流体流动、传热和传质   对流 

流体整体运动引起质量传递

对流是流体整体运动引起的质量传递。例如，液态水的流动会输送水中溶解的分子或离子；同样，空气流动会输送空气中的分子，包括高浓度物质（如氧和氮）以及低浓度物质（如二氧化碳）。请注意，“对流”这一术语在传热中通常是指热传导和热对流同时发生的现象；其中，“热对流”是指本体流体运动引起的传热。在传递现象领域（以及本文中），“对流”和“热对流”是同义词。

下面的动画演示了流体中某个区域的对流，其中一种化学物质具有较高的浓度（以红色表示）：

_{在从左向右流动的流体中，某种化学物质（以红色表示）的对流过程。}

对流描述

发生质量传递的分子的速度同时包含对流分量和扩散分量。我们通常认为“对流”是由所有分子的平均速度引起的质量传递，而“扩散”是由单个分子随时间变化的随机速度引起的质量传递（与整个流体的平均速度不同）。

因此，只要选择合适的参考速度，我们便能确定扩散通量和对流通量。在稀物质传递中，当某种组分（如溶剂或载气）对系统动量起主导作用时，常规的做法是将参考速度作为该主导组分的速度。

正因如此，除扩散产生的通量外，流体整体运动也会对稀物质产生通量贡献。这种通量可以写为以下形式：

⁽¹⁾

其中，c_i 是物质浓度（mol m^-3），u 是流体速度（m s^-1）。

对流通量矢量与流体速度 u 成正比，因此其方向与速度方向相同；根本原因在于，对流是流体整体运动引起的质量传递。对于稀物质来说，这一速度是溶剂或载气的速度。对于高浓度物质传递，则需要对流体整体速度进行更详细的定义。

某个点上由对流引起的浓度变化，可以通过将上式代入质量连续性方程求得：

⁽²⁾

对于不可压缩的流体流动，由于整个流体的质量守恒，因此第一项（包括 ∇⋅u）等于零。由此可知，仅当存在浓度梯度时，某一点的浓度才会因对流而发生改变：

⁽³⁾

这是对流方程，一个瞬态的一阶偏微分方程。

对流引起浓度剖面位移

在给出随空间变化的特定初始浓度分布 c₀(r) 和均匀速度 u 的情况下，注意观察对流方程的确定解，便能很好地理解对流带来的影响。

⁽⁴⁾

在此，我们假设在对流传质过程中，物质不会碰到任何壁。当然，在实际工作中，我们很少遇到完全均匀的流动，但我们常常可以将其作为局部均匀的情况来处理。

这个简单的方程说明了对流的结果：根据某种浓度分布规律在空间中分布的物质，其质量基于速度 u 发生位移。如果不是，则浓度分布保持不变。因此，与扩散不同，高浓度和低浓度区域之间不存在不可逆的质量传递。从这个角度而言，由于流动方向可以逆转，因此对流可以引起质量传递。

通过以下图像，我们可以看到发生的对流。在对流发生 2 秒后，根据矢量 r = u Δt 可知，浓度剖面已发生位移。由于 x 方向的 u 为 1 m s^-1，相当于从左到右的位移为 2 米。

对流和扩散

由于实际上化学物质的扩散系数不为零，因此，常规的做法是求解对流-扩散方程，其中同时包含对质量传递的扩散和对流贡献：

⁽⁵⁾

对流-扩散方程一文讨论了两种传质模式的组合情况，并分析了相关的长度和时间尺度。

自然对流

只要存在温度梯度，即使没有强制流动，也可能由于密度变化和重力作用，出现浮力驱动的流动。在正常环境条件下，对于体积大于几毫升的流体，对流通常保持动态，不会出现完全静止不动的现象。这意味着，即使没有强制对流作用，对流实际上也会引起质量传递。在温度变化引起密度变化的情况下，这一效应称为自然对流 或自由对流，也可以简称浮力对流。

当我们在茶或咖啡中加糖时，就能看到这一效应，这是因为温度和成分的变化会产生密度梯度。尽管用勺子搅拌是产生强制对流的最好方法，但即使不这样做，整个流体中的糖浓度也会达到均匀，并且速度要比仅依靠扩散理论预测的速度快得多。另一个显著的现象是海洋中盐度梯度引起的对流，这种现象通常称为重力对流。

综述

对流是流体整体运动引起的质量传递。除微流体设备以外，要实现有效的质量传递，必须存在对流，因为从实用的角度来看，扩散是一个非常缓慢的过程。大多数化学反应器都涉及某种形式的流动；在湍流情况下，对流传质对于混合及整体传递特别有效。

虽然对流方程的建立非常简单，但其求解过程却相当复杂（最简单的几何除外）。在研究对流与扩散在实际系统中的相互作用时，数值建模是一个至关重要的环节。

发布日期：2015 年 1 月 15 日
上次修改日期：2018 年 3 月 21 日