液相质扩散系数的数学描述及实验验证

摘要

在传递现象的研究中，全息干涉法已被公认为一种最直观有效的方法。由于具有精度及灵敏度高、信息量大、无干扰、可进行瞬态测量和整场观察等优点，已被广泛应用于流场中诸如速度、温度、浓度和密度等的许多物性参数的定性或定量测量。液相分子扩散系数是描述质量传递的最重要的物性参数之一，由于缺乏精确的理论预测方法，迫切需要开发一种精密测试技术以满足实际应用和理论验证的需要。 首先，理论上，查阅大量与液相质扩散系数相关的文献，认真总结并比较前人实验方法的优点和不足，确定了使用数字全息激光干涉法测量液相质扩散系数。 其次，实验上，在研究传统光学实验系统的基础上，设计并搭建了基于数字图像全息干涉法测量液相质扩散系数的实验系统；设计新型的扩散槽系统，使得待测物质的分界面更加清晰；在扩散槽底部设计了锥形的整流栅，使用了新的注液方法，减小了注液时的扰动，提高了实验精度；引入了循环水浴温度控制系统，控温精度在±0．1K，使实验能够在严格的温度要求下实现流体质扩散系数的测量。 本文以费克第二定律为理论基础，依据半无限厚板中扩散过程的原理建立质扩散数学模型，并在模型中采用激光全息干涉实验方法所测得的干涉条纹最大值参数，获得液液质扩散系数数学描述。测得温度为15℃时，浓度0．10mol·L-1的蔗糖溶液向水溶液中扩散产生的干涉条纹极值，计算出蔗糖溶液液相质扩散系数值，与文献值比较，其误差为3．67％，标准偏差为0．378，验证了基于干涉条纹极大值点质扩散公式的准确性。为化工工程上研究替代制冷剂急需的质扩散系数的理论研究提供了有效的数学方法。

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第一章绪论

1.1液相质扩散系数的研究背景及意义

1.2液相质扩散系数理论研究方法概述

1.2.1流体力学理论

1.2.2 Eyring绝对速率理论

1.2.3统计力学理论

1.2.4 Lamm-Dullien方法

1.3液相质扩散系数实验测量方法

1.3.1隔膜池法

1.3.2无限偶棒法

1.3.3Taylor分散法

1.3.4自旋回波核磁共振

1.3.5动态光散射

1.4激光全息干涉法在测量质扩散系数方面的应用

1.4.1二次曝光全息干涉法

1.4.2实时全息干涉法

1.4.3数字全息干涉法

1.5电耦合器件CCD简介

本章小结

第二章传质理论及全息干涉法测量液相质扩散系数

2.1动量、热量和质量传递之间的联系

2.1.1分子运动引起的动量、热量和质量传递

2.1.2流体的粘度确定

2.1.3导热系数确定

2.1.4扩散系数估算

2.2传质理论简介

2.2.1传质理论概况

2.2.2停滞膜模型

2.2.3时均流场模型

2.2.4溶质渗透和表面更新模型

2.3全息干涉简介

2.3.1全息术

2.3.2数字全息术

2.3.3光学全息干涉法

2.4数字全息干涉

2.4.1数字全息干涉的主要特点

2.4.2全息干涉相关必要条件

2.4.3液相质扩散系数的实时全息干涉法测量原理

2.5实时全息干涉法测量液相浓度场理论基础

2.5.1扩散产生干涉条纹与折射率的关系

2.5.2扩散溶液浓度、折射率以及物光相位变化的关系

本章小结

第三章液相质扩散系数理论的数学描述

3.1分子间扩散传质

3.1.1分子间扩散浓度、速度与通量的关系

3.2质量衡算方程和扩散方程

3.3定常分子扩散

3.4非定常分子扩散

3.4.1扩散方向的长度为无限长

3.4.2扩散方向的长度为有限长

3.5液相质扩散系数的推导

3.6基于干涉条纹极大值点液相质扩散系数的理论研究

3.6.1基本扩散方程的引出

3.6.2质扩散溶液浓度公式的推导

3.6.3基于干涉条纹极大值点液相质扩散系数的推导

本章小结

第四章基于激光全息干涉法测量液相质扩散系数的实验

4.1激光全息干涉实验应用光路的系统

4.2液-液传质扩散系统

4.3循环水域温度调节系统

4.4 CCD传感器的应用

4.5实验步骤及注意事项

4.5.1实验步骤

4.5.2注意事项

本章小结

第五章基于激光全息干涉法测量液相质扩散系数的实验验证

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢