扩散(diffusion)和弥散(dispersion)有什么区别?

转载自知乎,作者:谢易正


因为在seminar上面被老板直接问到这个dispersion(弥散)的问题,答不出来后,苦心寻找了一些论文,有了一点初步的理解。题主可能是化学专业可能考虑分子层面的运动。我不学化学,从多孔介质的微观层面来简单地说一下自己的理解。

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

图1:Factors causing pore-scale longitudinal dispersion (Fetter).

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。

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。

PS:如果有理解错误的地方,欢迎大家指出了,我其实也是一头雾水。

2018/03/08由于讲义链接无效了,将该章讲义付下

以上

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bossliu
清醒 专注 努力
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一条评论

  1. 在advection存在的时候,dispersion的影响存在。当解吸的压力差很大、瓦斯解吸速度很快的时候,advection存在带来的dispersion影响有多大?不同压力差的解吸平衡时间,有可能是dispersion造成的影响吗?

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