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当溶液中组分分布不均匀时就会发生扩散,即由扩散引起的质量传输。在二元溶液中,扩散引起的质量流与浓度梯度的比值和扩散系数成正比。在通常的重力环境中,对流和沉降会对这种传质过程产生重要的干扰。即在重力条件下,传质过程不是单因素地由浓度梯度决定,对流和沉降都会对传质做出贡献。所以在微重力条件下,研究扩散传质就显得十分必要。只有在微重力条件下,才可能单因素地研究由于溶液中不同组分浓度梯度引起的物质传输的过程。扩散系数的精确测量,对于基础理论研究和生产实践都具有非常重要的作用。
本文通过Mach-Zehnder光学干涉技术的应用,开发了一套用于空间实验测量传质系数的平台。该平台通过液池对接系统、光学测量系统、图像采集系统以及电路控制系统的配合协调,可以在无人操作的环境下独立工作,并能够实现对于整个扩散过程的实时监控与图像数据记录。应用搭建的空间平台,本文在地面针对二元溶液(纯水/葡萄糖溶液)开展了不同方式的传质过程实验研究,分别设计了浮力对流传质过程模型和有重力分层的传质过程模型。实验通过Mach-Zehnder干涉测量系统实时的监控传质过程,并记录两种组分溶液扩散过程干涉条纹的变化,为今后的空间实验积累经验、提供可参考和对比的地面实验数据,探讨对流和沉降对扩散传质过程的影响,深入认识纯粹由浓度不同造成扩散的特征。通过定量的分析传质过程的浓度在空间和时间的分布,可以推导计算出重力条件下葡萄糖溶液和纯水之间的扩散系数,通过与空间结果的对比也可以看出重力所产生的影响,对理论分析和生产实践提供可参考的数据。