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通常在微观层面,物质的传递可以由三种机制构成: 扩散(Diffusion)+移流(advection)+弥散(dispersion)。dispersion(弥散)是在有advection(移流)存在的情况下发生的,是由于流体流动时溶质的流动速度不均匀而引起的一种对扩散现象(diffusion)的加强作用。 流体力学大师G.I.Taylor在1953年发表了关于直管层流下弥散现象对溶质扩散作用的影响的论文,其后又发表了在紊流状态下弥散的影响。 Dr. Pengfei Zhang 的Groundwater Hydrology 的讲义的第16章对弥散做了一个简单的介绍(讲义可以网上自由下载)。Groundwater Hydrology 所谓的dispersion其实就是流动的流体因为速度不均匀而引起一种对溶质扩散(分子扩散 Molecular Diffusion)作用的加强作用,称之为机械弥散(Mechanical Dispersion)。在多孔介质中,这种速度不均是由于孔隙结构引起的。由于孔隙壁面的摩擦(friction on pore wall)孔径不均匀(pore size),溶质的运动轨迹(path length)的不同引起的(图1,2)。 机械弥散系数=平均流速v(average linear velocity)*弥散长度aL(longitudinal dispersivity) Dz=aL*v ;lt;img src="https://pic4.zhimg.com/v2-eb6b655147c9d12620e4852664a3f007_b.png" data-rawwidth="653" data-rawheight="636" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="653" data-original="https://pic4.zhimg.com/v2-eb6b655147c9d12620e4852664a3f007_r.png";gt;![]() 图1:Factors causing pore-scale longitudinal dispersion (Fetter). ;lt;img src="https://pic4.zhimg.com/v2-5cf9662a7160493aeb6d75ac830c6ed3_b.png" data-rawwidth="280" data-rawheight="271" class="content_image" width="280";gt;![]() 图2:Flow paths in a porous medium that cause transverse dispersion (Fetter). 由于机械弥散和分子扩散两者是一起的,无法把机械弥散从分子扩散中分离出来,所以又把分子扩散和机械弥散两重作用合起来成为水动力学弥散(hydrodynamic dispersion), 即 hydrodynamic dispersion=Molecular Diffusion+Mechanical Dispersion 因此,水动力学弥散的弥散系数D就可以写成分子扩散的有效扩散系数D*和机械弥散的弥散系数Dz之和。D=aL*v+D* 在流体的移流速度很小的时候,溶质的传递主要是以分子扩散(diffusion)为主。当移流速度很大时候,主要是以advection(移流)为主。但速度介于中间时,dispersion(弥散)的作用就出现了。这个速度的判断有一个Peclet数可以判断, (图3).Pe=Vx*d/Dd。其中,Dd表示有效扩散系数。DL表示机械弥散系数。 ;lt;img src="https://pic3.zhimg.com/v2-f197a0650658d6924fc4a8d923fc4d2e_b.png" data-rawwidth="992" data-rawheight="1355" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="992" data-original="https://pic3.zhimg.com/v2-f197a0650658d6924fc4a8d923fc4d2e_r.png";gt;![]() 图3 弥散和扩散的关系(出处忘了....) 总而言之,做一个不严谨的说明,当流体没有移动的时候,advection不存在的时候,扩散diffusion照样存在。当advection存在的时候,弥散dispersion就出现了,这个时候至于弥散和扩散哪一个更重要呢,取决于这个advection的速度有多大。 |
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