颗粒在离心场中流体内的沉降速度不大于其在重力场中的沉降速度。A. 正确B. 错误
A. 正确
B. 错误
题目解答
答案
解析
本题考查颗粒在离心场和重力场中沉降速度的比较,解题思路是分别明确颗粒在离心场和重力场中的沉降速度影响因素,再对二者进行对比分析。
1. 重力场中颗粒的沉降速度
在重力场中,当颗粒在流体中沉降时,颗粒受到重力、浮力和阻力的作用。当颗粒达到沉降平衡时,重力等于浮力与阻力之和。
设颗粒的质量为 $m$,体积为 $V$,流体的密度为 $\rho_f$,颗粒的密度为 $\rho_p$,重力加速度为 $g$,沉降速度为 $u_t$,阻力系数为 $C_D$,颗粒的投影面积为 $A$。
重力 $F_g = mg=\rho_p Vg$,浮力 $F_b=\rho_f Vg$,阻力 $F_d = C_D\frac{1}{2}\rho_f u_t^2 A$。
根据力的平衡关系 $F_g = F_b+F_d$,可得 $\rho_p Vg=\rho_f Vg + C_D\frac{1}{2}\rho_f u_t^2 A$,由此可解出重力场中颗粒的沉降速度 $u_t$。
2. 离心场中颗粒的沉降速度
在离心场中,颗粒受到离心力、向心力(可看作类似重力场中的浮力)和阻力的作用。当颗粒达到沉降平衡时,离心力等于向心力与阻力之和。
设颗粒到旋转中心的距离为 $r$,旋转角速度为 $\omega$,则离心力 $F_{cf}=m\omega^2 r=\rho_p V\omega^2 r$,向心力 $F_{cfb}=\rho_f V\omega^2 r$,阻力 $F_d = C_D\frac{1}{2}\rho_f u_{t,c}^2 A$($u_{t,c}$ 为离心场中颗粒的沉降速度)。
根据力的平衡关系 $F_{cf}=F_{cfb}+F_d$,可得 $\rho_p V\omega^2 r=\rho_f V\omega^2 r + C_D\frac{1}{2}\rho_f u_{t,c}^2 A$,由此可解出离心场中颗粒的沉降速度 $u_{t,c}$。
3. 两者沉降速度的比较
离心力与颗粒到旋转中心的距离 $r$ 和旋转角速度 $\omega$ 有关,在离心场中,离心力通常远大于重力场中的重力。由于离心力更大,使得颗粒在离心场中更容易克服阻力沉降,所以颗粒在离心场中的沉降速度一般是大于其在重力场中的沉降速度的。