대류-디퓨전 방정식
Convection–diffusion equation대류-확산방정식은 확산방정식과 대류(접착)방정식의 조합으로, 확산과 대류라는 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
- 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, 강에서 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 c의 출처 또는 싱크를 설명한다. 예를 들어 화학종에서 R > 0은 화학반응이 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.
- ∇은 구배, ∇은 분산을 나타낸다. 이 방정식에서 ∇c는 농도 구배를 나타낸다.
관련 용어 이해
방정식의 오른쪽은 세 가지 기여의 합이다.
- 첫 번째, ∇ ( (D (c)는 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. R은 c와 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 포물선과 쌍곡선 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(즉, 적분 커널 t+ j k x ej {을 사용하여 다음과 같은 특성 방정식을 얻을 수 있다.
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 볼륨의 스칼라 수량에 대한 변화율이 주어진다는 연속성 방정식에서 간단한 방법으로[4] 도출할 수 있다.
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 관계나 스몰루코프스키 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 ζ을−1 이동성이라고 한다.)
아인슈타인 관계의 파생
힘이 잠재적 에너지 F = - -U(보수적 힘 참조)와 연관되었을 때, 위의 등식(즉, 0 = R = ∂c/∂t)에 대한 정상 상태 해결책은 다음과 같다.
(D와 ζ은 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
반도체 물리학에서 이 방정식을 드리프트-디퓨전 방정식이라고 한다. "drift"라는 단어는 유속 전류와 유속과 관련이 있다. 방정식은 일반적으로 다음과 같이 기록된다.[18]
어디에
- n과 p는 각각 전자와 구멍의 농도(도)이다.
- q > 0은 기본 전하,
- J와n J는p 각각 전자와 구멍으로 인한 전류다.
- Jn/-q와 Jp/q는 각각 전자와 홀의 해당 "입자 전류"이다.
- R은 반송파 생성과 재결합(전자 구멍 쌍 생성의 경우 R > 0, 재조합의 경우 R < 0)을 나타낸다.
- E는 전기장 벡터다.
- p 는 전자와 홀 이동성이다.
확산 계수와 이동성은 위와 같은 아인슈타인 관계에 의해 관련된다.
여기서 k는B 볼츠만 상수, T는 절대 온도다. 표류 전류와 확산 전류는 J에 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
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