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更新时间:2026-02-22
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克努曾数(Knudsen number),简称Kn,是流体力学中表征气体稀薄程度的无量纲参数,定义为气体分子平均自由程λ与流场特征长度L的比值(Kn=λ/L)。该数值越大表明气体越稀薄,当Kn值与物体特征尺寸相当时,连续介质假设失效,需采用稀薄气体动力学理论分析。其物理意义在于判断流体是否适用连续介质假设,并与雷诺数Re、马赫数Ma存在数学关联:Kn=(Ma/Re)√(πγ/2)。标准状况下空气分子平均自由程约为0.065微米,微机电系统中当特征尺度接近该量级时,固壁滑移现象显著影响传质传热特性
根据Kn数范围可将流动划分为四个领域:Kn为连续流区,0.01≤Kn为滑移流区,0.1≤Kn10为过渡流区,Kn≥10为自由分子流区[1]。航天飞机在177千米高度以上飞行时处于自由分子流区(Kn≥10),83~177千米高度范围处于过渡流区(0.1≤Kn),此时需采用蒙特卡罗直接模拟法等非连续稀薄空气动力学方法[3]。气体黏性系数计算公式为μ=0.491ρcλ,其中c为声速,由c=√(γRT/M)确定[1]。
流体力学中表征气体稀薄程度的一个无量纲参数,简记为Kn。它等于气体分子平均自由程l与流场的特征长度L (如飞船或卫星的线性尺度或气溶胶粒子的直径)的比值,Kn=l/L。Kn数越大表示气体越稀薄。在标准状况下,空气中分子的平均自由程约为0.065微米,故只在考虑 5微米以下尺寸的物体(如在气溶胶力学中将遇到这样大小的粒子)时,气体的离散分子结构的效应才显现出来。对于一般尺寸的物体和不太高的高程,在大气中通常碰到的都是Kn数极小的情况,所以在流体力学中才得以用连续介质模型成功地描述由单个分子构成的气体的流动特性。当分子碰撞的平均自由程与流动尺寸相比不能忽略时(例如在几十公里高空的飞行器运动中,分子平均自由程与物体特征长度之比不能忽略),即Kn值不是十分小时,离散分子结构的效应开始显现出来。这种流动的特征是稀薄气体动力学研究的内容。在稀薄气体动力学中,根据Kn数的大小将流动划分为三个领域:0.01≤Kn≤0.1为滑流领域;0.1≤Kn≤10为过渡领域;Kn10为自由分子流。Kn数可与流体力学中熟知的马赫数Μa=U/c(U为流速,c为当地声速)和雷诺数Re=UL/ν(ν为运动学粘性系数)联系起来:
1.词条作者:林同骥 沈 青 吴振宇《中国大百科全书》74卷(第一版)力学 词条:流体力学 中国大百科全书出版社 ,1987 :267页
[2]应用格子Boltzmann方法(LBM)模拟微机电系统(MEMS)中的流动.中国知网.2001-01-01
[3]航天飞机的低密度效应——(航天飞机空气动力学问题之三).知网空间.2025-07-30