(5)
Поскольку объем произволен, то согласно выражению (5)
(6)
Уравнение (6 ) есть основное уравнение задачи.
Для молекулярной диффузии
связь между и
:
(7)
где -коэффициенты
молекулярной диффузии .
Обычно предполагается, что
главные направления составляющих совпадают с
направлениями осей. Это дает ортотропные коэффициенты молекулярной диффузии
(8)
Уравнение равновесия ( 6 )
можно записать тогда через значение концентрации:
или (9)
(10)
Турбулентность обычно учитывается путем представления переменных в уравнении ( 9) в виде суммы средних величин и пульсаций:
;
(11)
где и
-средние значения скоростей и концентрации;
и
-
соответствующие пульсации.
Средине значения определяются следующим образом:
Отсюда вытекает, что
,
, или
(12)
Подставим выражения (11) для мгновенных значений величин в уравнение массопереноса (9). В результате будем иметь
(13)
Интегрируя равенство ( 13 ) по всей области, получаем :
(14)
Пульсационный член в уравнении (14 ) обычно представляется в виде :
(15)
где—
эмпирические коэффициенты ( коэффициенты вихревой диффузии).
.
Коэффициент молекулярной
диффузии можно сложить с
и
получить полный коэффициент диффузии. Таким образом, уравнение ( 14 ) можно записать
в виде
(16)
В уравнении (16) для упрощения у средних величин опущены штрихи. Источники и стоки в рассматриваемом объеме представлены в уравнении (16 ) величиной р. Обычно желательно выделить в р член, учитывающий влияние концентрации, т. е. Представить p в виде :
;
(17)
где f —
распределенный источник; — постоянная,
учитывающая влияние концентрации.
Уравнение (17 ) описывает случай линейного закона для концентрации, который очень удобен для математического моделирования. В ряде случаев принимают экспоненциальный закон спада концентрации по времени:
,
где -
начальная концентрация;
— константа.
В дальнейшем ограничиваются рассмотрением лишь линейного закона концентрации.
Поглощение (абсорбцию вещества) на границе можно представить, выразив
поток вещества через величины
концентрации на внешней стороне границы
и на границе . Это дает
(18)
где—
коэффициент абсорбции на границе;
Точечный сток можно определить как
,
(19)
где—
сток в точке
;
—
дельта-функция (равна 1 для координат
и 0 для
всех остальных точек).
. Используя в качестве веса
для уравнений ( 16 ) вариацию , можно записать
вариационную формулу метода
Галеркина и выразив через
:
(20)
Можно получить задачу для двумерной области . Тогда уравнение будет выглядеть:
(21)
где h — глубина.
В пределах каждого элемента
представим как
(22)
где ф () — интерполяционная функция;
— вектор узловых неизвестных.
После подстановки в уравнение (21 ) для каждого элемента получим
;
(23)
где
;
(24)
;
;
Для всей области :
.
(25)
Рассмотрим случай чисто диффузионной задачи, для чего пренебрегают конвективными членами в выражении (25 ). Тогда
.
(26)
Этот случай наблюдается при отсутствии потока вещества (например, температурная диффузия в твердом теле, изменение концентрации в спокойной воде). Матричное уравнение (26 ) может быть проинтегрировано по времени
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.