什么是斯托克斯定律?
斯托克斯定律描述了微小球形颗粒在黏性流体中缓慢运动时所受到的阻力。当颗粒在重力作用下沉降时,它会很快达到一个恒定的终端(沉降)速度,此时重力、浮力和阻力三者达到平衡。本计算器根据颗粒和流体的属性,求解这一速度。该定律属于普适物理规律,不受任何国家或地区的限制。
计算公式
终端速度为:
$$v = \frac{2}{9} \cdot \frac{\left(\rho_p - \rho_f\right) \cdot g \cdot r^{2}}{\mu}$$
其中 \(\rho_p\) 为颗粒密度(kg/m³),\(\rho_f\) 为流体密度(kg/m³),\(g\) 为重力加速度(m/s²),\(r\) 为颗粒半径(m),\(\mu\) 为流体的动力黏度(Pa·s)。对应的阻力为 \(F_d = 6\pi \mu r v\)。
使用方法
依次输入颗粒密度、流体密度、颗粒半径(单位为米)、流体黏度,以及当地的重力加速度(地球上约为 9.81 m/s²)。计算结果即为以 m/s 为单位的沉降速度。正值表示颗粒下沉;负值(当颗粒比流体更轻时)表示颗粒上浮。
实例演算
一粒沙子(\(\rho_p = 2500\ \text{kg/m}^3\),\(r = 0.001\ \text{m}\))在水中沉降(\(\rho_f = 1000\ \text{kg/m}^3\),\(\mu = 0.001\ \text{Pa}\cdot\text{s}\),\(g = 9.81\)):
$$v = \frac{2}{9} \times \frac{(2500 - 1000) \times 9.81 \times (0.001)^2}{0.001} = \frac{0.2222 \times 1500 \times 9.81 \times 1\times10^{-6}}{0.001} \approx 3.27\ \text{m/s}$$
(注意:这种尺寸的真实沙粒已超出低雷诺数范围,因此斯托克斯定律在此会高估速度——它只对极小颗粒才严格成立。)
常见问题
斯托克斯定律在什么情况下成立?仅在低雷诺数(Re < 约 1)时成立,即颗粒微小、速度缓慢、流体黏度较大的情形。
半径为什么必须用米作单位?该公式采用国际单位制(SI),因此请先将微米或毫米换算为米(1 mm = 0.001 m)。
如果颗粒密度比流体小怎么办?此时算出的速度为负值,表示颗粒受浮力作用上浮,而非下沉。