。

  • 沈青.稀薄气体动力学.北京:国防工业出版社,2003.

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