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擴散(diffusion)和彌散(dispersion)有什麽區別

C4D 三種 其中 zha question idt round sci flow

作者:謝易正
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通常在微觀層面,物質的傳遞可以由三種機制構成: 擴散(Diffusion)+移流(advection)+彌散(dispersion)。dispersion(彌散)是在有advection(移流)存在的情況下發生的,是由於流體流動時溶質的流動速度不均勻而引起的一種對擴散現象(diffusion)的加強作用。

流體力學大師G.I.Taylor在1953年發表了關於直管層流下彌散現象對溶質擴散作用的影響的論文,其後又發表了在紊流狀態下彌散的影響。

Dr. Pengfei Zhang 的Groundwater Hydrology 的講義的第16章對彌散做了一個簡單的介紹(講義可以網上自由下載)。Groundwater Hydrology

所謂的dispersion其實就是流動的流體因為速度不均勻而引起一種對溶質擴散(分子擴散 Molecular Diffusion)作用的加強作用,稱之為機械彌散(Mechanical Dispersion)。在多孔介質中,這種速度不均是由於孔隙結構引起的。由於孔隙壁面的摩擦(friction on pore wall)孔徑不均勻(pore size),溶質的運動軌跡(path length)的不同引起的(圖1,2)。

機械彌散系數=平均流速v(average linear velocity)*彌散長度aL(longitudinal dispersivity)

Dz=aL*v

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

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圖2:Flow paths in a porous medium that cause transverse dispersion (Fetter).

由於機械彌散和分子擴散兩者是一起的,無法把機械彌散從分子擴散中分離出來,所以又把分子擴散和機械彌散兩重作用合起來成為水動力學彌散(hydrodynamic dispersion),

即 hydrodynamic dispersion=Molecular Diffusion+Mechanical Dispersion

因此,水動力學彌散的彌散系數D就可以寫成分子擴散的有效擴散系數D*和機械彌散的彌散系數Dz之和。D=aL*v+D*

在流體的移流速度很小的時候,溶質的傳遞主要是以分子擴散(diffusion)為主。當移流速度很大時候,主要是以advection(移流)為主。但速度介於中間時,dispersion(彌散)的作用就出現了。這個速度的判斷有一個Peclet數可以判斷, (圖3).Pe=Vx*d/Dd。其中,Dd表示有效擴散系數。DL表示機械彌散系數。

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圖3 彌散和擴散的關系(出處忘了....)

總而言之,做一個不嚴謹的說明,當流體沒有移動的時候,advection不存在的時候,擴散diffusion照樣存在。當advection存在的時候,彌散dispersion就出現了,這個時候至於彌散和擴散哪一個更重要呢,取決於這個advection的速度有多大。

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