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不同物质扩散速度比较

【摘要】:在这个前提下,不论是哪种扩散质,扩散系数都应该是相等的。这种认为动量的扩散和热量、扩散质浓度等扩散之间存在完全的类比关系,其紊动扩散系数相等的假说,称为雷诺比拟。窦国仁 指出,不同扩散质的扩散系数的差异是由于各被携带量在扩散过程中脱离流体质点的速率不同而造成的。针对不同的实验结果提出的解释也是多种多样的。研究表明,当扩散时间较短时,紊动扩散系数随着时间而变化。

关于扩散还有一个重要问题,那就是对不同的扩散量,其扩散系数是否相同。

雷诺(O.Reynolds)于1874年提出了著名的类比来说明热量传递和动量传递之间的相似关系,后来又被推广到质量传递中去。这种假说假设扩散质的存在不改变流体质点的流动特性,扩散质只是作为一种标志物质而存在,并且假定在扩散过程中,扩散质在质点间没有任何转化(只有位置的改变),质点所携带的动量、热量和质量保持不变,扩散质的扩散完全是由于带有扩散质的流体质点空间位置发生变化,和其他不带扩散质的流体混掺的结果。在这个前提下,不论是哪种扩散质,扩散系数都应该是相等的。这种认为动量的扩散和热量、扩散质浓度等扩散之间存在完全的类比关系,其紊动扩散系数相等的假说,称为雷诺比拟(Reynolds analogy)。

实际上,流体质点携带的扩散质 (动量、热量和质量)在运动过程中保持不变的程度,对不同扩散质并不相同,因而不同扩散质的扩散系数也有差异。窦国仁 (1987)指出,不同扩散质的扩散系数的差异(例如动量扩散和热量扩散)是由于各被携带量在扩散过程中脱离流体质点的速率不同而造成的。但已有的实验证明,在一定的紊流状态中,动量、热量和质量扩散系数之间近似相等或保持着一定的比例关系,也有一些研究认为热量和含有物浓度的扩散,其扩散系数相同,它们和动量扩散的扩散系数有差异。

图8-6比较了相同流速下硝酸铵和铜在清水中的扩散,从图8-6中看不出两者的扩散速度有显著差异。图8-7比较了相同流速下沙在清水中扩散和在含沙水流中掺混的速度。从图8-7中看,沙在清水中扩散似乎比在含沙水流中掺混速度稍快。但由于沙扩散实验误差较大,在试验次数不多的情况下,还不能得出肯定的结论。

关于水和颗粒的扩散系数的大小关系,则有许多讨论,结论也不统一。

陈善谟在1947年研究了悬浮在均匀、定常的无界湍流流场中很稀、很小的颗粒群的运动,后来Corrsi和Lumley和Friedlander又重新研究过这个问题。陈善谟的理论实际上是研究单个颗粒在湍流流场中的运动,从颗粒长时间无规则运动的统计性质推导出离散质点的扩散系数。根据他的研究,如果用Dp和Df分别表示颗粒和流体质点的紊动扩散系数,用ωp和ωf分别表示颗粒和流体质点的速度,则当扩散时间很短,即t→0时,有

图8-6 相同流速 (0.5m/s)铜和硝酸铵在清水中扩散的比较

图8-7 相同流速 (0.5m/s)下沙在清水中扩散和在含沙水流中掺混的比较

由于一般情况下ωp≠ωf,因而颗粒扩散系数与流体扩散系数也不相同,即Dp≠Df。而当扩散时间很长时,有

即对于长时间扩散,流体的扩散系数和颗粒的扩散系数是相等的。以上讨论中所谓时间“长”和“短”,可用拉格朗日时间比尺TL来衡量。

研究表明,当扩散时间较短时,紊动扩散系数随着时间而变化。当扩散时间很长,即t≫TL时,在恒定均匀的紊流中,紊动扩散系数为常值,与时间无关。研究还发现,当扩散时间较长时,紊动扩散系数取决于低频大尺度脉动,与高频小尺度脉动无关。如果固相颗粒不大,例如小于紊动比尺,可以近似认为固相颗粒随着液相运动,只在竖向上由于重力作用才有一定的相对运动。

根据以上分析,颗粒和水的扩散系数是相近或相同的。

颗粒的扩散系数,除了从运动方程所做的分析以外,主要靠实验来确定。由于流动条件上的不同,实验技术上的差异,实验结果差异很大,例如根据夏震寰 (1992)的分析,实验得出Dp<Df结果的有Synder 和Lumley、Carstens、Matyukhin 和Prokof′yev、Abramoxich等,得出Dp>Df结果的有Ahmadi和Goldschmidt、Goldschmidt et al、Singamsetti等。van Rijn (1983)在Coleman (1970)的实验结果的基础上,也认为颗粒扩散系数大于水沙混合物的扩散系数。Hinze(1972)从理论上论证了当颗粒大于一部分小尺度涡旋时,Dp略大于Df的可能性。Vanoni(1946)则认为泥沙颗粒的Dp可以大于Df,也可以小于Df。针对不同的实验结果提出的解释也是多种多样的。

应该注意的是,以上讨论都是针对紊动扩散系数,而试验中泥沙或化合物的分散主要都是紊动离散的结果,关于颗粒和水的离散系数的比较研究则少见。

图8-8、图8-9比较了沙和硝酸铵、铜在相同流速清水中的扩散,图中显示沙的扩散比硝酸铵和铜稍快。图8-10、图8-11比较了相同流速下沙在浑水中的掺混合硝酸铵、铜在清水中的扩散,从图中看不到沙掺混合硝酸铵、铜扩散的速度存在明显差异。

图8-8 相同流速 (0.5m/s)清水中扩散:沙和硝酸铵的比较

图8-9 相同流速 (0.5m/s)清水中扩散:沙和铜扩散的对比

图8-10 相同流速 (0.5m/s)下硝酸铵在清水中扩散与沙在浑水中掺混的比较

图8-11 相同流速 (0.5m/s)下铜在清水中扩散与沙在浑水中掺混的比较