非均勻流體對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

在非均勻流體中，由于存在速度梯度，壓力梯度，溫度梯度，非均勻輻射和濃度梯度，這些因素也必然要影響固體顆粒的運(yùn)動(dòng)和阻力系數(shù)，下面簡(jiǎn)要介紹速度梯度、溫度梯度和附加質(zhì)量和附加質(zhì)量力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響：

①速度梯度

在流體中，由于粘性或其它因素的影響而形成速度梯度，例如在管道中的流體，沿管壁的流速低，而軸心的流速高。這種速度梯度的存在，將使顆粒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在低雷諾數(shù)情況下，旋轉(zhuǎn)將引起流體的挾帶作用，使流體在顆粒一邊增速，而在另一邊減速。其結(jié)果勢(shì)必使顆粒朝向速度較高一邊運(yùn)動(dòng)。這種現(xiàn)象叫馬格努斯效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，氣體挾帶固體顆粒在管道中流動(dòng)時(shí)，顆粒有移向管道軸心的傾向，并集中在大約離管道軸0。6管半徑的區(qū)域內(nèi)。

賽夫曼研究表明，當(dāng)顆粒處在有速度梯度的非均勻流體中，即使它沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，也可能產(chǎn)生一個(gè)橫向升力。他推導(dǎo)了在無(wú)界，均勻的簡(jiǎn)單剪切流中，作用在移動(dòng)并同時(shí)旋轉(zhuǎn)的小圓球上的凈力。移動(dòng)是沿著流線的。研究表明，除斯托克斯阻力以外，應(yīng)附加上一個(gè)作用在顆粒上的橫向力。由于滑動(dòng)剪切力的存在，使顆粒與非均勻流體之間的相對(duì)速度減小，因而顆粒向低速度區(qū)域運(yùn)動(dòng)。

②溫度梯度

非均勻流體中的溫度梯度將明顯地使流體粘度發(fā)生變化，這種變化也可以由熱傳導(dǎo)及其相應(yīng)的溫度分布而引起的。而當(dāng)粘度發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起速度分布和阻力系數(shù)的變化。不過(guò)在這種情況下，影響一般都比較小。只有在顆粒尺寸極小的情況下，溫度梯度效應(yīng)才變得很明顯。由溫度梯度而引起顆粒的位移叫“熱泳”現(xiàn)象，由非均勻輻射而引起顆粒的位移叫“光泳”現(xiàn)象。它們所產(chǎn)生的作用在顆粒上的力稱為輻射力。

③附加質(zhì)量和附加質(zhì)量力

在顆粒作加速運(yùn)動(dòng)情況下，即使非均勻流體沒(méi)有粘性，在非均勻流體和顆粒之間仍然也會(huì)產(chǎn)生作用力。這種力的效應(yīng)可以類似于顆粒的質(zhì)量增添了它所帶動(dòng)的流體的質(zhì)量一樣，我們把這被帶動(dòng)的流體質(zhì)量叫做“附加質(zhì)量”，相應(yīng)所產(chǎn)生的力叫附加質(zhì)量力。對(duì)于球體，其附加質(zhì)量等于它所排開的非均勻流體質(zhì)量的一半。對(duì)于軸長(zhǎng)比為1:2的橢球，這個(gè)量可達(dá)到20%。對(duì)于軸長(zhǎng)比為1:6的橢球，其附加質(zhì)量只有4。5%。當(dāng)非均勻流體最初是從靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)近乎是無(wú)旋的，所以這個(gè)結(jié)果對(duì)于實(shí)際流體也是有意義的。

在研究非均勻密度流動(dòng)如分層流體流動(dòng)、熱對(duì)流時(shí)常采用的近似。可敘述為：當(dāng)密度的不均勻性產(chǎn)生的密度變化量與密度值本身相比為微小量時(shí)，可認(rèn)為密度的變化對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的慣性和粘性無(wú)影響，其重要的影響體現(xiàn)于所產(chǎn)生的浮力上，因而在非均勻流體動(dòng)力學(xué)方程中，對(duì)于密度變化量，只當(dāng)其和重力加速度以乘積聯(lián)結(jié)在一起而表現(xiàn)出浮力時(shí)才被保留。在地球流體力學(xué)、對(duì)流、擴(kuò)散等許多研究領(lǐng)域中經(jīng)常采用布辛涅斯克近似。在大多數(shù)情況下近似是合理的，可給出合理的結(jié)果。

關(guān)于非均勻流體的性質(zhì)特點(diǎn)，通常是指非均勻流體本身的性質(zhì)特點(diǎn)，而不是指流動(dòng)方式。因此，非均勻流體的性質(zhì)特點(diǎn)是流體在標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)和溫度下處于靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)得的。當(dāng)多于一個(gè)明顯的流體狀態(tài)存在時(shí)，一個(gè)非均勻流體具有隨位置變化分段連續(xù)的宏觀屬性。在段塞流情形下，雙相流體混合物就是非均勻流體的例子。在段塞流情形下，宏觀流體屬性在每一相內(nèi)是連續(xù)的，而在相邊界是不連續(xù)的。

空氣中的顆?；旌衔?，嚴(yán)格地說(shuō)，是一種非均勻流體，這是因?yàn)榭諝夂皖w粒是不同的兩相，而且顆粒區(qū)與空氣區(qū)有不同的性質(zhì)。但實(shí)際上，被顆粒污染的空氣流常當(dāng)成均勻混合物，特別是顆粒很小，因?yàn)轭w粒的行為在很大程度上與大分子相同。然而分析分離裝置的內(nèi)部流型時(shí)含顆粒的空氣流絕不可當(dāng)成均勻流體，因?yàn)檫_(dá)到某種程度的分離，顆粒勢(shì)必與氣體的行為不同，這是必然的結(jié)果。

實(shí)際生產(chǎn)中的許多物料是非均勻流體。從物理化學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，實(shí)際生產(chǎn)中常遇到的流體是一種分散體系，如果從分子或微團(tuán)結(jié)構(gòu)出發(fā)來(lái)分析其微觀結(jié)構(gòu)對(duì)流變性的影響，就可將生產(chǎn)中常遇到的流體看成是非均勻流體。例如原油，特別是含蠟量高的原油，當(dāng)油溫較低，有蠟晶析出，也會(huì)呈現(xiàn)出與非均勻流體相似的特性。

非均勻流體是指在流場(chǎng)的不同區(qū)域性質(zhì)改變的流體。

流體是近程有序的，圍繞每一個(gè)分子，在約3～5個(gè)分子的距離內(nèi)，有一個(gè)密度周期起伏并逐漸衰減的有序結(jié)構(gòu)，這一有序結(jié)構(gòu)決定了整個(gè)流體的性質(zhì)。因此從分子到流體的跨越，實(shí)質(zhì)上是從分子到其周圍的有序結(jié)構(gòu)的跨越。兩相間的界面也同樣，密度變化在越過(guò)界面時(shí)并不是一個(gè)階梯函數(shù)，而是在界面層中有一個(gè)密度分布，形成有結(jié)構(gòu)的非均勻流體。

①由于流體在空間分布的不均勻性，可以導(dǎo)致流體在固液、汽液或液液界面形成與均勻流體非常不同的性質(zhì)。當(dāng)前對(duì)非均勻流體結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的研究主要有積分方程（IET）理論、密度泛函理論（DFT）和計(jì)算機(jī)分子模擬等。其中DFT方法在上個(gè)世紀(jì)70年代被引入到非均勻流體結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的研究，得到了較快的發(fā)展，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單流體到復(fù)雜流體和聚合物流體的發(fā)展與應(yīng)用。不同DFT方法本質(zhì)的區(qū)別在于對(duì)體系剩余自由能巨勢(shì)泛函所采用的近似方法不同。在簡(jiǎn)單流體的DFT方法中，對(duì)剩余自由能的近似包括:1。局域密度近似，2。加權(quán)密度近似，3。泛函展開近似，4?；径攘坷碚摚‵MT）方法，5。橋函數(shù)方法等等?？紤]分子鏈的連接性，上述所有簡(jiǎn)單流體的DFT方法都被擴(kuò)展到了分子流體和聚合物系統(tǒng)。通過(guò)引入平均場(chǎng)近似或者加權(quán)密度近似對(duì)鏈分子鏈節(jié)之間的Van der Waals相互作用加以考慮，使DFT方法可以應(yīng)用到更加實(shí)際的分子系統(tǒng)。

②彈性波逆散射是非均勻介質(zhì)參數(shù)反演的有效途徑。本文從彈性波逆散射理論出發(fā)，利用微擾理論和穩(wěn)相法，將非均勻介質(zhì)參數(shù)視為背景介質(zhì)與擾動(dòng)介質(zhì)參數(shù)的疊加，建立了縱波散射系數(shù)和非均勻介質(zhì)中背景介質(zhì)與擾動(dòng)介質(zhì)孔隙流體參數(shù)，剪切模量與密度間的直接關(guān)系。進(jìn)而發(fā)展了一種非均勻介質(zhì)孔隙流體參數(shù)疊前地震貝葉斯反演方法。該方法假設(shè)模型參數(shù)（擾動(dòng)介質(zhì)與背景介質(zhì)孔隙流體參數(shù)，剪切模量與密度的比值）服從柯西分布，反演目標(biāo)似然函數(shù)服從高斯分布，并采用平滑初始模型約束提高反演穩(wěn)定性。模型和實(shí)際資料處理表明，該反演方法能夠穩(wěn)定合理的直接從疊前地震資料中獲取孔隙流體參數(shù)，提供了一種高可靠性的非均勻介質(zhì)流體描述方法。 2100433B

非均勻流是不滿足均勻流條件的流動(dòng)。

是與均勻流相對(duì)的概念，詳細(xì)內(nèi)容可以參考均勻流的詞條。

中文名稱

非均勻流

英文名稱

nonuniform flow

定　　義

流體的流速大小及方向沿程不斷變化的水流。

應(yīng)用學(xué)科

地理學(xué)（一級(jí)學(xué)科），水文學(xué)（二級(jí)學(xué)科）

在非均勻流中，摩阻力所做的功可能大于或小于所有其他作用力所做的功。非均勻流問(wèn)題在實(shí)用上很重要，要求解的問(wèn)題較多。對(duì)非均勻漸變流，可由能量方程推導(dǎo)出一般形式的微分方程和不同條件下的計(jì)算公式 。