대류-디퓨전 방정식

Convection–diffusion equation

대류-확산방정식확산방정식과 대류(접착)방정식의 조합으로, 확산대류라는 두 가지 공정에 의해 입자, 에너지 또는 그 밖의 물리적 양이 물리적 시스템 내부에서 전달되는 물리적 현상을 기술한다. 문맥에 따라 동일한 방정식을 부속-디퓨전 방정식, 드리프트-디퓨전 방정식,[1] 또는 (일반) 스칼라 전송 방정식이라고 할 수 있다.[2]

방정식

일반

일반적인[3][4] 방정식은

어디에

  • c는 관심 변수(질량 전달에 대한 농도, 열 전달에 대한 온도)
  • D는 입자 운동을 위한 질량 분산도 또는 열 수송을 위한 열 확산도 등과 같은 확산도(확산 계수라고도 함)이다.
  • v는 수량이 이동하는 속도장이다. 그것은 시간과 공간의 기능이다. 예를 들어, 에서 c는 소금 농도일 수 있고, 그 다음 v는 시간과 위치의 함수로서 물의 흐름 속도가 될 수 있다. 또 다른 예로 c는 잔잔한 호수에서 작은 거품의 농도를 들 수 있으며, v는 거품의 시간과 위치에 따라 부력에 의해 지표면을 향해 상승하는 거품의 속도를 들 수 있다(아래 참조). 다공성 매체에서의 다중 효소 흐름과 흐름의 경우, v는 (광학) 표면 속도다.
  • R은 수량 c출처 또는 싱크를 설명한다. 예를 들어 화학종에서 R > 0화학반응이 더 많은 종을 만들어 내고 있음을 의미하며, R < 0은 화학반응이 종을 파괴하고 있음을 의미한다. 열 수송의 경우 마찰에 의해 열 에너지가 생성되는 경우 R > 0이 발생할 수 있다.
  • 구배, 분산을 나타낸다. 이 방정식에서 c는 농도 구배를 나타낸다.

관련 용어 이해

방정식의 오른쪽은 세 가지 기여의 합이다.

  • 번째, ∇ ( (D (c)확산을 기술한다. c가 화학물질의 농도라고 상상해보라. 주변 지역에 비해 어딘가에서 농도가 낮을 때(예: 국부적 최소농도) 주변으로부터 물질이 확산되어 농도가 높아진다. 반대로 주변에 비해 농도가 높으면(예: 국소 최대 농도) 물질이 분산되어 농도가 낮아진다. 순확산은 확산도 D가 상수일 경우 농도의 라플라시안(또는 두 번째 파생상품)에 비례한다.
  • 두 번째 기여인 -∇ ( (vc)는 대류(또는 흡착)를 설명한다. 강둑에 서서 초당 물의 염분(소금의 양)을 측정한다고 상상해 보라. 상류에서 누군가가 소금 한 양동이를 강에 버린다. 잠시 후 염분이 갑자기 솟았다가 짠물 지대가 지나가면서 떨어지는 것을 볼 수 있을 것이다. 따라서 유량 때문에 주어진 위치에서의 농도가 변할 수 있다.
  • 최종기여 R은 수량의 생성이나 파괴를 기술하고 있다. 예를 들어, c가 분자의 농도라면, R은 화학 반응에 의해 분자가 생성되거나 파괴될 수 있는 방법을 설명한다. Rc와 다른 매개변수의 함수일 수 있다. 대류-확산 방정식을 가진 여러 양이 있는 경우가 종종 있는데, 한 양의 파괴는 다른 양의 생성을 수반한다. 예를 들어 메탄이 연소할 때 메탄과 산소의 파괴뿐만 아니라 이산화탄소와 수증기의 생성도 수반된다. 따라서 이들 화학 물질은 각각 고유한 대류-확산 방정식을 가지고 있지만, 서로 결합되어 있어 동시 미분 방정식의 체계로서 해결해야 한다.

일반적인 단순화

일반적인 상황에서는 확산 계수가 일정하고, 발생원이나 싱크대가 없으며, 속도장은 압축할 수 없는 흐름(즉, 0의 분산을 가진다)을 기술한다. 그 후 공식은 다음과 같이 단순화된다.[5][6][7]

이 형태에서 대류-확산 방정식은 포물선쌍곡선 부분 미분식을 모두 결합한다.

비연동 물질에서 D=0(예를 들어 온도가 절대 0에 가까울 때 희석 가스는 질량 분산도가 거의 0에 가까울 때), 따라서 수송 방정식은 다음과 같다.

시간 과 공간 영역 모두에서 푸리에 변환(, 적분 커널 t+ j k x ej {을 사용하여 다음과 같은 특성 방정식을 얻을 수 있다.

일반적인 해결책은 다음과 같다.
여기서 (는) 다른 모든 스칼라 함수다. 비행시간을 통한 근보스-아인슈타인 응축수[8] 온도 측정의 기초가 된다.[9]

고정 버전

정지 대류-확산 방정식은 대류-확산 시스템의 정상 상태 동작을 설명한다. 안정된 상태에서,.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac.num,.mw-parser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px sOlid}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}∂c/∂t=0, 그래서 공식 있다.

파생

대류-확산 방정식은 제어 볼륨 내부의 생성 또는 소비와 함께 시스템의 해당 부분으로의 흐름과 확산에 의해 미분 제어 볼륨스칼라 수량에 대한 변화율이 주어진다는 연속성 방정식에서 간단한 방법으로[4] 도출할 수 있다.

여기서 j는 총 플럭스, Rc의 순 부피 측정원이다. 이 상황에는 두 가지 유동원이 있다. 첫째, 확산으로 인해 확산 유속이 발생한다. 이것은 일반적으로 Fick의 번째 법칙에 의해 근사치된다.
즉, 시스템의 어느 부분에서든 확산 물질의 유동(벌크 운동과 동일)은 국소 농도 구배와 비례한다. 둘째, 전체적인 대류나 흐름이 있을 때, 부가적인 유동이라고 불리는 관련 유속이 있다.
총 플럭스(정지 좌표계)는 다음 두 가지 합계로 주어진다.
연속성 방정식에 연결:

복합혼합현상

일반적으로 D, v, R은 공간과 시간에 따라 다를 수 있다. 또한 농도에 의존하는 경우 이 방정식은 비선형적이 되어 R이 질량 전달식의 농도에 의존할 때 R이 열 전달식의 온도에 의존할 때 Rayleigh-Bénard 대류, 반응-확산 패턴 형성과 같은 많은 독특한 혼합 현상이 발생한다.

힘에 대한 반응 속도

어떤 경우에는 평균 속도장 v가 힘 때문에 존재한다. 예를 들어, 이 방정식은 액체에서 용해된 이온의 흐름을 설명할 수 있다. 이온의 흐름은 전기장이 이온을 어떤 방향으로 끌어당긴다(겔 전기영양). 이런 상황에서 보통 1915년에[10] 설명한 마리안 스몰루코프스키(아인슈타인-스몰루코프스키 관계스몰루코프스키 응고 방정식과 혼동하지 않는 것)의 이름을 따서 드리프트-디퓨전 방정식 또는 스몰루코프스키 방정식이라고 한다.[1]

일반적으로 평균 속도는 적용된 힘에 정비례하며 다음과 같은 방정식을 제공한다.[11][12]

여기서 F는 힘이고, ζ은 마찰력이나 점성질 끌림의 특징을 나타낸다.(역 ζ−1 이동성이라고 한다.)

아인슈타인 관계의 파생

힘이 잠재적 에너지 F = - -U(보수적 힘 참조)와 연관되었을 때, 의 등식(, 0 = R = c/∂t)에 대한 정상 상태 해결책은 다음과 같다.

(Dζ은 일정하다고 가정한다.) 즉 에너지가 더 낮은 곳에 입자가 더 많다는 것이다. 이 농도 프로파일은 볼츠만 분포(더 정확히 말하면, Gibbs 측정값)와 일치할 것으로 예상된다. 이러한 가정으로부터 아인슈타인의 관계는 다음과 같이 증명될 수 있다.[12]

스몰루코프스키 대류-확산식

스몰루코프스키 대류-확산식(Smoluchowski)은 추가적인 대류 흐름장이 있는 확률형(Smoluchowski) 확산식이다.[13]

이 경우 F력은 두 콜로이드 입자 사이의 보수적인 중간자 상호작용력이나 유체 내 두 분자 사이의 분자간 상호작용력을 기술하며, 외부적으로 부과된 유속 v와 무관하다. 이 방정식의 정상 상태 버전은 전단 흐름 하에서의 콜로이드성 서스펜션의 쌍분포함수(c로 식별할 수 있음)에 대한 설명을 제공하는 기초가 된다.[13]

이 방정식의 정상 상태 버전에 대한 대략적인 해법은 일치하는 점증적 팽창 방법을 사용하여 발견되었다.[14] 이 솔루션은 전단 흐름에서 두 분자의 수송 제어 반응률에 대한 이론을 제공하며, 또한 콜로이드 안정성의 DLVO 이론을 전단 흐름의 대상인 콜로이드 시스템(예: 마이크로 유체학, 화학 원자로, 환경 흐름)으로 확장하는 방법도 제공한다. 그 일정한 상태 방정식 완료한 점근 확대기의 메서드를 사용하여 얻은에 대한 완전한 해결책 알레시오 Zaccone과 L.Banetta에 의해 표면에서의 상호 작용하는 입자들의 전단 flow[15]에 한 짝은 분포 함수를 계산하여 나중에charge-stabilized(의 분포 함수를 계산하기 위해 확장 개발되고 있다.유카와나 데비-헉켈) 전단 흐름의 콜로이드 입자.[16]

확률적 미분 방정식으로서

대류-확산 방정식(출처나 배수구가 없는 R = 0)은 확률적 미분 방정식으로 볼 수 있으며, 확산도 D와 치우침 v를 가진 무작위 운동을 기술한다. 예를 들어, 이 방정식은 단일 입자의 브라운 운동을 기술할 수 있다. 여기서 변수 c는 기브에 있어야 할 입자의 확률 분포를 기술한다.일정한 시간에 배치하다 방정식을 그런 식으로 사용할 수 있는 이유는 단일 입자의 확률 분포와 무한히 많은 입자의 집합의 농도 프로파일 사이에는 수학적 차이가 없기 때문이다(입자가 서로 상호작용하지 않는 한).

랜지빈 방정식은 명시적으로 확률적인 방식으로 부착, 확산 및 기타 현상을 설명한다. Langevin 방정식의 가장 간단한 형태 중 하나는 "소음 용어"가 가우스일 때인데, 이 경우 Langevin 방정식은 대류-확산 방정식과 정확히 동일하다.[12] 그러나 랑게빈 방정식은 더 일반적이다.[12]

수치해결

대류-확산 방정식은 펜과 종이로만 풀 수 있는 경우가 드물다. 더 자주, 컴퓨터는 일반적으로 유한요소법을 사용하여 방정식의 해답에 수치적으로 근사하게 사용된다. 자세한 내용과 알고리즘은 다음을 참조하십시오. 대류-확산 방정식의 수치적 해법.

다른 맥락에서 유사한 방정식

대류-확산 방정식은 흐름을 기술하는 비교적 간단한 방정식이며, 또는 그 대안으로 확률적으로 변화하는 시스템을 기술한다. 따라서 공간을 통한 흐름과 무관한 많은 맥락에서 동일하거나 유사한 방정식이 발생한다.

  • 그것은 입자의 속도에 대한 Fokker-Planck 방정식과 공식적으로 동일하다.
  • 그것은 블랙-숄즈 방정식과 금융 수학의 다른 방정식과 밀접한 관련이 있다.[17]
  • 나비에르와 밀접한 관련이 있다.–스톡스 방정식, 액체의 운동량 흐름은 수학적으로 질량이나 에너지의 흐름과 유사하기 때문이다. 서신은 압축할 수 없는 뉴턴 유체의 경우 가장 명확하며, 이 경우 Navier.–스토크 방정식은 다음과 같다.

여기서 M은 각 지점(단위 부피당)에서 유체의 운동량(속도 v로 곱한 밀도 ρ과 같음), μ는 점도, P는 유체 압력, f는 중력과 같은 다른 신체 힘이다. 이 방정식에서 왼쪽의 용어는 특정 지점에서의 운동량의 변화를 기술하고 오른쪽의 첫 번째 용어는 실제로 운동량의 확산인 점도를 기술하고 오른쪽의 두 번째 용어는 운동량의 부가적인 흐름을 기술하며 오른쪽의 마지막 두 용어는 운동량의 외부 및 내부 힘을 기술한다.추진력의 원천 또는 침몰원으로서의 행위

반도체물리학에서

내장 반도체의 중심에서 빛이 비쳐 캐리어가 생성(녹색:전자와 보라색:구멍)되면서 두 끝을 향해 확산된다. 전자는 구멍보다 확산 상수가 높아 구멍에 비해 중앙의 초과 전자가 적다.

반도체 물리학에서 이 방정식을 드리프트-디퓨전 방정식이라고 한다. "drift"라는 단어는 유속 전류유속과 관련이 있다. 방정식은 일반적으로 다음과 같이 기록된다.[18]

어디에

  • np는 각각 전자와 구멍의 농도(도)이다.
  • q > 0기본 전하,
  • Jn Jp 각각 전자와 구멍으로 인한 전류다.
  • Jn/-qJp/q는 각각 전자와 홀의 해당 "입자 전류"이다.
  • R반송파 생성과 재결합(전자 구멍 쌍 생성의 경우 R > 0, 재조합의 경우 R < 0)을 나타낸다.
  • E전기장 벡터다.
  • p 전자와 홀 이동성이다.

확산 계수와 이동성은 위와 같은 아인슈타인 관계에 의해 관련된다.

여기서 kB 볼츠만 상수, T절대 온도다. 표류 전류확산 전류J에 대한 식에서 두 가지 용어 즉, 다음과 같은 용어를 별도로 가리킨다.

이 방정식은 포아송의 방정식과 함께 수치로 풀 수 있다.[19]

표류 확산방정식을 푼 결과의 예가 오른쪽에 표시된다. 반도체의 중심에 빛이 비추면 중간에 캐리어가 생성돼 양 끝을 향해 확산된다. 드리프트-디퓨전 방정식은 이 구조에서 해결되며 전자 밀도 분포는 그림에 표시된다. 중앙에서 양끝으로 가는 캐리어의 기울기를 볼 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b Chandrasekhar (1943). "Stochastic Problems in Physics and Astronomy". Rev. Mod. Phys. 15 (1): 1. Bibcode:1943RvMP...15....1C. doi:10.1103/RevModPhys.15.1. 등식(312) 참조
  2. ^ Baukal과 Gershtein, p67, Google 링크에 의한 산업연소에서의 연산유체역학
  3. ^ Tomas Stocker, p57, Google링크에 의한 기후 모델링 소개
  4. ^ a b Advective Disposition 방정식, Scott A의 강의 노트. 소콜롭스키와 게르하르트 지르카, 웹 링크
  5. ^ Bejan A (2004). Convection Heat Transfer.
  6. ^ Bird, Stewart, Lightfoot (1960). Transport Phenomena.{{cite book}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  7. ^ Probstein R (1994). Physicochemical Hydrodynamics.
  8. ^ Ketterle, W.; Durfee, D. S.; Stamper-Kurn, D. M. (1999-04-01). "Making, probing and understanding Bose-Einstein condensates". arXiv:cond-mat/9904034.
  9. ^ Brzozowski, Tomasz M; Maczynska, Maria; Zawada, Michal; Zachorowski, Jerzy; Gawlik, Wojciech (2002-01-14). "Time-of-flight measurement of the temperature of cold atoms for short trap-probe beam distances". Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics. 4 (1): 62–66. Bibcode:2002JOptB...4...62B. doi:10.1088/1464-4266/4/1/310. ISSN 1464-4266. S2CID 67796405.
  10. ^ Smoluchowski, M. v. (1915). "Über Brownsche Molekularbewegung unter Einwirkung äußerer Kräfte und den Zusammenhang mit der verallgemeinerten Diffusionsgleichung" (PDF). Ann. Phys. 4. Folge. 353 (48): 1103–1112. Bibcode:1915AnP...353.1103S. doi:10.1002/andp.19163532408.
  11. ^ "Smoluchowski Diffusion Equation" (PDF).
  12. ^ a b c d Doi & Edwards (1988). The Theory of Polymer Dynamics. pp. 46–52. ISBN 978-0-19-852033-7 – via Google Books.
  13. ^ a b J. K. G. Dhont, 페이지 195, 구글링크의한 콜로이드의 역학 소개
  14. ^ Zaccone, A.; Gentili, D.; Wu, H.; Morbidelli, M. (2009). "Theory of activated-rate processes under shear with application to shear-induced aggregation of colloids". Physical Review E. 80 (5): 051404. arXiv:0906.4879. Bibcode:2009PhRvE..80e1404Z. doi:10.1103/PhysRevE.80.051404. hdl:2434/653702. PMID 20364982. S2CID 22763509.
  15. ^ Banetta, L.; Zaccone, A. (2019). "Radial distribution function of Lennard-Jones fluids in shear flows from intermediate asymptotics". Physical Review E. 99 (5): 052606. arXiv:1901.05175. Bibcode:2019PhRvE..99e2606B. doi:10.1103/PhysRevE.99.052606. PMID 31212460. S2CID 119011235.
  16. ^ Banetta, L.; Zaccone, A. (2020). "Pair correlation function of charge-stabilized colloidal systems under sheared conditions". Colloid and Polymer Science. 298 (7): 761–771. arXiv:2006.00246. doi:10.1007/s00396-020-04609-4.
  17. ^ Arabas, S.; Farhat, A. (2020). "Derivative pricing as a transport problem: MPDATA solutions to Black-Scholes-type equations". J. Comput. Appl. Math. 373: 112275. arXiv:1607.01751. doi:10.1016/j.cam.2019.05.023. S2CID 128273138.
  18. ^ Hu, Yue (2015). "Simulation of a partially depleted absorber (PDA) photodetector". Optics Express. 23 (16): 20402–20417. Bibcode:2015OExpr..2320402H. doi:10.1364/OE.23.020402. hdl:11603/11470. PMID 26367895.
  19. ^ Hu, Yue (2014). "Modeling sources of nonlinearity in a simple pin photodetector". Journal of Lightwave Technology. 32 (20): 3710–3720. Bibcode:2014JLwT...32.3710H. CiteSeerX 10.1.1.670.2359. doi:10.1109/JLT.2014.2315740. S2CID 9882873.
  • Granville Sewell, The 수치적 해결책 일반적부분적 미분 방정식, 학술적 보도(1988) ISBN 0-12-637475-9