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关于水气界面处的气体传输

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关于 水气 界面 气体 传输
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© 1994 、、 勺关 于 水 气 界 面 处 的 气 体 传 输贾 复中 国 科 学 院 力 学 研 究 所 , 北 京摘 要 水 气 界 面 处 的 气 体 传 输 问 题 由 于 其 对 于 地 球 大 气 中 温 室 效 应 气 体 收 支 的 重 要 意 义 , 近年 来 受 到 广 泛 的 关 注 综 述 国 际 上 在 水 气 界 面 处 传 质 研 究 的 新 进 展 , 在 简 评 各 种 基 本 的 传 质 模型 基 础 上 , 着 重 介 绍 在 剪 切 水 气 界 面 附 近 湍 流 相 干 结 构 及 其 与 气 体 传 输 的 关 系 方 面 的 一 些 新 发现 、 新 观 点 对 于 实 际 海 气 界 面 气 体 传 输 的 若 干 机 制 进 行 了 评 述 为 实 际 估 算 海 气 界 面 处 气 体传 输 速 度 的 目 的 , 建 议 了 一 种 综 合 考 虑 剪 切 与 波 破 碎 两 种 机 制 的 气 体 传 输 复 合 计 算 方 法 , 得 到与 实 测 较 满 意 的 符 合关 键 词 气 体 传 输 , 水 气 界 面 , 水 气 界 面 附 近 湍 流引 言 及 早 期 模 式 研 究液 一 气 界 面 处 的 传 质 是 广 泛 存 在 于 自 然 界 和 工 程 技 术 实 践 中 的 问 题 为 了 提 高 气 体 吸 附 、蒸 发 、 冷 凝 设 备 的 效 率 , 把 握 气 泡 柱 、 搅 拌 器 中 气 液 相 间 的 传 质 和 反 应 过 程 之 间 的 关 系 , 人 们十 分 关 心 影 响 液 一 气 界 面 气 体 传 输 过 程 的 因 素 , 化 学 工 程 师 们 进 行 了 大 量 有 关 的 实 验 和 理 论 研究 可 以 说 , 在 年 代 以 前 , 液 一 气 界 面 处 的 传 质 研 究 主 要 是 由 化 学 工 程 界 所 推 动 年 代以 来 , 另 外 一 个 很 不 同 的 社 会 需 求 领 域 给 水 一 气 界 面 处 气 体 传 输 的 研 究 带 来 新 的 推 动 力 从 全球 环 境 角 度 看 , 海 洋 是 温 室 效 应 气 体 的 最 大 的 汇 通 过 水 一 气 界 面 , 浩 瀚 的 海 洋 以 何 等 速 率 吸收 大 气 中 的 等 影 响 地 球 气 候 的 气 体 这 种 速 率 与 风 速 、 海 洋 水 面 水 文 状 况 关 系 又 如 何人 们 如 何 进 行 监 测 这 些 都 逐 渐 成 了 社 会 公 众 所 关 心 的 问 题 国 际 社 会 对 环 境 保 护 及 全 球 气 候变 化 的 严 重 关 切 , 使 水 一 气 界 面 处 气 体 传 输 研 究 出 现 了 一 个 新 高 潮 年 在 美 国 大学 , 年 在 美 国 大 学 以 及 年 在 德 国 大 学 , 相 继 召 开 了 三 次 关 于水 气 界 面 处 的 气 体 传 输 国 际 学 术 会 议 ‘ 一 不 同 领 域 的 研 究 者 们 汇 聚 一 堂 , 充 分 展 示 了 当 前 人们 对 于 这 个 问 题 的 浓 厚 兴 趣 及 其 研 究 成 果 及 最 近 专 门 就 这 一 专 题 作 了 深入 的 评 论 ’水 一 气 界 面 处 的 气 体 传 输 是 一 个 很 复 杂 的 过 程 在 水 一 气 直 接 连 接 处 , 传 输 是 在 浓 度 梯 度下 通 过 分 子 扩 散 实 现 , 而 交 界 面 两 侧 一 般 都 毗 邻 水 和 气 的 湍 流 边 界 层 , 这 些 湍 流 层 中 的 湍 流 活动 直 接 调 控 着 分 子 扩 散 层 中 的 扩 散 过 程 此 外 , 对 于 自 然 界 水 一 气 系 统 而 言 , 风 生 波 、 波 破 碎收 稿 日 期 一 一 , 修 回 日 期 一 一’ 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目© 1994 、 水 滴 都 使 问 题 更 加 复 杂 让 我 们 从 最 基 本 的 过 程 谈 起 由 于 传 输 最 终 通 过分 子 扩 散 进 行 , 可 根 据 定 律 写 出户 ’ 一 工 夕 吧 ,一艺其 中 为 气 体 通 量 ,一 般 即 为 铅 直 坐 标为 如 下 形 式为 所 传 输 的 痕 量 气 体 的 分 子 扩 散 系 数 , 为 其 浓 度 , 为 水 面 法 向也 可 以 把 通 量 近 似 写乙 , 乙其 中 , 乙 是 气 体 浓 度 有 显 著 变 化 的 深 度 尺度 , 乙 为 浓 度 在 其 中 的 变 化 具 有 速 度量 纲 , 是 人 们 习 惯 采 用 表 示 气 体 传 输 的 量 ,称 为 传 输 速 度 , 得 知 后 , 便 可 根 据 气 体 浓度 梯 度 导 出 其 传 输 通 量气 体 传 输 的 最 早 、 最 简 单 的 模 式 也 许是 的 所 谓 “ 膜 模 式 , ,及 【 近 年 来 基 于 它 进行 了 许 多 实 质 性 工 作 , 从 而 使 膜 模 式 并 没 有失 去 它 的 价 值 膜 模 式 的 要 点 示 于 图水 膜 落落 ··图 水 气 界 面 两 侧 的 物 质 浓 度 边 界 层 示 意 图膜 模 式 认 为 , 在 液 一 气 界 面 两 侧 各 存 在 一 很 薄 的 膜 层 , 痕 量 气 体 的 浓 度 梯 度 就 集 中 在 膜 层之 中 , 在 层 内 进 行 的 是 分 子 扩 散 过 程 层 外 湍 流 活 动 的 强 弱 影 响 着 膜 层 厚 度 乙 的 变 化 , 从 而会 改 变 浓 度 梯 度 而 影 响 气 体 传 输 速 度 所 导 出 的 传 输 速 度 表 达 式 即 为 式 对 于 一 个 恒 稳 传 输过 程 , 可 有。 。 一 , , ‘ 一其 中 , , , , 。 和 , , , , 分 别 为 气 相 和 液 相 气 体 的 传 输 速 度 、 整 体 浓 度 及 在 界 面 处 的 浓 度假 设 在 界 面 处 所 传 输 的 气 体 满 足 定 律 , 则 有, 几其 中 为 常 数 由 , 式 可 有凡 , 一 二 。 一其 中 , , , ‘ , ‘ 十 , 均 可 视 为 传 输 的 总 阻 力 如 记 , 三 ‘ ,, 三 , 可 以 把 和 , 分 别 理 解 为 气 体 传 输 时 在 液 相 和 气 相 中 的 阻 力 总 阻 力 则 有和 , 的 相 对 大 小 表 示 着 传 输 阻 力 主 要 来 自 何 方 一 般 实 测 到 的 总 是 总 阻 力 , 不 过 , 与 , 中通 常 总 有 一 个 占 主 导 对 于 相 对 不 溶 的 气 体 , 如 , , 等 , 液 相 阻 力 大 , 而 水 溶 性 气 体 ,如 , , 等 , 则 气 相 阻 力 较 大 前 者 称 为 液 相 控 制 的 气 体 传 输 , 后 者 称 为 气 相 控 制 的 气体 传 输 对 于 人 们 有 很 大 兴 趣 的 液 相 控 制 传 输 情 形 , 由 于 物 质 扩 散 系 数 远 小 于 动 量 扩 散 系 数 ,数 约 为 的 量 级 , 因 此 在 液 相 一 侧 , 物 质 扩 散 的 边 界 层 远 比 速 度 边 界 层 薄 , 传 输 的© 1994 , 而 这 和 普 遍 接 受 的 , , 不 一 致 此 外 对 于膜 层 外 湍 流 与 膜 层 厚 度 的 关 系 并 未 涉 及 , 因 此 还 不 能 直 接 应 用 尽 管 如 此 等 人 采 用膜 模 式 揭 示 了 许 多 重 要 痕 量 气 体 传 输 阻 力 的 特 点膜 模 式 的 缺 陷 引 导 了 的 “ 穿 透 模 式 , , 、的 “ 表 面 更 新 模 式 ” 、 的 出 现 设 想 液 体 中 的 湍 流 活 动 不时 地 例 如 以 时 间 间 隔 把 深 处 液 体 带 至 表 面 并 在 时 间 间 隔 内 与 气 相 接 触 进 行 非 定 常 分 子扩 散 过 程 , 然 后 这 些 处 于 表 面 的 流 体 又 将 沉 入 深 处 , 表 面 被 新 的 深 处 流 体 所 置 换 根 据 这 种 模式 有无 二 , ‘其 中 是 表 面 暴 露 时 间 为 了 计 及 湍 流 随 机 性 对 表 面 置 换 的 作 用 , 修 改 了模 式 中 恒 定 暴 露 时 间 即 二 的 假 设 , 认 为 表 面 元 随 机 地 被 置 换 且 被 置 换 概 率 与 其 存 在于 表 面 的 时 间 无 关 根 据 这 样 的 模 式 , 气 体 传 输 速 度 可 表 为凡 ‘其 中 为 表 面 置 换 率 这 些 表 面 更 新 模 式 都 正 确 地 导 出 了 , ‘ “ 的 结 论 , 也 合 理 地 把 湍 流活 动 的 影 响 模 式 化 为 表 面 更 新 作 用 , 在 概 念 上 有 了 前 进 表 面 更 新 模 式 成 了 多 年 来 液 气 界 面 传质 的 重 要 模 式 但 是 无 论 在 模 式 中 还 是 在 的 模 式 中 , 本 质 性 问 题 都 依 然 存在 体 现 湍 流 作 用 的 暴 露 时 间 或 表 面 置 换 率 在 一 给 定 流 动 系 统 下 仍 为 未 知 , 有 待 后 验 性 地 决 定年 代 末 至 年 代 初 , 为 了 合 理 计 及 湍 流 的 作 用 , 出 现 了 所 谓 涡 结 构 模 型 , 即和 【 的 所 谓 大 涡 结 构 模 式 和 等 ‘ “ 和 及 ‘ ’提 出 的 所 谓 小 涡 结 构 模 式 大 涡 模 式 认 为 , 在 液 体 表 面 , 主 宰 气 体 传 输 的 涡 是 长 度 尺 度 为 和速 度 尺 度 为 的 一 些 旋 子 结 构 , 并 且 假 设 为 湍 流 的 积 分 尺 度 而 为 湍 流 动 能 的 均 方根 即 认 为 气 体 传 输 是 以 湍 流 含 能 涡 为 主 进 行 的 如 此 得 到 的 气 体 传 输 速 度 为无 刀 。 石 ‘及 虽 然 认 为 湍 流 能 谱 各 种 波 数 涡 旋 都 起 作 用 , 但 采 用 谱 分 析 的 结 果 ,发 现 小 尺 度 耗 散 涡 对 于 气 体 传 输 更 为 重 要 , 因 而 被 称 为 小 涡 结 构 模 型 所 导 出 的 气 体 传 输 速 度是无 , ‘ 一 ‘ ,其 中 , 。 。 为 数 , ‘ 为 湍 流 耗 散 率 , , 为 粘 性 系 数涡 结 构 模 型 在 概 念 上 使 表 面 更 新 涡 进 一 步 与 湍 流 的 概 念 建 立 了 联 系 , 实 用 上 也 有 了 更 重 要的 价 值 但 是 对 于 一 给 定 流 动 系 统 如 何 确 定 模 式 中 参 数 的 问 题 以 及 到 底 是 什 么 尺 度 的 涡 对 于 气体 传 输 起 主 要 作 用 等 问 题 没 有 得 到 解 决 和 统 一除 之 外 , 还 有 采 用 涡 动 扩 散 系 数 概 念 的 一 类 模 式 如 ’ 和 与 ‘ ”这 些 模 式 均 认 为 湍 流 涡 动 扩 散 系 数 随 着 距 表 面 距 离 减 小 而 急 剧 减 小 如 湍 流 扩 散 系 数 与 至 表 面距 离 平 方 成 比 例 , 也 可 导 出 二 ‘ “ 的 结 果 这 些 模 式 正 确 反 映 了 边 界 条 件 的 作 用 , 在 液 一 气界 面 传 质 问 题 中 也 具 有 一 定 的 实 用 功 能以 上 种 种 , 基 本 都 属 于 概 念 性 模 式 它 们 合 理 地 引 入 了 涡 、 表 面 更 新 等 概 念 以 及 涡 动 扩 散系 数 变 化 的 特 征 等 , 后 来 的 事 实 也 部 分 地 证 实 了 它 们 不 过 它 们 终 究 并 非 建 立 在 对 于 湍 流 的 实·© 1994 , 所 含 参 数 的 确 定 有 较 大 任 意 性 由 此 也 可 以 看 出 , 气 体 传 输 模式 的 进 一 步 发 展 有 待 于 对 水 一 气 界 面 邻 近 的 湍 流 的 观 察 和 研 究 这 也 导 致 了 人 们 对 于 靠 近 水 气界 面 附 近 湍 流 的 浓 厚 研 究 兴 趣年 代 以 来 的 若 干 重 要 结 果年 代 以 来 , 人 们 对 于 液 一 气 界 面 附 近 流 体 运 动 的 研 究 获 得 了 若 干 重 要 的 理 论 和 实 验 的 成果 , 从 而 使 水 一 气 界 面 气 体 传 输 研 究 大 大 深 入 一 步首 先 , 为 研 究 可 滑 移 边 界 对 于 湍 流 的 作 用 , 和 ’ 建 立 了 均 匀 各 向 同 性 湍 流在 运 动 边 界 附 近 结 构 特 点 的 理 论 模 式 , 随 即 获 得 了 实 验 的 支 持 据 此 理 论 , 在 边 界 处 的 粘 性主 导 的 薄 层 外 , 在 约 一 个 积 分 尺 度 内 湍 流 结 构 受 到 影 响 , 它 是 远 场 湍 流 和 为 抵 消 边 界 处 法 向 速度 而 布 置 于 边 界 一 侧 的 涡 映 象 所 引 起 的 无 旋 流 动 的 迭 加 和 对 于 振动 栅 格 产 生 的 湍 流 在 自 由 面 附 近 的 特 征 进 行 了 详 细 的 测 量 和 研 究 其 结 果 表 明 , 一理 论 正 确 地 预 言 了 均 匀 各 相 同 性 湍 流 在 无 剪 切 自 由 表 面 附 近 的 行 为 在 接 近 自 由 面 时 , 均 匀 各向 同 性 湍 流 的 铅 直 脉 动 速 度 受 到 抑 制 , 积 分 尺 度 趋 于 零 , 而 水 平 速 度 反 而 有 一 定 增 强 , 积 分 尺度 趋 于 常 值 根 据 上 述 理 论 导 出 如 下 形 式 的 气 体 传 输 速 度 关 系 式 扭“ 。 蕊 ‘ 于 ‘ 五 ‘ 一 , 几 矛 ‘ ‘其 中 , 为 常 数 , , 为 湍 流 数 , , 为 远 场 湍 流 速 度 和 长 度尺 度 据 式 在 得 到 的 结 果 和 大 、 小 涡 结 构 模 式 即 式 和 的 比 较 示 于 图 引 自 文 献【 」 ·从 图 可 以 看 出 , 式 在 一 定 程 度 上 统 一 了 历 史 上 大 、 小 涡 结 构 模 式 之 争 在 大 、 小数 时 , 式 分 别 趋 于 大 涡 结 构 模 型 即 式 和 小 涡 结 构 模 型 即 式 这 些 研究 标 志 了 用 流 体 力 学 的 理 论 和 实 验 方 法 深 入 探 讨 可 滑 移 面 附 近 湍 流 问 题 的 开 端当 然 , 在 实 际 水 气 界 面 附 近 的 湍 流 , 来 源 和 结 构 多 种 多 样 , 远 比 均 匀 各 相 同 性 湍 流 复 杂自 然 界 大 气 海 洋 界 面 , 湍 流 能 源 最 主 要 来 自 风 的 作 用 , 它 通 过 直 接 的 剪 切 作 用 和 所 产 生 的 表 面波 的 破 碎 等 过 程 产 生 大 量 湍 流 , 因 此 研 究 剪 切 水 气 界 面 上 气 体 传 输 机 制 成 为 一 个 重 要 目 标年 代 末 及 年 代 初 期 , 等 人 ’ , ‘ ” 及 和 , ‘ 对 于 明 渠 流 动 的 零 剪 切和 剪 切 界 面 附 近 的 湍 流 作 了 深 入 考 察 , 在 揭 示 这 类 湍 流 结 构 特 征 、 分 析 其 与 气 体 传 输 速 度 的 关系 上 获 得 了 一 些 实 质 性 进 展 伪 等 在 明 渠 流 动 中 同 步 进 行 了 气 体 传 输 测 量 和 界 面 附 近 湍流 的 可 视 化 观 察 及 激 光 测 速 , 发 现 水 气 界 面 “ 表 面 更 新 涡 ” 与 界 面 附 近 的 有 组 织 运 动 或 碎 发 事件 有 很 强 的 关 联 这 种 有 组 织 运 动 有 可 能 是 固 体 底 边 界 碎 发 涡 升 至 界 面 所 致 ‘ ” 这 种 情 况 与 化工 过 程 的 气 一 液 界 面 传 质 有 关 , 也 可 能 是 在 剪 切 水 气 界 面 附 近 直 接 发 生 的 粹 发 形 成 ” 对 于 水深 足 够 大 的 地 球 物 理 学 问 题 , 底 边 界 湍 流 影 响 一 般 很 小 在 两 种 情 况 下 , 这 些 涡 或 碎 发 事 件 出现 的 频 率 可 以 与 某 些 流 动 量 关 联 如 摩 擦 速 度 等 , 同 时 它 们 又 可 以 和 气 体 传 输 速 度 直 接关 联 对 于 风 剪 切 水 面 , 等 给 出 了 与 。 的 实 验 关 系 , 该 式 可 以 拟 合 为一 。 圣 。 一其 中 以 , 。 , 以 为 单 位 这 些 关 系 式 可 以 说 是 首 次 根 据 实 际 测 量 把 剪 切 水 表 面 更 新 涡特 征 时 间 确 定 下 来 , 同 时 赋 予 了 明 确 的 流 体 力 学 意 义 , 即 表 面 附 近 碎 发 事 件 的 频 率等 把 作 为 和 的 涡 结 构 模 型 即 式 中 的 叮 , 结 合 其 实 测 的 和 。 , 的© 1994 ‘ ’,。‘ 仍搜一图 均 匀 各 相 同 性 湍 流 在 自 由 面 引 起 的 传 轴 速 度其 中 ’ , 尸 , 与 ‘ 的 物 理 解 释 可 参 见 【图 示 出 按 式 计 算 的 结 果 与 众 多 作 者 们 在 风 水 槽 实 验 和 海 面 野 外 实 测 的 数 据 数 据 来源 可 参 见 【 」一,口戈屯一。 。 ·图 剪 切 模 式 与 实 测 结 果 的 比 较图 中 首 先 可 看 出 , 该 模 式 式 在 较 高 风 速 时 。 , 值 趋 于 渐 近 值等 解 释 为 剪 切 的 作 用 趋 于 饱 和 由 于 公 式 不 计 及 波 破 碎 的 作 用 , 所 以 该 模 式 只 适用 于 不 发 生 波 破 碎 的 风 剪 切 界 面 的 情 形 同 时 我 们 从 图 看 到 , 即 使 在 低 风 速 , 与 大 多 数 实 测结 果 相 比 该 模 式 也 偏 高 地 估 计 了 气 体 传 输 速 度 这 可 能 和 作 者 们 如 何 合 理 计 数 碎 发 事 件 有 关 ,如 所 指 出 , 也 可 能 是 由 于 把 局 部 碎 发 事 件 的 计 蠢 用 于 所 采 用 的 二 维 表 面 更 新 模 型© 1994 , ’ 对 于 剪 切 水 气 界 面 附 近 湍 流 相 干 结 构 的 直 接 观 察他 们 发 现 当 水 一 气 界 面 上 的 剪 切 率 充 分 高 时 , 在 界 面 附 近 , 如 同 等 人 畔 在 年 代对 于 固 壁 边 界 附 近 所 发 现 的 湍 流 碎 发 现 象 一 样 , 也 会 发 生 快 慢 流 体 条 带 及 间 歇 性 碎 发等 过 程 王 双 峰 等 【 最 近 也 作 了 类 似 的 观 察 不 同 处 是 采 用 了 较 大 的 水 深 , 从 而 可 以排 除 底 壁 面 湍 流 边 界 层 的 干 扰 文 , 」 报 道 的 实 验 水 深 为 他 们 同 样 观 察 到 了 界 面 附近 湍 流 粹 发 演 化 的 过 程 尽 管 对 于 剪 切 水 气 界 面 附 近 湍 流 的 这 些 研 究 还 是 初 步 的 , 但 这 些 结 果意 味 着 , 剪 切 对 于 湍 流 粹 发 是 本 质 的 , 而 滑 移 边 界 条 件 会 给 湍 流 碎 发 带 来 哪 些 新 特 点 则 是 一 些值 得 细 致 研 究 的 问 题风 作 用 下 水 一 气 界 面 上 的 气 体 传 输当 我 们 面 对 自 然 界 实 际 的 水 气 界 面 时 , 问 题 就 变 得 非 常 复 杂 在 风 剪 切 作 用 下 , 不 止 有 其所 推 动 的 水 流 、 表 面 波 动 , 风 生 波 还 会 破 碎 , 还 会 造 成 水 滴 的 飞 溅 和 气 泡 的 卷 入 等 这 些 过 程都 会 对 气 体 传 输 作 出 贡 献 图 中 表 示 出 的 在 外 海 、 湖 泊 及 实 验 室 内 不 同 尺 寸 风 水 槽 内 气 体 传输 速 度 与 风 速 关 系 的 实 测 结 果 , 使 我 们 既 明 确 地 看 到 传 输 速 度 随 风 速 增 加 而 增 加 的 事 实 , 又 得到 了 数 据 散 布 十 分 巨 大 的 印 象 测 量 数 据 散 布 如 此 之 大 由 诸 多 因 素 造 成 首 先 , 迄 今 无 论 在 实验 室 还 是 在 实 际 现 场 , 人 们 还 不 具 有 一 种 可 准 确 地 测 量 瞬 态 、 局 地 气 体 通 量 的 手 段 , 这 也 是 水气 界 面 气 体 传 输 研 究 领 域 中 最 实 质 性 的 问 题 之 一 及 ’ 最 近 的 文 章 对 此 作了 专 门 的 评 述 , 对 于 气 体 传 输 测 量 的 困 难 所 在 和 最 近 出 现 的 新 技 术 、 新 成 果 都 有 精 彩 的 评 述 ,对 于 气 体 传 输 实 际 测 量 有 兴 趣 的 读 者 推 荐 去 阅 读当 然 , 测 量 数 据 散 布 大 也 表 明 , 水 气 界 面 处 气 体 传 输 速 度 除 了 依 赖 风 速 外 尚 受 到 其 他 因 素的 影 响 , 例 如 海 水 表 面 的 污 染 膜 就 会 极 大 地 影 响 界 面 附 近 的 湍 流 , 从 而 影 响 传 输 速 度 在 当 前 的知 识 和 技 术 水 平 上 , 人 们 对 于 水 气 界 面 处 气 体 传 输 机 制 还 不 能 作 出 明 确 的 结 论 性 意 见 但 是 ,对 于 以 下 人 们 讨 论 较 多 的 诸 传 输 机 制 作 一 简 要 评 述 是 有 益 的表 面 波早 期 研 究 年 代 中 , 人 们 就 注 意 到 了 气 体 传 输 速 度 随 风 速 的 增 加 而 增 加 的 过 程 中 , 不 同阶 段 有 不 同 的 规 律 如 可 参 见 的 文 【 』 许 多 学 者 认 为 , 从 初 始 的 线 性 增 长 阶 段 到 其 后的 非 线 性 阶 段 的 转 变 发 生 在 表 面 波 出 现 时 因 而 一 种 显 见 的 解 释 被 提 出 , 认 为 气 体 传 输 随 表 面波 出 现 而 加 快 是 由 于 表 面 波 增 加 了 液 一 气 的 接 触 面 积 所 致 这 种 解 释 吸 引 了 许 多 研 究 者 去 证 实它 然 而 结 果 却 是 否 定 的 一 般 估 计 , 随 风 浪 的 出 现 水 气 界 面 的 增 加 不 超 过 参 见 文 」 ,细 心 的 观 测 进 一 步 表 明 及 【 即 使 在 很 高 的 风 速 下 , 表 面 波 所 增 加 的 水 气 接触 面 积 一 般 也 低 于 , 不 能 解 释 高 风 速 时 传 输 速 度 成 数 倍 的 增 加波 与 湍 流 的 相 互 作 用人 们 公 认 界 面 附 近 湍 流 是 气 体 传 输 的 主 要 控 制 困 素 表 面 波 出 现 与 传 输 加 速 的 明 显 关 联 促使 人 们 提 出 表 面 波 强 化 界 面 附 近 湍 流 的 机 制 初 看 起 来 , 这 个 模 式 不 易 理 解 , 因 为 水 表 面 的 简谐 运 动 并 不 能 对 于 湍 流 输 运 有 任 何 贡 献 但 是 实 际 的 水 表 面 运 动 远 非 简 谐 波 动 , 表 面 非 线 性 波动 与 流 体 有 旋 运 动 是 相 容 的 因 此 实 际 水 表 面 波 与 水 气 界 面 附 近 湍 流 的 相 互 作 用 应 是 客 观 存 在的 对 于 海 洋 学 家 来 说 , 波 动 与 海 洋 湍 流 的 相 互 作 用 早 被 视 为 当 然 的 事 实 于年 代 最 早 提 出 了 风 生 波 与 海 洋 湍 流 相 互 作 用 的 模 式 , 得 到 了 广 泛 的 认 同 贾 复 与 【 “ 通© 1994 , 表 明 表 面 波 对 于 湍 流 确 有 强 化 作 用 最 近 , 等 人 哪 在 海上 , 等 人 渺 在 实 验 室 中 都 测 量 到 在 风 生 波 作 用 下 湍 流 被 强 化 的 结 果当 然 波 动 与 湍 流 的 相 互 作 用 问 题 极 为 复 杂 , 人 们 的 知 识 距 离 阐 明 这 个 问 题 特 别 是 阐 明 与 水一 气 界 面 处 气 体 传 输 的 关 系 , 相 差 还 远波 破 碎波 的 破 碎 是 波 能 的 主 要 耗 散 机 制 也 是 界 面 附 近 湍 流 的 主 要 能 量 来 源 和对 此 进 行 了 详 尽 的 测 量 和 分 析 阳 ‘ 不 仅 是 那 些 具 有 明 显 空 气 挟 卷 的 所 谓 “ 白 帽 ” 破碎 事 件 会 使 大 量 波 能 耗 散 为 湍 流 动 能 , 而 且 那 些 不 大 明 显 、 不 易 察 觉 的 所 谓 “ 微 破 碎 ” — 如和 啤 所 考 察 和 分 析 — 在 背 风 面 产 生 寄 生 毛 细 波 , 在 低 风 速 下 也 会 出 现 , 也会 使 波 能 耗 散 转 化 为 湍 能 “ 白 帽 ” 破 碎 醒 目 而 壮 观 , 但 是 其 表 面 覆 盖 率 远 比 直 观 的 印 象 为 小例 如 其 覆 盖 率 二 可 有 如 下 估 计 阳叨 一其 中 为 距 水 面 高 处 风 速 , 以 为 单 位 这 样 一 来 , 覆 盖 率 高 得 多 的 微 破 碎 在 增 加 气体 传 输 方 面 的 作 用 应 该 得 到 足 够 的 重 视关 于 破 碎 波 , 近 年 来 对 其 能 量 耗 散 有 了 重 要 发 现 , , 在 自 然 水 面 上 及 实 验 室 风 水 槽 中的 实 际 测 量 表 明 , 当 有 破 碎 波 存 在 时 , 水 表 面 处 的 一 薄 层 内 波 能 耗 散 率 很 高 , 比 对 应 的 剪 切 湍流 边 界 层 的 耗 散 率 高 近 两 个 数 量 级 在 层 内 它 近 似 为 常 值 , 沿 深 度 的 衰 减 具 有 零 剪 切 湍 流 的 特征 , 在 较 深 层 才 出 现 剪 切 湍 流 边 界 层 的 结 构 在 最 近 关 于 破 碎 波 对 于 海 气 相 互 作 用 的综 述 哪 中 , 对 此 进 行 了 讨 沦 , 指 出 这 种 观 察 事 实 表 明 , 在 年 提 出 的 有破 碎 波 存 在 时 水 气 界 面 附 近 的 三 层 结 构 模 式 阳 基 本 上 反 映 了 客 观 事 实 有 理 由 认 为 该 模 式 是关 于 破 碎 波 对 气 体 传 输 作 用 的 一 个 比 较 合 理 和 现 实 的 处 理 这 个 模 式 模 拟 了 由 于 波 破 碎 造 成 的湍 流 片 湍 能 的 增 加 在 该 模 式 下 气 体 传 输 速 度 可 以 表 达 为· 。 亡 ‘ 一 ’ 。 。 ‘其 中 。 为 常 数 , 。 为 模 式 中 的 湍 流 数 , 。 为 粘 性 系 数 , 。 为 表 层 粘 性 耗 散 率应 用 这 个 模 式 的 关 键 问 题 是 如 何 确 定 , , 对 此 下 节 还 要 讨 论 , 而 其 他 参 数 按 照 文 」 的 论 述可 以 取。 全 , 竺剪 切风 应 力 造 成 的 剪 切 流 , 是 界 面 附 近 湍 流 能 量 的 又 一 主 要 来 源 如 上 节 所 述 , 对 于 剪 切 所 造成 的 气 体 传 输 的 研 究 在 近 年 来 有 比 较 大 的 进 展 前 述 , 和 等 人 的 一 系列 工 作 , 揭 示 出 风 应 力 造 成 的 表 面 附 近 的 湍 流 碎 发 事 件 与 由 来 以 久 的 表 面 更 新 涡 的 概 念 有 内 在的 关 联 通 过 实 验 测 量 结 果 和 基 于 表 面 更 新 涡 模 式 对 于 气 体 传 输 的 数 值 模 拟 的 有 效 关联 使 人 有 理 由 相 信 , 界 面 附 近 湍 流 粹 发 事 件 是 表 面 更 新 的 实 质 不 过 在 这 方 面 还 有 很 多 的 问 题有 待 研 究气 泡关 于 海 水 中 的 气 泡 以 及 气 泡 对 于 气 体 传 输 的 作 用 问 题 , 研 究 工 作 已 经 很 多 可 参 考的 大 量 论 文 , 如 文 」 尽 管 如 此 , 仍 不 足 以 导 出 可 信 赖 的 相 应 模 式 最 近 , 川© 1994 ’ 的 模 式 研 究 表 明 , 通 过 气 泡 实 现 的 气 体 传 输 量 , 关 键 取 决 于 直 径 大 于的 气 泡 量 的 产 生 以 往 着 重 于 小 气 泡 作 用 的 模 式 , 可 能 对 于 传 输 估 计 得 过 低 气 泡 作 用 目 前 还难 以 可 靠 估 计 , 主 要 的 原 因 是 缺 乏 基 本 的 测 量 数 据 最 急 需 的 测 量 对 象 和 有 待 弄 清 楚 的 问 题 包括 破 碎 波 挟 卷 的 空 气 的 体 积 分 数 , 破 碎 过 程 诱 导 出 的 速 度 场 的 确 定 、 产 生 的 气 泡 的 初 始 尺 度分 布 、 气 泡 的 分 裂 、 表 面 化 学 及 污 染 影 响 等海 一 气 界 面 气 体 传 输 的 一 种 复 合 计 算 方 法在 罗 列 和 评 述 了 众 多 的 气 体 传 输 模 式 之 后 , 我 们 毕 竟 还 是 希 望 能 够 有 一 种 效 果 较 好 的 实 际计 算 方 法 问 题 的 症 结 还 是 如 何 恰 当 计 及 风 剪 切 和 波 破 碎 这 两 个 因 素前 已 述 及 , 尽 管 随 着 海 面 风 速 的 增 高 , 破 碎 波 覆 盖 面 也 不 断 增 大 , 但 其 绝 对 覆 盖 率 始 终 很小 既 然 实 际 的 海 面 在 任 何 时 刻 都 是 破 碎 波 和 非 破 碎 波 覆 盖 面 的 复 合 , 因 而 其 上 的 气 体 传 输 应 该是 剪 切 控 制 和 破 碎 控 制 两 种 贡 献 的 综 合 我 们 分 别 选 择 最 适 宜 的 模 式 来 探 讨 它 们 的 综 合 贡 献对 于 剪 切 自 由 水 面 的 气 体 传 输 , 我 们 采 用 等 的 模 式 而 如 我 们 已 经 提 到 , 根 据 公 式计 算 的 传 输 速 度 随 风 速 的 增 大 而 趋 于 渐 近 值 , 这 使 我 们 有 可 能 把 它 应 用 于 更 高 的 风 速 同 时 由于 该 公 式 过 高 估 计 了 气 体 传 输 速 度 , 我 们 根 据 众 多 的 实 测 数 据 , 调 整 了 式 中 的 比 例 常 数 使它 可 以 作 为 实 际 的 剪 切 自 由 面 气 体 传 输 速 度 公 式 , 该 式 成 为‘其 中 的 了 , 二 参 见 公 式 与对 于 破 碎 波 的 贡 献 , 我 们 采 用 模 式 , 即 采 用 公 式 公 式 中 。 是 唯一 待 定 的 控 制 参 数 , 它 具 有 明 确 的 力 学 意 义 , 即 在 水 体 表 层 的 分 子 扩 散 层 内 的 粘 性 耗 散 率模 式 认 为 , 。 主 要 分 布 在 表 层 , 且 在 最 表 层 内 可 认 为 是 常 值 如 上 所 述 及 , 这些 物 理 假 设 己 由 最 近 的 观 察 结 果 所 证 实 设 在 最 表 层 。 为 常 值 的 层 内 的 耗 散 占 总 耗 散 的 相 当大 的 部 分 , 可 有 关 系 式。 ‘ 。其 中 为 表 面 直 接 影 响 层 的 厚 度 , 为 该 层 内 耗 散 占 总 量 的 百 分 数 问 题 是 如 何 估 计 。 。 和我 们 采 用 对 耗 散 率 的 估 计 ‘。 口 吓 ‘ 。 三其 中 口 望 一 , 吓 ‘ 二采 用 文 」 的 估 计 方 法 , 可 据 表 层 内 湍 动 压 力 和 表 面 张 力 平 衡 的 关 系 来 估 计 其 尺 度全 “其 中 守 二 , 二 为 海 水 表 面 张 力 , 为 海 水 密 度 如 此 我 们 可 以 得 到
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本文标题:关于水气界面处的气体传输
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