[科普中国]-扩散流

当滤芯被测试介质完全润湿，滤芯两侧的压力差小于气泡点压力时，宏观气体因毛细孔表面张力而受阻，但在压力梯度作用下，气体将在微空中通过液体扩散，在低压侧释放。在低压侧得的气体流量即为扩散流。

简介岩溶含水层中沿裂隙呈扩展状运动的地下水。

美国学者提出的概念，把泉水受包气带裂隙慢渗透补给称为“扩散流”补给。

按下列公式计算：

DF=KA（P1–P2）H/L （4）

式中：K—扩散常数

A—微孔膜表面积

L—湿润膜厚度

H—气体在液体中溶解度

（P1–P2）—上下游压差

扩散流量可以评价滤芯的完整性。

完整性测试及其与扩散流的相关性制药行业中按照GMP的规定，终端除菌滤器在过滤前和过滤后，都要求进行完整性测试，只有通过完整性测试的滤器，才能保证在整个过滤过程中滤器的除菌效率。阐述了完整性测试方法及测试仪的工作原理。同时，对于普遍使用的压力保持P压力降的完整性测试方法，对比了手动操作和自动仪器测试的特点，推荐在上述测试中使用自动测试仪器。1

完整性测试气泡点或扩散流( 前进流) 的方法都能满足除菌过滤完整性测试的要求。对于给定的系统，选择哪一种方法最为合理，很大程度上取决于所使用过滤器的有效过滤面积。小面积的过滤器，面积小于500cm2，使用气泡点测试；显然此时扩散流的数值太小因而难以利用。面积超过5m2的过滤器扩散流过大，掩盖了粘性流动的出现，以至于干扰了气泡点的测定。在两种测试都可以使用时，则取决于个人偏好，但似乎气泡点方法应用得更广泛些。

因为气泡点和扩散流两种方法的测试值都与某种微生物截留水平相关联，这是所有完整性测试的必要条件，因此它们都可以作为完整性测试的方法。

气泡点法和扩散流的方法既可以手动也可以借助仪器来实施。采用自动仪器，除了容易得到客观的测试值外，还因为无须介入过滤器下游，避免了对系统的无菌度的影响，也是非常有利的。1

气泡点测试无论气泡点测试或扩散流测试操作都是在指定或连续递增的压差下，测量透过润湿滤膜的空气流量。在连续递增的压差下，空气扩散流呈线性增加，直到接近气泡点压力时，空气扩散流突然增大。在气泡点之前，曲线对线性增高的扩散流直线的偏离，源于滤膜的各向异性，正如Reti所述。在最大的孔中液体被排空以后，也就是所定义的气泡点值到达后，空气流非线性增长，同时，更多的较小孔中液体也逐渐被排空。这时，再次连续增大压力，通过无水滤膜的粘性空气流又呈线性增长。空气流曲线的非线性部分反映了滤膜孔径的分布，孔径分布越窄，缓慢的扩散流与快速的粘性流的差异越大。曲线的非线性部分十分模糊，因此很难确定气泡点的确切位置。然而，这里确定准确的气泡点值并不是十分必要的。在空气流发生突变的区域，也就是推测是气泡点的压力值。这个压力值将与无菌滤膜微生物截留要求相对应。1

扩散流测试扩散流测试可作为完整性测试的方法是因为扩散流测量值同微生物挑战测试的实验对应关系。然而，源于与对 它的修正的压力衰减曲线，同微生物挑战测试的实验并不存在这样的对应关系。因此，压力保持P压力降测试本身并不是完整性测试方法。不过，通过数学计算，可以将与微生物挑战测试没有对应关系的压力保持P压力降曲线换算成经典的扩散流值，以建立与微生物挑战测试的对应关系。从这种意义上说，压力保 持P压力降测试被转变成了完整性测试方法。如果用人工方法将一种曲线转换成另一种曲线，将是非常繁重的数学计算。通过全自动的完整性测试仪，运用认证的软件和运算法则，就可以自动将一种曲线转换成另一种曲线。尽管能够手动进行，压力保持P压力降形式的扩散流测试实际上还是采用全自动仪器测试。1

用扩散流模型数值模拟后台阶湍流颗粒输运建立了一个两维气固两相湍流扩散流数学模型，并且用此模型数值模拟了气固两相绕流后台阶的湍流流动。预测分析了台阶后固体颗粒的湍流输运速度，并将预测结果与Lasalandes等的用两种两流体模型( k-ε-Ap，k-ε-kp) 的数值预测结果及实验结果进行了比对，结果表明扩散流数学模型可以用于描述气固两相流动。它的预测效果不但与实用的两流体模型相当，而且还可以正确地预测固体颗粒的横向速度，在这一点上还超过了两流体模型的预测效果。2

基本模型的建立气固两相扩散流模型是将气固两相流动看作 一种气固两相混合物的流动，它是在两流体模型的基础之上，将两流体中的气相与固相的连续方程、动量方程相加形成的一套类似单相流动的控制微分方程组。在湍流流动时，k-ε 方程与单相流动时的完全一 致。固体颗粒在混合物内的扩散速度是气固两相扩散流模型的关键所在。2

颗粒终端速度的建立这样联定义式再加上相应的辅助方程，可以形成一套适合于定常和非定常流动情况的既完整又封闭的气固两相扩散流湍流数学模型。在利用这套封闭的扩散流湍流数学模型求解得到气固两相混合物的流动速度和固相容积份额后，联立气固两相混合物在单位容积内的质心处的质量和速度定义式 以及求解，就可求得固相和气相的分速度，这样整个气固流场的流动就可以得到完全的模拟。2

数值模拟结果比较由于Lasalandes等只公布了固相的速度分布，只对固相速度的数值模拟值与k-ε-Ap，k-ε-kp两种两流体模型以及实验的结果进行了比较。在台阶下游X/H=5和X/H=9两处的沿x方向的固相速度比较，可以看到，扩散流模型 ( DFM ) 的模拟结果与两流体模型和实验值的速度分布形状基本一致，能够精确地预测速度最大值点的位置，并且在某些局部与实验值和两流体模型的预测值相当，壁面上滑移速度的计算值与两种两流体模型的模拟结果 一致，误差不大。2

在台阶后面，固体颗粒的横向速度也要对颗粒的运动产生一 定的影响，使得固体颗粒在流动中生成横向的输运。用扩散流模型 ( DFM ) 预测的固体颗粒分别在X/H=5和X/H=9两处，横向速度分布与两流体模型和实验值的比较。可以看到，只有扩散流模型 ( DFM ) 的预测结果与实验值最接近，并且速度分布以及数值大小都与实验基本一致，在这一点上扩散流模型 ( DFM ) 明显优于两流体模型。Lasalandes等认为两流体模型低估了颗粒在壁面上的法向速度，由此导致颗粒在y方向的速度分布主要取决于湍流质量扩散，最终产生了数值计算偏差。2

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学