擴散系數
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2020-10-05
擴散系數的視頻教程
ABAQUS 燒蝕/腐蝕仿真 UEL子程序
- 化學場：O? 擴散-反應方程 ? Fick 擴散 + 反應消耗源項 ??； ? 反應進度 ? = Δn/ν，當 ? = ???? 時單元完全腐蝕。 - 耦合：腐蝕損傷 d??? = ?/???? 直接降低彈性模量，并改變 O? 擴散系數 D(O?)。 2.
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擴散系數 d. 源相釋放 點擊鏈接可直接跳轉到總的系列課程鏈接。 https://www.yqgqt.org.cn/video/c210631 系列課程介紹如下 四、課程有多少個章節？多少學時？覆蓋多少知識點？ 1.本課程共計42個章節，總共32個學時。
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擴散系數的實例教程
0.275；0.175，0.325；0.245，0.475
0.265；0.175，0.325；0.235，0.475
(2)擴散系數
因為MS軟件中無法直接對軌跡文件求出體系的擴散系數，但是可以通過分析均方位移(MSD)來間接求出體系的擴散系數：即均方位移曲線斜率的六分之一就是體系的擴散系數。
在剛才的Discover Analysis對話框中，選擇Dynamic目錄下的Mean squared displacement (均方位移)，點擊Define，再點擊按鈕Add to list，添加命名后的水分子軌跡文件，關閉該對話框。回到Discover Analysis，在Choose sets中選中H2O，如下圖所示。然后點擊Analyze開始分析。
運行結束后會自動產生一個Sketch 1 Disco Mean squared displacement文件夾，激活里面包含Sketch 1.xcd文檔。右擊圖形，選擇Delete Graphs，可將X，Y，Z方向的MSD圖像刪除，留下我們需要的圖像，如下圖。
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展開 1
氫的擴散特性
氫在金屬中的擴散能力通常用擴散系數D表示。即單位濃度梯度時，在單位時間內，通過單位面積的擴散物質量，單位為mm2/s。在焊接條件下不均勻加熱，不均勻溫度場和應力場，焊接去的各種宏觀缺欠和微觀缺陷、組織種類和形態，都會影響氫的擴散。焊接條件下，氫在焊接區的擴散行為遠比在純金屬中的更為復雜。
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氫擴散系數的影響因素
影響氫擴散系數的因素很多，主要因素有：溫度、鋼種（合金元素和組織）、晶體缺陷、應力和應變等。
(1) 溫度的影響 擴散系數是溫度的函數。當溫度在很大范圍內變化時，金屬的狀態和其中組織也將發生相應的變化。尤其在金屬狀態或組織發生變化的溫度，擴散系數通常發生突變。組織（即晶格類型）不同是，氫的擴散系數隨溫度的變化規律有差別。擴散系數隨溫度變化的一般表達式為
D=D0e-E/RT
式中
D——擴散系數，與金屬結構有關(mm2/s)
D0——擴散常數(mm2/s)
E——擴散激活能(J/mol)
R——氣體常數(J/mol·K)
T——溫度(K)
(2) 晶體結構的影響 合金元素種類和數量決定鋼的種類、組織。鋼的種類和組織不同時，其晶體結構就不同，氫在其中的擴散系數就出現差別。這主要與晶體中的晶格間隙、空位、位錯等有關。面心立方晶格金屬雖然比體心立方晶格中的間隙大，但面心立方晶格的原子密度比體心立方晶格的原子密度大。所以，氫雖然在面心立方晶格金屬中的溶解度大，但擴散速度慢，擴散系數也就小。
氫在不同組織中的擴散系數見表1。由表1可知，氫在奧氏體中的擴散系數遠低于氫在鐵素體、珠光體、馬氏體中的擴散系數，氫在鐵素體、珠光體、馬氏體中的擴散系數為同一數量級。
展開 代表性相變材料Cu2Se, Cu2S, Ag2S, 和 Ag2Se的（a）比熱和（b）熱擴散系數，（c）基于不同比熱計算得到的Cu2Se的熱導率，（d）相變過程中吸放熱對熱傳輸的影響示意圖
最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東、曾華榮、副研究員仇鵬飛與美國科羅拉多大學/華中科技大學教授楊榮貴合作，基于對經典熱輸運方程的校正，清晰闡述了相變過程中吸放熱對熱流傳輸的影響，發現相變除了可以影響材料的熱容外，還會顯著地導致材料熱擴散系數降低這一實驗假象，相變速度越快，熱擴散系數降低的假象越嚴重。因此，材料相變時的真實熱導率需要同時移除額外增加的熱容和降低的熱擴散系數的貢獻。這一理解在Cu2Se, Cu2S, Ag2S, 和 Ag2Se四種相變材料中獲得了實驗驗證。相關研究成果發表于《先進材料》（Advanced Materials，DOI: adma.201806518）。
高溫下材料的熱導率可由公式k=CP′d′l計算得到，其中CP是熱容，d是密度，l是熱擴散系數。通常采用激光散射法（LFA）測試熱擴散系數，阿基米德法測量密度，DSC差示掃描量熱法測量熱容。材料發生相變時，人們早已知道熱容可以明顯增加，密度的變化很小，可以忽略，而通常認為熱擴散系數不受影響。
（a）相變過程中的熱擴散系數（lm）、相變反應速率和比熱之間的關系，（b）Cu2Se, Cu2S, Ag2S, 和Ag2Se的相變反應速率隨溫度的變化
（a）Cu2Se, Cu2S, Ag2S和Ag2Se的真實熱導率，（b）基于真實熱導率計算得到的Cu-2Se相變過程中的熱電優值zT
材料相變會吸收或釋放部分熱量，進而無法使用經典的熱傳導方程描述相變過程中的熱流輸運。研究團隊引入相變動力學方程進行校正，成功得到了適用于相變過程的熱傳導方程。
展開 3）θ=90°時，夾雜沿不同方向的變形會導致表觀擴散系數Dapp 呈現相反的變化趨勢；θ=0°時， Dapp 隨夾雜長短軸比（δ）的增大而增大，但當δ 小于10 時，表觀擴散系數Dapp 仍小于基體擴散系數， 即雖然平行于氫擴散方向的夾雜主要發揮擴散通道效應，但δ 過小的夾雜仍會在宏觀上減小材料的表觀擴散系數。
圖7 測試的溫升擬合曲線
表3 不同三層模型擬合液體熱擴散系數結果
實驗結果表明：
1） 液體的熱擴散系數測試結果標準偏差為4.3%，而激光閃射儀測量擬合誤差為±5%，在誤差范圍內，說明利用激光閃射法測試液體的導熱系數結果是可取的。
2） 選用三層的擬合模型需要考慮正面和背面的熱損失，采用“三層+脈沖修正”模型擬合熱擴散系數的不確定度低，質量越高，水平越高，其結果可信度比三層絕熱模型擬合的高。此外，通過R2擬合結果說明其計算范圍越寬，擬合模型對于測量總體變差的解釋程度就越高。因此，需要在測試液體熱擴散系數時選用“三層+脈沖修正”模型。
案例分析
從測試結果和擬合數據可以看出，儀器本身自帶的樣品框和測試結果分析軟件可以滿足對液體導熱系數測試的需求，保證了測試結果的穩定性，而且激光閃射導熱儀的測試溫域寬、周期短等特點可有效地提高測試效率。
經驗與建議
對于激光閃射法導熱系數的測試，需要充分利用儀器測試材料適應性廣的特點，從自帶軟件中選用合適的計算模型，進行測試方法開發來滿足業務需求。
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SA湍流的引入，可以將N-S方程的擴散項系數增大，對流主導問題的病態程度降低，迭代求解更容易收斂。和無腦增加迎風項系數強制收斂比，這種方法得到的結果精度要好一些。
效果
圓柱繞流
設定圓柱半徑為0.05m，流體介質為空氣，來流速度100m/s。得到繞流結果如下，可以看出自研求解器結果和Fluent結果基本是吻合的，這也標志著自研求解器結果具備了一定的實用性。
分子動力學模擬-礦物表面潤濕性1個月前
1，初始模型構建：初始模型是氣-水-壁面模型，使用PACKMOL構建，使用lammps也可以用lammps建模
2，選擇力場：CO2可用TRAPPE，EPM2力場，H2O用SPC/E力場，油用OPLS-AA力場，黏土礦物用clayff力場
3，進行分子動力學模擬：能量最小化-平衡動力學-生產動力學
4，統計數據，可分析密度分布，擴散系數，相互作用力參數等
5，提供LAMMPS in文件
導溫系數又稱熱擴散率或熱擴散系數，其定義是：</p><p class="ql-align-center">導溫系數=導熱系數/比熱容/密度</p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">這意味著，一個結構件所用材質的導熱系數越高，密度越小，比熱容越小，其均溫能力越強。即材料的局部被加熱時，導溫系數高的材料，其遠端能更快感知到熱量被傳入。
圖6是擴散系數，可以分析x-y方向，和z方向，也可以直接分析整個體系。
我們基于LAMMPS/GROMACS研究不同頁巖孔隙（石英，蒙脫石，伊利石，高嶺石，方解石，石墨烯，真實干酪根）中氣體（CO2，CH4，H2，N2等）和 頁巖油（NC6,NC8,NC12等）的吸附和競爭吸附行為，涉及到不同壁面類型，不同寬度，不同油氣類型，不同摩爾比例，不同溫度壓力的設置，可以分析模擬快照，密度分布，擴散系數，相互作用能等。
根據熱力學定律，冷卻時間與比熱容（Cp）、熱傳導率（K）及密度（ρ）三者緊密關聯，其綜合表現為熱擴散系數。
比熱容（Cp）決定了材料在加熱或冷卻過程中吸收或釋放熱量的能力。高比熱容的材料在注塑成型過程中溫度變化較慢，有助于保持溫度均勻，減少內應力和制品缺陷。
美國加州大學的一個課題組曾利用這一功能，成功揭示了水分子在納米多孔石英中的異常擴散系數波動現象。團隊負責人Dr. Smith評價道：“傳統實驗只能提供擴散速率的平均值，而Material Studio的模擬結果讓我們第一次‘看到’局部微區中分子的聚集與離散過程，這對設計高精度過濾膜至關重要。”
固相擴散：Fick 第二定律
電極顆粒內部鋰離子濃度變化通常由 Fick 第二定律描述：
假設顆粒為球形，在球坐標系下，這一方程可化簡為一維徑向擴散形式：
其中：
C_s ( r, t )：在 t 時刻，顆粒中半徑 r 處的鋰離子濃度；
D_s：鋰離子擴散系數，通常可設為常數；
r ∈ [0, R] )：顆粒內部的徑向范圍。
通過分析粒子擴散行為間接求黏度，依據愛因斯坦關系，由粒子擴散系數計算。計算相對簡單，只需粒子運動軌跡信息。不過對于粒子間作用強、擴散不明顯的復雜體系誤差較大，粒子半徑選擇也會影響結果。（3）非平衡分子動力學方法。對系統施加外力場或速度梯度使其處于非平衡態，根據非平衡條件下的響應，如應力和速度梯度，依牛頓黏性定律計算。可模擬復雜流場中黏度，但施加外力和處理邊界條件要注意，理論較復雜。
同其它流體傳質的模型一樣，氧氣在池中的傳遞阻力也主要集中在“邊界層”中，只不過在氣液兩相流中，邊界層包含了液相邊界層和氣相邊界層，如圖1.3所示：
圖1.3 氧傳質雙膜模型圖（摘自華東理工大學本科教材，2007/12）
氧的傳質速率可用以下積分方程表示：
式中：V表示單位時間內的氧傳遞量；D為擴散系數；μ為氧的化學勢；L為擴散程的長度，可以用邊界層的厚度來代替；S為氣液兩相接觸界面的面積
