【摘 要】
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液相扩散系数是研究传质过程的重要参数,它的精确测量对于物理,化工,医学,环保等领域具有重要意义。液相扩散系数通常是浓度的函数D（C）,当前测量D（C）关系的方法存在实验工作量大,测量时间长,测量结果验证困难等问题,针对这些问题本文提出了一种基于有限差分法的快速确定D（C）关系的光学测量方法。该方法结合液芯柱透镜成像,仅需要在成像装置上采集一幅适当的扩散图像,通过与有限差分计算值比较的方式即可快速确
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液相扩散系数是研究传质过程的重要参数,它的精确测量对于物理,化工,医学,环保等领域具有重要意义。液相扩散系数通常是浓度的函数D（C）,当前测量D（C）关系的方法存在实验工作量大,测量时间长,测量结果验证困难等问题,针对这些问题本文提出了一种基于有限差分法的快速确定D（C）关系的光学测量方法。该方法结合液芯柱透镜成像,仅需要在成像装置上采集一幅适当的扩散图像,通过与有限差分计算值比较的方式即可快速确定随浓度变化的液相扩散系数D（C）,大大减小了实验工作量及缩短了测量时间。本文对这种测量方法的原理、液芯柱透镜的设计,扩散方程的数值计算及测量结果的仿真验证等方面进行了详细研究;分别以乙二醇、三甘醇和丙三醇的水溶液为扩散体系,测量了三种醇类水溶液的D（C）关系;通过测量液相扩散系数随温度变化的规律,获得了丙三醇水溶液随浓度变化的扩散活化能ED（C）。论文主要研究内容和结果如下:1.搭建了液相扩散系数测量平台,设计并制作了一款测量平台的核心成像元件—非对称液芯柱透镜,分析了此液芯柱透镜的像差、折射率测量灵敏度、焦距测量偏差以及最小可分辨的折射率变化量等参数对液相扩散系数测量精度的影响。与先前采用的对称液芯柱透镜作对比,非对称液芯柱透镜成像的成像球差在1.3250-1.5000折射率范围内球差减小了4倍;折射率测量能力方面,在折射率范围1.3250＜n＜1.4174内,最小可分辨的折射率变化量可达到0.0002 RIU,接近通用阿贝折射仪的测量精度。2.提出了一种快速测量随浓度变化的液相扩散系数的方法,该方法由实验扩散图像获得扩散溶液浓度随空间和时间的分布函数Ce（z,t）;设置随浓度变化的扩散系数D（C）满足多项式关系,用时序有限差分法计算了扩散溶液浓度随多项式展开系数的变化曲线Cn（z,t）s;再通过比较Ce（z,t）和Cn（z,t）s曲线,获得扩散溶液随浓度变化的液相扩散系数D（C）。用这种方法测量了乙二醇水溶液随浓度变化的D（C）关系,测量结果与采用其它实验方法以及文献报导的D（C）关系做了对比分析,验证了D（C）测量结果的正确性和这种新的测量方法的便捷性。3.在液芯区建立了非线性二阶微分光线方程,研究了折射率非均匀分布时光线在扩散溶液中的传播规律。研究结果表明,在扩散溶液折射率梯度较小的条件下,可以用光在均匀介质中的传播规律近似得到光束经过非均匀介质后的复杂成像结果。以三甘醇水溶液在液芯柱透镜中的扩散过程为例,用浓度分段以及选择晚期适当的扩散图像的方法,保证了D（C）关系测量结果的可靠性。基于光在非均匀介质中的传播规律,仿真了整个扩散过程的动态图像,仿真结果与实验结果在整个扩散过程（20 min-540 min）中吻合甚好,不仅验证了所获三甘醇水溶液D（C）关系的正确性,也证实了本文对光在折射率非均匀分布的液芯柱透镜中传播时处理方法的可靠性。4.在非对称液芯柱透镜周围搭建了半导体温控装置,基于本文提出的随浓度变化的液相扩散系数快速测量方法以及光线在非均匀介质中的传播规律,测量了0-60%浓度下丙三醇水溶液在不同温度下（288.0 K,293.0 K,298.0 K,303.0 K,308.0 K,313.0 K,318.0 K）随浓度变化的液相扩散系数D（C,T）。基于扩散过程的Arrhenius公式,研究了丙三醇水溶液扩散活化能随浓度变化的规律ED（C）。测量及数据分析结果表明,丙三醇水溶液的扩散活化能随浓度变化满足抛物线型二次曲线关系。同时,比较三种醇类溶液的扩散系数随浓度变化的规律,结果表明:在低浓度时,分子量是影响分子的扩散速率的主要因素,而在高浓度时,溶液的粘度是影响分子的扩散速率的主要因素。
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