118、流体中的颗粒会受到哪些力的作用？？

在流体中运动的颗粒会受到多种力的作用，这些力决定了颗粒的运动轨迹、速度变化及其在流场中的迁移、沉降、团聚等行为。

重力与浮力（Gravity and Buoyancy）

物理意义：

重力是地球对颗粒质量的吸引，而浮力是流体对被其排开的颗粒体积产生的反向支持力。可以将其类比为人进入水中时感受到的“托力”，这是由于身体排开水体所引起的浮力作用。

数学表达：

颗粒所受重力为：

颗粒所受浮力为：

其中，dp 为颗粒直径，ρp为颗粒密度，ρf为流体密度，g为重力加速度。

故净重力为：

应用场景：

在沉降实验、重力除尘器、气固分离装置中，颗粒的重力和浮力是主导力，需要特别关注颗粒与流体密度的差值；

对于微米级颗粒在气体中运动，浮力往往可忽略。

拖曳力（Drag Force）

物理意义：

拖曳力是颗粒在流体中运动时，由流体黏性及流动扰动在其表面产生的阻力。类似于人在水中快速游动时会感受到的“阻力”。

三个由相同角度（70°）射出物体的轨迹。黑色物体未受到任何阻力，其轨迹为抛物线，蓝色物体受到斯托克斯阻力，而绿色物体受到牛顿阻力。

数学表达：

一般表达式为：

其中：

CD 为阻力系数，依赖于雷诺数 Rep，

Ap为颗粒迎风面积

uf、up 分别为流体速度和颗粒速度。

对于小雷诺数（Rep < 1）的Stokes流动条件，可简化为Stokes拖曳力：

其中 μ为流体动力黏度。

应用场景：

在细颗粒的空气输送、气溶胶建模、颗粒轨迹模拟（如CFD-DPM方法）中，拖曳力是核心控制力之一。

特别是在湍流区域或颗粒速度与流体速度差异明显时，需精确计算此力。

升力（Lift Force）

物理意义：

当颗粒在非均匀流速或旋转流场中运动时，会受到与主流方向垂直的力——升力。类似飞机机翼由于上下气流速度差而获得的升力，颗粒在剪切流或旋涡中也可能“被提起”。

数学表达：

典型的Saffman升力（适用于低雷诺数、剪切流）：

该公式描述了剪切速率对升力的影响。

应用场景：

在湍流剪切流场、旋转设备（如旋风分离器）、靠近壁面层的颗粒输运中需重点考虑升力，尤其当颗粒运动呈现明显偏离主流方向时。

Basset力（Basset Force）

物理意义：

Basset力是一种“记忆效应”力，表示颗粒加速或减速时，其周围边界层的非稳态黏性影响。可类比为人在水中突然起跑时，水的反作用并非立刻达到最大，而是有一个逐步增强的过程。

数学表达：

其中μ为运动黏度。

应用场景：

在非稳态流动、快速变速流场（如脉动流、声场等）中，Basset力在小尺寸颗粒的初始响应阶段可能产生显著影响，但由于其计算代价高，在实际工程中常被忽略或近似处理。

附加质量力（Added Mass Force）

物理意义：

颗粒在加速时，不仅要推动自身质量，还需推动一部分随之加速的流体——这部分流体相当于“附加质量”。可类比为人在水中跳跃时，需要带动部分水一起动。

数学表达：

其中Vp为颗粒体积。

应用场景：

在密度比接近、水下颗粒运动、高频振动系统中，虚质量力不可忽视。特别是颗粒在液体中快速变速运动时，对运动方程的贡献显著。

压力梯度力（Pressure Gradient Force）

物理意义：

流体中存在宏观压力变化时，颗粒所在处也会受到压强差驱动的力。可类比为被风吹动的气球，其移动方向会受到气压分布的影响。

数学表达：

应用场景：

在喷嘴出口、高速射流、燃烧室内压强波动区域等处，压力梯度力可能成为影响颗粒轨迹的重要因素。

布朗运动力（Brownian Force）

物理意义：

对亚微米粒子而言，其会不断受到热运动分子的随机撞击，形成无规则的扰动运动。布朗运动可类比为灰尘粒子在阳光中“抖动”的轨迹。

数学表达：

通常作为随机力项加入颗粒运动方程，例如采用 Langevin 模型：

其中R(t)为随机函数，kB为玻尔兹曼常数，T为温度，γ为阻力系数。

应用场景：在气溶胶输运、超细颗粒扩散建模、纳米尺度粒子研究中至关重要，尤其当颗粒尺寸小于0.5 μm 时不可忽略。

DPM模型中的力

Fluent DPM中可以模拟这些力中的部分作用，在Discerte Phase Model界面可以看到这些力。当然也可以通过UDF添加其他的力

来源：Fluent学习笔记