[科普中国]-扩散沉积

释义

由于气体分子的无规则运动，微小粒子几乎可以自由地穿过流线，部分粒子撞击在捕集体上而被从气流中除去的集尘过程。扩散沉积效率取决于佩克莱特数Pe(由惯性力产生的迁移量与扩散迁移量之比)和基于捕集体定性尺寸的雷诺数Ree。只有当Pe值非常小时，扩散沉积导致的颗粒捕集才是重要的。

表达式由于布朗运动，各微粒的运动轨迹与流体的流线不一致。微粒尺寸越小，布朗运动的强度越大，结果使扩散沉积作用随之增大。与这种布朗扩散有关的扩散系数D由下式给出：

D=kT/3µdp

式中k——波耳兹曼常数；

T——热力学温度；

µ——流体的动力粘度；

dp——微粒的斯托克斯直径1。

常见扩散方式气溶胶粒子总是从浓度高的地方向浓度低的地方迁移，因此，气溶胶粒子总有向各种壁面或表面迁移的趋势。假如某壁面或表面上的气溶胶浓度为零，在接近表面的区域将有一个浓度梯度，这种浓度梯度导致气溶胶向表面连续扩散而发生沉积，从而引起表面附近的气溶胶浓度降低。虽然这种扩散迁移的范围很小，但在气溶胶被限制的小空间内，气溶胶因扩散沉积而引起的损失是相当重要的。

(1) 稳态扩散

气体中的粒子浓度不随时间而变化的扩散就是稳态扩散。考虑粒子向某一壁面(认为此壁面的粒子浓度为零)的扩散就是属于这种情况。

(2) 非稳态扩散

在许多情况下．特别是由于粒子扩散而损失在壁面或其他表面上，粒子浓度都要随时间变化，这就是非稳态扩散。此时研究扩散沉积需要用到菲克第二定律。依据问题的性质确立不同的初始条件和边界条件，即可解菲克第二方程。下面是几种常遇到的情况。

① 无限体积中的垂直平面

一个垂直平面与一无限大空间的气溶胶体系接触，考虑粒子因扩散在平面上的沉积量即属于这种情况。

② 两个垂直平面

其间距为H的两个竖直平面，其间有均匀浓度为Co的气溶胶，若要考虑气溶胶粒子在两个平面上的沉积，就是属于这种情况。此时，初始条件同一个垂直平面的情况相同，t=0时，C(x，0)=C0；边界条件为X=0时，C(0，t)=0；x=H时，C(H，t)=02。

③ 管道内的扩散沉积

以上讨论的虽然是静止空气中的粒子扩散，但对于管道内气流属于层流运动的情况，也可用公式估算气溶胶粒子在管道内因扩散而引起的沉积损失。这是因为气溶胶流在管道内以稳定的速度流动，相对于内径不变的管壁可视为静止气流2。