第六章对流与扩散

对流扩散方程解析解对流扩散方程是一种时空连续的偏微分方程，用来描述包括物理场、热力学场等复杂的时空连续的系统的变化，它的应用非常广泛，涉及地质、海洋、流体力学、化学、生物学等领域，在物理学和数学领域也有广泛的应用。

对流扩散方程最早由瑞士数学家、物理学家和社会理论家埃德加勒索维茨（Ernst Le Saux）发现于20世纪50年代初，他首次提出了独立变量表示温度、浓度、压强等量的方程，开创了流体力学的新时代，使研究者能够更精确地描述物质在自然界中怎样运动和分布。

对流扩散方程有两种解：解析解和数值解。

解析解可以利用偏微分方程的精确解决方案，而数值解可以基于一定的算法，将偏微分方程拆分为一组数学问题来求解。

在研究和模拟流体力学过程方面，这两种方法都有其独特的优势。

解析解的优势在于它可以用更简单的数学方法来求解对流扩散方程。

解析解是由正则运动的对流、扩散和反应可以分解为普朗克方程，从而得到精确的解析解。

解析解可以更容易地揭示出物理性质，但它受限于求解复杂偏微分方程的可行性。

数值解的优势在于它可以更容易地求解复杂的偏微分方程，但由于数值近似的取样和数据处理，它不能得到物理问题的准确的解析解，它只能解决特定条件下的偏微分方程，其结果可能不如解析解的精确。

基于上述分析，求解复杂的对流扩散方程，解析解和数值解可配合使用，以求得更全面的解决方案。

首先，利用解析解可以求得对流扩散方程的精确解，但解析解有可求性和可行性的限制，因此，利用数值解可以求得更为准确的解，可以克服解析解的缺点，求得更全面的解决方案。

其次，可以利用数值解和解析解混合的方式，有效解决对流扩散方程的高精度求解，同时兼顾正确性和可行性。

最后，通过使用数值模拟计算的结果，可以更加直观地得到问题的物理结果，并可以结合解析解的结果，更好地揭示物理规律，为解决有关的实际问题提供更有效的方法。

综上所述，对流扩散方程的解析解和数值解是一种有效的解决方案，既可以提供精确的解决方案，又可以克服解析解的缺点，从而使研究者能够更加准确地描述和模拟物质在自然界中的运动和分布。

H m
H RT
f
/
2 ). exp( S m
S f R
/
2 )
D
D0 .exp(
H m
H RT
f
/
2 )
G = ΔHf/2+ΔHm
D
D0
exp(
G RT
)
此为空位扩散系数的宏观表达式， 其中Do称为频率因子， G称为扩散活化能。
如果是间隙机制， D＝ .2 . .2 .Ni .v
由于晶体中间隙原子浓度常很小，所以实际上间隙原子所有邻 近的间隙位都空着，因而跃迁时位置几率可以视为1，即Ni=1
由菲克第一定律可得出单位时间内氧气的泄漏量：
式中 D —— 氧分子在球罐壁内的扩散系数； —d—c 氧分子在球罐壁内的浓度梯度。
dr
注意：(dG/dt)为常数，积分上式得：
式中c1、c2——分别为氧气在球罐内外壁表面的溶解浓 度， c1 > c2。
➢ 根据西弗尔特（Sievert）定律：双原子分子气体在 固体中的溶解度通常与压力的平方根成正比。
第二节 扩散的热力学理论（扩散的推动力）
动力学理论的不足： (1) 唯象地描述扩散质点所遵循的规律； (2) 没指出扩散推动力
扩散热力学研究的问题： 目标： 将扩散系数与晶体结构相联系； 对象： 单一质点多种质点；
推动力： C x
u x
平衡条件： u 0 x
假设: 在多组分中 质点由高化学位向低化学位扩
第三节 扩散机制和扩散系数
可能的扩散机制： 1、易位：两个质点直接换位 2、环形扩散：同种质点的环状迁移 3、准间隙扩散：从间隙位到正常位，正常位质 点到间隙 4、间隙扩散：质点从一个间隙到另一个间隙 5、空位扩散：质点从正常位置移到空位

概要
本章主要讨论固体材料中扩散的一般规律、扩散的影响因素和扩散机制等内
容
固体材料涉及金属、陶瓷和高分子化合物三类； 金属中的原子结合是以金属键方式； 陶瓷中的原子结合主要是以离子键结合方式为主； 而高分子化合物中的原子结合方式是共价键或氢键结合，并形成长链结构， 这就导致了三种类型固体中原子或分子扩散的方式不同，描述它们各自运动方式 的特征也是本章的主要目的之一。
1.两端成分不受扩散影响的扩散偶（diffusion couple）－焊接过程
解微分方程 → 引入中间变量和误差函数 → 求通解
A1 exp 2 d A2

0
x>0 则＝ 1
→ 边界条件 t＝0 和初始条件
x＝ 则＝ 1 t＝0 x＝－ 则＝ 2
x<0 则＝ 2
扩散的热力学分析
引起上坡扩散还可能有以下一些情况：
1.
弹性应力的作用。晶体中存在弹性应力梯度时，它促使较大半径的原子跑向 点阵伸长部分，较小半径原子跑向受压部分，造成固溶体中溶质原子的不均 匀分布。 晶界的内吸附。晶界能量比晶内高，原子规则排列较晶内差，如果溶质原子 位于晶界上可降低体系总能量，它们会优先向晶界扩散，富集于晶界上，此 时溶质在晶界上的浓度就高于在晶内的浓度。 大的电场或温度场也促使晶体中原子按一定方向扩散，造成扩散原子的不均 匀性。
x d 边界条件 t＝, x=0, = 0 任意时刻 x ,t 0 dx 2 2 Dt x exp 正弦特解为 x, t 0 max 0 sin x 0 A sin
3.衰减薄膜源－表面沉积过程 初始条件 t=0, x＝0, = x 0, =0 边界条件 t>0, x=, =0

输运方程对流扩散方程输运方程是描述物质传输过程的数学模型，常见的有对流扩散方程。

对流扩散方程是由对流和扩散两种机制共同产生的输运过程来描述的，它的一般形式为：∂c/∂t+∇·(v*c)=∇·(D*∇c)其中，c表示物质的浓度或者响应变量，t表示时间，v表示流体的速度场，D表示物质的扩散系数，∇表示梯度运算符。

对流项描述了物质的对流运动，即物质随着流体的移动而移动。

对于三维坐标系来说，对流项可以表示为∇·(v*c)。

具体来说，对流项的每一项分别表示了物质在x、y和z方向上的携带速度与浓度梯度的乘积。

扩散项描述了物质由浓度高处至浓度低处的扩散现象，即物质自发性地从高浓度区域向低浓度区域传播。

扩散项可以表示为∇·(D*∇c)，其中D是扩散系数，表示物质扩散的速率与浓度梯度的乘积。

对流扩散方程的物理意义是描述了物质在流体中传输的速率与物质浓度梯度之间的关系。

通过对流项，方程能够描述物质随着流体的运动快速传输的现象；而通过扩散项，方程能够描述物质由浓度高处向浓度低处传输的现象。

综合考虑对流和扩散的作用，对流扩散方程能够比较准确地描述物质在流体中的传输过程。

对流扩散方程在科学和工程领域有广泛的应用。

例如，在污染物传输和扩散模拟中，对流扩散方程可用于描述污染物由源区到周围空气或水体的传输过程。

在热传导模拟中，对流扩散方程可用于描述热量由高温区域到低温区域的传导过程。

在物质传递过程中，对流扩散方程也被广泛应用于描绘物质的传输行为。

总结起来，对流扩散方程是一种常见的输运方程，它能够描述物质由流体传输并扩散的过程。

通过对流项和扩散项的综合作用，对流扩散方程能够比较准确地描述物质在流体中的传输行为，所以在科学和工程领域有着广泛的应用。