
【化】 Stokes flow
【化】 stokes
flow; stream; current; stream of water; class; wandering
【計】 stream
【化】 flow coating(process); stream
【醫】 current; flow; flumen; flumina; rheo-; stream
斯托克斯流(Stokes Flow),中文又稱蠕流(Creeping Flow),是流體力學中描述低雷諾數(Reynolds number)下粘性流體運動的模型。其核心特征是流體慣性力遠小于粘性力,運動呈現高度粘滞、緩慢且可逆的特性。以下從定義、數學表達、特性及應用四方面詳細說明:
斯托克斯流指雷諾數 ( Re ll 1 ) 的流體運動狀态,滿足以下條件:
[ Re = frac{rho U L}{mu} ll 1 ]
其中 (rho) 為流體密度,(U) 為特征速度,(L) 為特征長度,(mu) 為動力粘度。此時納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations)簡化為斯托克斯方程:
$$
abla p = mu abla mathbf{u}, quad abla cdot mathbf{u} = 0 $$
式中 (p) 為壓力,(mathbf{u}) 為速度場。該方程忽略慣性項,僅保留粘性力與壓力梯度平衡。
方程線性且時間反演對稱,流動路徑可逆(如微尺度顆粒運動軌迹可回溯)。
低雷諾數下湍流被抑制,流動呈層流狀态。
流體中某點的擾動會以 (1/r) 形式影響遠場((r) 為距離),區别于高雷諾數流動的局部性。
細胞在體液中的運動(如精子遊動)、微芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)的流體操控。
納米顆粒沉降、膜分離過程中的低速過濾行為。
地幔對流、石油在多孔介質中的滲流(達西定律的微觀基礎)。
Leal, L. G. Advanced Transport Phenomena. Cambridge University Press, 2007. 鍊接
Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press, 2000. 鍊接
Purcell, E. M. "Life at Low Reynolds Number." American Journal of Physics, 1977. 鍊接
中文 | 英文 |
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斯托克斯流 | Stokes Flow |
蠕流 | Creeping Flow |
雷諾數 | Reynolds Number |
納維-斯托克斯方程 | Navier-Stokes Equations |
斯托克斯流(Stokes flow),又稱蠕動流,是一種低雷諾數條件下的不可壓縮流體運動現象。以下是其核心特征和解釋:
基本定義
斯托克斯流由英國科學家G.G.斯托克斯提出,常見于雷諾數極小的流動場景(如微尺度流動或高黏性流體)。此時慣性力遠小于黏性力,黏性效應主導流體行為,慣性項可忽略。
雷諾數的作用
雷諾數(( Re = frac{rho v L}{mu} ))是判斷流動狀态的關鍵參數。當 ( Re ll 1 ),流體呈現層流特性,流動方程簡化為:
$$
abla p = mu abla mathbf{v} $$ 其中,( p )為壓力,( mu )為動力黏度,( mathbf{v} )為速度矢量。
流動特性
典型現象
實驗中将顔料加入高黏性液體并旋轉,可觀察到顔色緩慢擴散且流動路徑對稱,直觀展示黏性主導的流動特性。
總結來看,斯托克斯流揭示了黏性力主導下的流體力學規律,為微觀流動研究提供了理論基礎。
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