自由分子区内的非球形颗粒曳力计算

作     者：常心泉 张克学 王军 夏国栋 Chang Xinquan;Zhang Kexue;Wang Jun;Xia Guodong

作者机构：北京工业大学机械与能源工程学院北京100124 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2024年第56卷第5期

页      面：1251-1260页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主　　题：非球形颗粒 曳力 自由分子区 气体动理论 

摘      要：基于气体动理论方法,推导得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式,并针对球形颗粒、圆柱体颗粒、椭球体颗粒和圆锥体颗粒等几种常见的非球形颗粒,得到其所受曳力的具体解析计算式.该模型适用于气体分子与颗粒表面仅发生一次碰撞的凸面体,假设气体分子与颗粒间的相互作用符合Maxwell镜面反射-漫反射模型,计算气体分子与颗粒碰撞过程中的微元动量传递,进而在颗粒表面积分得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式.计算结果表明,颗粒所受曳力与其自身的几何形状和在流场中的取向有关.但是,基于非球形颗粒得到的计算式较为复杂,不便于实际应用.考虑到在自由分子区内,当外势场较弱时,颗粒的高速布朗旋转运动会使其取向分布近似为均匀的随机分布,文章推导得到了不同形状颗粒在均向分布下所受均向曳力的计算式,结果表明非球形颗粒所受均向曳力正比于颗粒表面积,且比例系数与颗粒形状无关.此算法避免了求解具体非球形颗粒受力计算的繁琐计算过程,更便于实际应用.