论气体流量和流速及与压力的关系

2021-07-04欧贞婷王凌杰周文娟

科学与财富 2021年10期

欧贞婷　王凌杰　周文娟

摘要：由于天气模式，气压的时间变化可能导致空气侵入地下，这种空气侵入会影响旨在描述包气带中气体组成和运动特征的检测活动。给出了由努森扩散、多组分分子扩散和粘滞流动共同作用下的气体通量计算方法。这些表达是用来模拟存在气压变化的气体输运。对均匀土壤垂直运动的计算机模拟表明，在一个典型的大气压循环中，“新鲜”空气可以迁移到几米深的地下，水平压力梯度可以在近地表非均匀性地质层中形成。在风暴发生时，这些梯度可能导致新鲜空气侵入包气带数米或数十米。本文以土壤的包气带中的气体运动为例讨论气体流量和流速及与压力的关系。

关键词：气体流量;流速;压力

一、相关介绍

包气带内气体的组成和运动是许多地球科学和工程学科感兴趣的课题。最近的环境问题集中在挥发性和半挥发性有机化合物在近地表土壤中的气相运动。放射性核素的气相运动已被认为是低水平和高水平处置设施中放射性核素运移的重要机制。自然产生的氡气通过地下的运动，目前正在进行特别严格的研究。从人为和自然来源的地下甲烷迁移可能导致潜在的爆炸性条件，可能威胁到公共健康和安全。土壤气体运动在农业上有着重要的应用，包括水蒸气和氨气的运动，除草剂、杀虫剂和其他用于提高作物产量的化合物。土壤气体成分已被用作矿产和石油勘探以及地震预测的工具。甚至区域尺度的气候也在一定程度上受到近地表土壤中水蒸气和其他气体的运动的影响。

在地球科学文献中，影响包气带气体输送的一个因素是大气压力波动对于土壤气体压力和土壤气体组成的影响。研究表明，相对较小的总压力梯度可以产生比扩散通量大得多的粘性气体通量。然而，几乎所有地球物理文献中报道的关于包气带输运的理论、实验和研究都忽略了大气压力对土壤气体运动的影响。本文的讨论目的是研究大气流速和流量及与土壤气体压力之间的关系，并确定大气诱导粘性流成为一种重要的输运机制的必要条件。

本文将描述大气压力的典型变化，并提出一些证据，表明土壤气体的运动可以受到大气压力波动的显著影响。

二、大气压力波动影响的证据

在地球表面的任何特定点上的大气压力很少在任何相当长的时间内保持恒定。近地表大气压的时间波动一般有两个原因：（1）由热和重力作用引起的日波动;（2）由区域尺度天气模式引起的波动。由重力效应引起的昼夜波动类似于海洋的潮汐。平均而言，它们造成了在1000LT和2200LT左右的两个最大峰值，以及在0400LT和1600LT左右的最小峰值。最大和最小压力峰值之间的最大差异出现在赤道处，大约等于2.5毫巴，这种差异在60纬度以上几乎为零。在北纬地区，由日加冷和冷却循环引起的日波动通常比重力效应更重要。由这些热效应引起的日波动通常比重力效应更重要，由这些热效应引起的气压波动很少超过3毫巴。

早在1904年，白金汉就描述了大气壓力波动对于土壤通气的影响。当前讨论的目的是量化这些影响，特别强调不饱和带内挥发性有机化合物的移动对气压波动的响应。

三、气体输运

渗流带中气体输运的物理过程是复杂的。扩散流和压力流对输运过程都有重要作用。此外，许多土壤的空隙大小如此之大，以至于在大气压力下，气体分子与土壤以及彼此之间发生碰撞。我们可以用毛细血管中的流动作类比，来从概念上理解多孔质中多组分气体混合物的这些输运机理的重要性。

如果毛细血管中存在气体浓度的梯度或分压，这将导致气体从高浓度点向低浓度点等压流动。几种物理机制可能相互作用阻碍这种扩散流。在称为克努森扩散的过程中，气体分子只与毛细血管壁面发生碰撞，彼此之间的行为相互独立。如果毛细血管中同时存在分压梯度和总压梯度，则输送过程是扩散流和压力流的结合。当各部件的总压梯度和分压梯度在同一方向时，流动方向容易识别。当分压梯度和总压梯度方向相反时，气体的通量较难确定。扩散过程可能使气体沿一个方向输送，而压力流动可能使得气体沿着相反的方向流动。此外，由于克努森扩散的影响，扩散通量可能是非等摩尔的，在非等摩尔扩散条件下，分压梯度可引起总压梯度，分压梯度可由总压梯度引起。

因此证明，气压可能有显著的短期影响。如果在大气压力波动的情况下进行土壤气体调查，这些影响可能会影响在土壤气体调查中收集的数据的可靠性，然而，从长期来看，水汽扩散的影响可能比大气诱导平流的影响更显著。

四、总结

从以上的讨论中可以得出以下结论：

1.天气模式的不规则变化对气压的时间波动有显著影响，气压在24小时内可能变化20-30毫巴。根据地理位置的不同，这样类型的波动每年会发生几次，甚至一个月也会发生几次;

2.用来模拟饱和地下水系统中溶质运移的经典对流-扩散方程，也可以用来模拟渗流中的气体运移;

3.气压的波动会影响气体流动的速度和通量，因此影响土壤气体的测量。并且，当气压高时，地下挥发性有机化合物的浓度可能会降低;

4.大气压的波动会导致安装在封闭地面系统中的气体探头发生水平输送。在一个大气压循环中，与最大空气相对应的空气的“新鲜”最大值可能会迁移到几米深的地下。并且伴随着包气带中膜的厚度和渗透性的增加，这种迁移会更加明显;

5大气压力的影响取决于许多变量之间复杂的相互作用，包括场地尺寸、材料特性（如渗透性）和大气压力波动的振幅和周期;

6.也存在一些局限性。湿度对气体渗透性、扩散系数和分子扩散系统系数的影响没有被包括在内。水分或液体产物的存在可能对包气带中的气体输送有非常重要的影响。

参考文献：

[1]. 李加福. 气体静压节流系统压力阻抗模型的理论研究与实验验证[D]. 中国计量学院. 2014，20-30.

[2]. 王兆斐. 流量仪表的特点与应用[J]. 石化技术，2015（7）： 84.