界面濃度

任何流體（氣體或液體）由於分子運動，其內部的濃度是均勻的。但當流體與另一液體或固體接觸時，根據邊界層理論，它的分子向相界面擴散受到阻力，界面上物質的濃度和流體內部的濃度有較大差異。這就是界面濃度的產生。

基本介紹

• 中文名：界面濃度
• 外文名：interfacial concentration
• 分類：物理學

產生

（圖）界面濃度

界面濃度

界面濃度的物理意義是單位混合物容積內包括的氣液界面面積。

有濃度變化的一層稱為濃度邊界層，在此產生物質傳遞（簡稱傳質）的阻力。

影響因素

流速對界面濃度有影響。對於一定泡徑的氣泡，近界面濃度和濃度邊界層厚度均呈減小趨勢。

如何求得

（圖）界面濃度

界面濃度的求取
NA=k_x（x_i-x）
NA=k_y（y_i-y）
兩式相比得
（y_i-y）/（x_i-x）=-k_x/k_y①
確定x_i，y_i的方法有兩種
（1）若已知溶解度曲線圖，過點a，以-k_x/k_y為斜率作一條直線，該直線與平衡線交一點b，b點的坐標就是所求的界面濃度。
（2）若一平衡線的函式形式y=f（x）②，聯立①和②。可得界面濃度。

界面濃度

泡狀流局部界面濃度實驗與理論

套用高速數字攝像系統，首先對雙頭電導探針測量泡狀流局部界面濃度的幾種模型進行了標定和評價。 使用標定好的雙頭電導探針技術，對垂直上升管內氣液兩相泡狀流局部界面濃度和含氣率分布特性進行了深入的實驗研究。試驗段為內徑40mm的透明有機玻璃管。 根據試驗數據的分析結果，發展了一種垂直上升管內氣液兩相泡狀流局部界濃度預測模型。

雙頭電導探針方法測量局部界面濃度的標定

液相折算速度J_w=0.424m/s，氣相折算速度為J_G=0.090m/s時，根據相同探針信號，不同模型所得到的局部界面濃度對比結果可知，四種模型均能得到管內的“馬鞍型” 徑向分布特性，管道壁面區域存在明顯的峰值。 但四種模型所得到的局部界面濃度大小差異非常明顯。

不同局部界面濃度模型得到的截面平均界面濃度與高速攝像系統測量結果對比可 以看出使用Kataoaka etal.模型處理雙頭電導探針信號得到的結果與高速攝像系統的界面濃度測量結果最為一致，而其他三種計算方法 得到結果明顯偏大 。說明採用Kataoakaetal局部界面濃度計算方法得到的局部界面濃度比另外三種計算方法更為合理。

局部流動參數的徑向分布特性

雙頭電導探針測量的不同氣相折算速度條件下，管內局部含氣率分布特性。可見，氣泡在流動過程中受到橫向升力、湍流擴散力、壁面力等的藕合作用，在管道壁面形成一個含氣率峰值，整體呈“馬鞍型”分布。 隨氣相流量增大，壁面峰值的位置略有向管道中心遷移的趨勢。 不同氣相折算速度條件下，套用Kataoaka模型得到的局部界面濃度徑向分布特性與局部含氣率的分布十分相似。

局部界面濃度預測模型

從管內局部界面濃度隨局部含氣率的變化趨勢可見，隨局部含氣率增大，局部界面濃度有明顯的增長。 這是因為在氣泡直徑保持不變情況下，局部含氣率的增大勢必會引起局部氣泡數量的增大，進而引起局部界面濃度的增大 。 考慮局部含氣率、不同流動條件下截面平均含氣率、以及物性的影響，根據對實驗數據回歸分析結果得到式中σ、g、p_w和p_g分別表示氣液表面張力、重力加速度、水和空氣的密度。提出的局部界面濃度預測關聯式，能夠很好的對垂直上升管內局部界面濃度分布進行預測。

水平管泡狀流界面濃度

利用雙頭電導探針測量技術，研究了水平管內空氣-水兩相流的界面濃度，並得到了氣液兩相流的界面特性參數(如氣泡速度、氣泡尺寸和界面濃度)及其隨氣液兩相流量的變化規律。研究發現 :隨著氣相流量的增大，各點的氣泡速度、氣泡尺寸、界面濃度相應增加 ;隨著液相流量的增大，除氣泡速度隨之增大外各點的其它參數隨之減小。水平管內界面濃度在同一測量角度的徑向分布類似，界面濃度在管內除水平管徑方向外，沿其它方向的分布都是非對稱的。局部界面濃度在管子的上部最高可達600m^-1，此種現象反映了靠近管子上壁的熱質交換最為強烈。

界面濃度的變化規律

由於浮力作用，界面濃度在管內除沿水平管徑向的分布是對稱的外，沿其它方向的分布都是不對稱的。除水平管徑向外，界面濃度的峰值出現於截面的上半部，即靠近管子上壁r/R=0.4～0.7處。在θ=90°的測量截面上，界面濃度呈現於管中心處出現峰值情形。隨著氣相流量的增大，各點的界面濃度相應增加 ;隨著液相流量的增大，各點的界面濃度相應減小。隨著測量角度θ從0°增加到90°,界面濃度峰值出現的位置逐漸向管中心移動。隨著液相流量的增大，界面濃度從靠近管子下壁處的較小值向靠近管子上壁的較大值 增加的趨勢逐 漸變緩。值得注意的是，在管內θ=0°時界面濃度最高，其峰值超過了600m^-1，而在θ=90°時只有150m ^-1，這反映出隨著測量角度θ從0°增加到90°,界面濃度峰值數值逐漸減小。截面上界面濃度沿某一直徑的分布，在不同的氣相和液相速度下情況類似。

氣泡尺寸

氣泡尺寸是泡狀流中很重要的幾何參數，對這一參數的重視不夠，因為同樣的空隙率值可能是數目較多的小氣泡或者數目較少的大氣泡造成的。由於紊流作用，水平管內的氣泡在管內大部分區域均勻分布，但是在靠近管子頂部，氣泡尺寸略有減小.在r/R=0.4～0.7區域，氣泡尺寸有所增加。其原因之一是浮力的作用使氣泡在上部聚集，另一個原因是氣泡在靠近管子上壁受強烈的速度梯度作用，在這一區域滯留時間稍長，導致氣泡合併或增長。θ=0°時不同徑向位置氣泡尺寸譜，可以看出 :氣泡尺寸的範圍很寬，同時存在很小的氣泡和較大尺寸的氣泡。這一現象被ste-w art稱之為“氣泡尺寸譜的拖尾現象”,在垂直管泡狀流中也可以觀察到同樣的現象。

氣泡速度

氣泡速度在θ=0°及θ=90°下的徑向分布。可見此時氣泡速度的徑向分布在不同測量方向上呈現近於相似的分布趨勢，不同於管內出現空隙率峰值的現象，也沒有觀察到氣泡速度分布中出現峰值的現象。氣泡速度在靠近管子壁面處有所減小，在管內的其它位置 處變化不大，較為平坦。隨著液相流量的增大，各點的氣泡速度也隨之增大。