擴散流

當濾芯被測試介質完全潤濕，濾芯兩側的壓力差小於氣泡點壓力時，巨觀氣體因毛細孔表面張力而受阻，但在壓力梯度作用下，氣體將在微空中通過液體擴散，在低壓側釋放。在低壓側得的氣體流量即為擴散流。

基本介紹

• 中文名：擴散流
• 外文名：diffuse flow
• 解釋：氣體流量

簡介

岩溶含水層中沿裂隙呈擴展狀運動的地下水。

美國學者提出的概念，把泉水受包氣帶裂隙慢滲透補給稱為“擴散流”補給。

按下列公式計算：

DF=KA（P₁–P₂）H/L （4）

式中：K—擴散常數

A—微孔膜表面積

L—濕潤膜厚度

H—氣體在液體中溶解度

（P₁–P₂）—上下游壓差

擴散流量可以評價濾芯的完整性。

完整性測試及其與擴散流的相關性

製藥行業中按照GMP的規定，終端除菌濾器在過濾前和過濾後，都要求進行完整性測試，只有通過完整性測試的濾器，才能保證在整個過濾過程中濾器的除菌效率。闡述了完整性測試方法及測試儀的工作原理。同時，對於普遍使用的壓力保持P壓力降的完整性測試方法，對比了手動操作和自動儀器測試的特點，推薦在上述測試中使用自動測試儀器。

完整性測試

氣泡點或擴散流( 前進流) 的方法都能滿足除菌過濾完整性測試的要求。對於給定的系統，選擇哪一種方法最為合理，很大程度上取決於所使用過濾器的有效過濾面積。小面積的過濾器，面積小於500cm²，使用氣泡點測試；顯然此時擴散流的數值太小因而難以利用。面積超過5m²的過濾器擴散流過大，掩蓋了粘性流動的出現，以至於干擾了氣泡點的測定。在兩種測試都可以使用時，則取決於個人偏好，但似乎氣泡點方法套用得更廣泛些。

因為氣泡點和擴散流兩種方法的測試值都與某種微生物截留水平相關聯，這是所有完整性測試的必要條件，因此它們都可以作為完整性測試的方法。

氣泡點法和擴散流的方法既可以手動也可以藉助儀器來實施。採用自動儀器，除了容易得到客觀的測試值外，還因為無須介入過濾器下游，避免了對系統的無菌度的影響，也是非常有利的。

氣泡點測試

無論氣泡點測試或擴散流測試操作都是在指定或連續遞增的壓差下，測量透過潤濕濾膜的空氣流量。在連續遞增的壓差下，空氣擴散流呈線性增加，直到接近氣泡點壓力時，空氣擴散流突然增大。在氣泡點之前，曲線對線性增高的擴散流直線的偏離，源於濾膜的各向異性，正如Reti所述。在最大的孔中液體被排空以後，也就是所定義的氣泡點值到達後，空氣流非線性增長，同時，更多的較小孔中液體也逐漸被排空。這時，再次連續增大壓力，通過無水濾膜的粘性空氣流又呈線性增長。空氣流曲線的非線性部分反映了濾膜孔徑的分布，孔徑分布越窄，緩慢的擴散流與快速的粘性流的差異越大。曲線的非線性部分十分模糊，因此很難確定氣泡點的確切位置。然而，這裡確定準確的氣泡點值並不是十分必要的。在空氣流發生突變的區域，也就是推測是氣泡點的壓力值。這個壓力值將與無菌濾膜微生物截留要求相對應。

擴散流測試

擴散流測試可作為完整性測試的方法是因為擴散流測量值同微生物挑戰測試的實驗對應關係。然而，源於與對 它的修正的壓力衰減曲線，同微生物挑戰測試的實驗並不存在這樣的對應關係。因此，壓力保持P壓力降測試本身並不是完整性測試方法。不過，通過數學計算，可以將與微生物挑戰測試沒有對應關係的壓力保持P壓力降曲線換算成經典的擴散流值，以建立與微生物挑戰測試的對應關係。從這種意義上說，壓力保 持P壓力降測試被轉變成了完整性測試方法。如果用人工方法將一種曲線轉換成另一種曲線，將是非常繁重的數學計算。通過全自動的完整性測試儀，運用認證的軟體和運算法則，就可以自動將一種曲線轉換成另一種曲線。儘管能夠手動進行，壓力保持P壓力降形式的擴散流測試實際上還是採用全自動儀器測試。

用擴散流模型數值模擬後台階湍流顆粒輸運

建立了一個兩維氣固兩相湍流擴散流數學模型，並且用此模型數值模擬了氣固兩相繞流後台階的湍流流動。預測分析了台階後固體顆粒的湍流輸運速度，並將預測結果與Lasalandes等的用兩種兩流體模型( k-ε-A_p，k-ε-k_p) 的數值預測結果及實驗結果進行了比對，結果表明擴散流數學模型可以用於描述氣固兩相流動。它的預測效果不但與實用的兩流體模型相當，而且還可以正確地預測固體顆粒的橫向速度，在這一點上還超過了兩流體模型的預測效果。

基本模型的建立

氣固兩相擴散流模型是將氣固兩相流動看作 一種氣固兩相混合物的流動，它是在兩流體模型的基礎之上，將兩流體中的氣相與固相的連續方程、動量方程相加形成的一套類似單相流動的控制微分方程組。在湍流流動時，k-ε 方程與單相流動時的完全一 致。固體顆粒在混合物內的擴散速度是氣固兩相擴散流模型的關鍵所在。

顆粒終端速度的建立

這樣聯定義式再加上相應的輔助方程，可以形成一套適合於定常和非定常流動情況的既完整又封閉的氣固兩相擴散流湍流數學模型。在利用這套封閉的擴散流湍流數學模型求解得到氣固兩相混合物的流動速度和固相容積份額後，聯立氣固兩相混合物在單位容積內的質心處的質量和速度定義式 以及求解，就可求得固相和氣相的分速度，這樣整個氣固流場的流動就可以得到完全的模擬。

數值模擬結果比較

由於Lasalandes等只公布了固相的速度分布，只對固相速度的數值模擬值與k-ε-A_p，k-ε-k_p兩種兩流體模型以及實驗的結果進行了比較。在台階下游X/H=5和X/H=9兩處的沿x方向的固相速度比較，可以看到，擴散流模型 ( DFM ) 的模擬結果與兩流體模型和實驗值的速度分布形狀基本一致，能夠精確地預測速度最大值點的位置，並且在某些局部與實驗值和兩流體模型的預測值相當，壁面上滑移速度的計算值與兩種兩流體模型的模擬結果 一致，誤差不大。

在台階後面，固體顆粒的橫向速度也要對顆粒的運動產生一 定的影響，使得固體顆粒在流動中生成橫向的輸運。用擴散流模型 ( DFM ) 預測的固體顆粒分別在X/H=5和X/H=9兩處，橫向速度分布與兩流體模型和實驗值的比較。可以看到，只有擴散流模型 ( DFM ) 的預測結果與實驗值最接近，並且速度分布以及數值大小都與實驗基本一致，在這一點上擴散流模型 ( DFM ) 明顯優於兩流體模型。Lasalandes等認為兩流體模型低估了顆粒在壁面上的法向速度，由此導致顆粒在y方向的速度分布主要取決於湍流質量擴散，最終產生了數值計算偏差。