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上式表述的是:一个有混合气体的微元体中,组分A在环境x方向上由于受到组分压力梯度和温度梯度,强制扩散的原理。本文假设温度恒定,所以温度梯度为零,即上式只剩下压力梯度项。压力梯度对组分气体扩散的作用方向始终朝着浓度梯度的反方向,也就是气体从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。在扩散过程中,组分压力梯度由各个方向指向扩散源,压力梯度的结果就是形成质流。
3 密度浮升力
湿空气是干空气与水蒸汽的混合物,也就是说干空气中含有水蒸汽。其含水蒸汽的量是由“绝对湿度”和“相对湿度”两个指标衡量。大气层是一个无限大的开放系统,即恒压系统。那么湿空气密度一定介于干空气密度与饱和水蒸汽密度之间,所以湿空气的压力等于干空气分压与水蒸汽分压之和。
结合式(4)、(5)可看出随着空气湿度增加,空气密度变小,这有利于污染气体的扩散,但是由竖直方向上还有密度差浮升力的作用,空气密度变小,密度差浮升力变小,这将使竖直方向上的扩散将减缓。
4 量纲分析
从上文分析中可以得出,在没有温度梯度且存在湿空气的体系中,影响污染物扩散的因素主要是浓度差引起的压力梯度作用项(4)和密度差引起的密度浮升力项(5),下面对这两项进行数量级比较。
由于天然气的扩散在十米以内压强变化[4]是102Pa,所以在此数量级取为102。其中g为重力加速度,数量级为10,空气密度约为1.2kg/m3为1。由上述的数量级比较分析可以得出,气体的扩散主要的作用力是因为浓度梯度,密度差对于污染物的扩散也有一定的影响,虽然数量级上明显小于浓度差作用,其作用也不可忽略。
5 结论
本文从基础的气体扩散理论出发,重点研究了了湿空气下的天然气扩散,理论分析从菲克理论开始,结合理想气体方程、质量方程,重点提出了气体扩散的影响因素分为两个方面——浓度梯度引起的质流和密度浮升力作用引起的质流。
其中浓度梯度引起的扩散即为菲克理论阐述的内容,通过方程的代入和变换又可分为压力梯度作用项和温度梯度直接作用项,本文不研究温度梯度作用项,所以浓度梯度作用只体现在压力梯度作用项;密度浮升力是由于组分气体本身的密度与空气密度之间的密度差引起的浮升力,所以组分气体会受到向上或向下的浮升力,密度浮升力主要与气体本身性质有关。
【参考文献】
[1]时钧.化学工程手册[M].北京:化学工业出版社,1989.
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[3]阚正武.温度梯度左右下室内天然气泄漏扩散浓度场研究[D].重庆交通大学,2013,6.
[4]张甫仁.建筑群外空间城市燃气泄漏扩散浓度场模拟[J].天然气工业,2013,4.
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