
【化】 Stokes flow
【化】 stokes
flow; stream; current; stream of water; class; wandering
【计】 stream
【化】 flow coating(process); stream
【医】 current; flow; flumen; flumina; rheo-; stream
斯托克斯流(Stokes Flow),中文又称蠕流(Creeping Flow),是流体力学中描述低雷诺数(Reynolds number)下粘性流体运动的模型。其核心特征是流体惯性力远小于粘性力,运动呈现高度粘滞、缓慢且可逆的特性。以下从定义、数学表达、特性及应用四方面详细说明:
斯托克斯流指雷诺数 ( Re ll 1 ) 的流体运动状态,满足以下条件:
[ Re = frac{rho U L}{mu} ll 1 ]
其中 (rho) 为流体密度,(U) 为特征速度,(L) 为特征长度,(mu) 为动力粘度。此时纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations)简化为斯托克斯方程:
$$
abla p = mu abla mathbf{u}, quad abla cdot mathbf{u} = 0 $$
式中 (p) 为压力,(mathbf{u}) 为速度场。该方程忽略惯性项,仅保留粘性力与压力梯度平衡。
方程线性且时间反演对称,流动路径可逆(如微尺度颗粒运动轨迹可回溯)。
低雷诺数下湍流被抑制,流动呈层流状态。
流体中某点的扰动会以 (1/r) 形式影响远场((r) 为距离),区别于高雷诺数流动的局部性。
细胞在体液中的运动(如精子游动)、微芯片实验室(Lab-on-a-Chip)的流体操控。
纳米颗粒沉降、膜分离过程中的低速过滤行为。
地幔对流、石油在多孔介质中的渗流(达西定律的微观基础)。
Leal, L. G. Advanced Transport Phenomena. Cambridge University Press, 2007. 链接
Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press, 2000. 链接
Purcell, E. M. "Life at Low Reynolds Number." American Journal of Physics, 1977. 链接
中文 | 英文 |
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斯托克斯流 | Stokes Flow |
蠕流 | Creeping Flow |
雷诺数 | Reynolds Number |
纳维-斯托克斯方程 | Navier-Stokes Equations |
斯托克斯流(Stokes flow),又称蠕动流,是一种低雷诺数条件下的不可压缩流体运动现象。以下是其核心特征和解释:
基本定义
斯托克斯流由英国科学家G.G.斯托克斯提出,常见于雷诺数极小的流动场景(如微尺度流动或高黏性流体)。此时惯性力远小于黏性力,黏性效应主导流体行为,惯性项可忽略。
雷诺数的作用
雷诺数(( Re = frac{rho v L}{mu} ))是判断流动状态的关键参数。当 ( Re ll 1 ),流体呈现层流特性,流动方程简化为:
$$
abla p = mu abla mathbf{v} $$ 其中,( p )为压力,( mu )为动力黏度,( mathbf{v} )为速度矢量。
流动特性
典型现象
实验中将颜料加入高黏性液体并旋转,可观察到颜色缓慢扩散且流动路径对称,直观展示黏性主导的流动特性。
总结来看,斯托克斯流揭示了黏性力主导下的流体力学规律,为微观流动研究提供了理论基础。
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