高鵬，趙貫甲，尹建國(guó)，馬素霞

（太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 循環(huán)流化床高效清潔燃燒與利用山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030024）

0 引言

熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)是流體重要的物性參數(shù)，是制冷、石油、化工等領(lǐng)域中的裝備設(shè)計(jì)和流程優(yōu)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1-3］。常規(guī)的測(cè)量方法如全息干涉法、泰勒分散法需要構(gòu)建一個(gè)混合的流動(dòng)過(guò)程，以獲得質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，此類(lèi)方法系統(tǒng)復(fù)雜、控制難度大，往往僅應(yīng)用于常溫附近實(shí)驗(yàn)條件，更高的溫度則會(huì)疊加溫度場(chǎng)波動(dòng)影響，測(cè)量偏差較大。此外，這些方法也無(wú)法同時(shí)獲取熱擴(kuò)散系數(shù)。斯托克斯型磁力攪拌隔膜法測(cè)量環(huán)境為室溫，溫度波動(dòng)較大（±0.1 ℃），且僅能獲得體系的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；激光脈沖法也僅能測(cè)得流體的熱擴(kuò)散系數(shù)。動(dòng)態(tài)光散射法是基于宏觀熱力學(xué)平衡后，流體體相在微觀上的熱力學(xué)性質(zhì)漲落與宏觀熱力學(xué)性質(zhì)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在一定條件下可以同時(shí)獲得熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，而且測(cè)得的這兩個(gè)參數(shù)是基于同一物理狀態(tài)，是研究體相傳熱和傳質(zhì)的重要手段。

在流體熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方面，CADOGAN S P 等［4］采用泰勒分散法測(cè)量了CO2與正己烷、正庚烷、正辛烷混合體系在298～423 K 溫度范圍內(nèi)的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；MARBACH W 等［5］采用斯托克斯型磁攪拌隔膜法獲得了正己烷與正辛烷、正十二烷、正十六烷多濃度二元混合體系在溫度為298 K 時(shí)的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；BOGATISHCHEVA N S 等［6-7］采用激光脈沖法測(cè)量了己酸甲酯、庚酸甲酯、辛酸甲酯、癸酸乙酯在305.15～400.15 K 溫度范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)；鐘秋等［8］搭建了數(shù)字激光全息干涉法實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量了碳酸乙二酯在正庚烷和空氣中的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；唐旭堯等［9］采用光散射法對(duì)R32/PAG 潤(rùn)滑油混合體系的黏度和質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了研究；崔軍衛(wèi)等［3］基于光散射法獲得了氣液二元體系的表面張力、黏度和擴(kuò)散系數(shù)；李超越等［10］利用數(shù)字全息干涉法獲取了CO2在RP5 航空燃油中的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；本課題組應(yīng)用所搭建的動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量了R1243zf、R1233zd（E）［11］、R134a、正庚烷［12］和正己烷［13］的熱擴(kuò)散系數(shù)。利用動(dòng)態(tài)光散射法同時(shí)可靠地獲取流體的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)尚無(wú)系統(tǒng)的研究。

因此，利用課題組搭建的動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了采樣時(shí)間、入射角度對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的影響，確定了可以同時(shí)可靠獲取二元流體熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的體系折射率偏差和Le數(shù)，并選取正己烷/正癸烷、正己烷/正十六烷等體系進(jìn)行了驗(yàn)證，為基于動(dòng)態(tài)光散射法流體熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)同時(shí)測(cè)量的方法和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與原理

1.1 動(dòng)態(tài)光散射理論

當(dāng)流體達(dá)到宏觀熱力學(xué)平衡，在微觀上，其體相中仍存在著溫度、濃度波動(dòng)［14］。根據(jù)ONSAGER L［15］理論可知：局部自發(fā)性的微觀波動(dòng)回歸到平衡狀態(tài)遵循與宏觀弛豫過(guò)程相同的規(guī)律，因此研究清楚微觀狀態(tài)下流體微元熱力學(xué)參數(shù)的弛豫規(guī)律，那么與之相關(guān)的宏觀熱力學(xué)參數(shù)即可獲得。若將一束偏振激光入射至流體體相，由于體相中溫度、壓力、濃度漲落導(dǎo)致折射率相應(yīng)的漲落，激發(fā)了不同方向的散射光，這些散射光攜帶有體相微元漲落的信息?？紤]到激光與流體為弱相互作用，流體微觀波動(dòng)對(duì)于激光擾動(dòng)的響應(yīng)可視為線性的。根據(jù)線性響應(yīng)理論［16］，考察微元的漲落等價(jià)于考察由其調(diào)制的散射光的弛豫變化規(guī)律，即散射光強(qiáng)度的時(shí)間相關(guān)方程，這就是動(dòng)態(tài)光散射法測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)的理論基礎(chǔ)。

根據(jù)流體力學(xué)理論，流體微觀溫度波動(dòng)的弛豫時(shí)間τC，t和濃度波動(dòng)的弛豫時(shí)間τC，c與熱擴(kuò)散系數(shù)a和質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D12的關(guān)系分別為［17］

式中，|q|表示介電常數(shù)波動(dòng)的波數(shù)的模，考慮到動(dòng)量守恒，q可以由入射光波數(shù)kI（|kI| =2πn/λ0，λ0為激光波長(zhǎng)，n為介質(zhì)折射率）和散射光波數(shù)kS的差值獲得

如圖1，體相中入射光束照射到的區(qū)域與兩個(gè)小孔PH1和PH2定義的空間立體角重合部分稱為散射體積。散射體積內(nèi)的電荷受到外加弱電場(chǎng)作用激發(fā)出散射光。動(dòng)態(tài)光的散射為準(zhǔn)彈性散射，因此可以認(rèn)為散射光波數(shù)的模等于入射光波數(shù)的模，即

圖1 散射體積示意Fig.1 Schematic of the scattering volume

結(jié)合式（4），當(dāng)散射角θ足夠小時(shí)，由圖1 中幾何關(guān)系可將式（3）中q的?；?jiǎn)為

結(jié)合圖2 所示動(dòng)態(tài)光散射幾何示意圖，根據(jù)折射定律n0sinΘi=n1sinφ=n2sinθ，式（5）可簡(jiǎn)化為

圖2 動(dòng)態(tài)光散射幾何示意Fig.2 Schematic of dynamic light scattering geometry

式中，n0、n1、n2分別為激光在空氣、窗口、介質(zhì)中的折射率。

在外差條件下，散射光強(qiáng)度IS（=IS，t+IS，c，IS，t為溫度波動(dòng)引起的散射光強(qiáng)，IS，c為濃度波動(dòng)引起的散射光強(qiáng)）遠(yuǎn)小于參考光強(qiáng)度ILo，二元混合體系局部溫度、濃度波動(dòng)引起的散射光強(qiáng)度的時(shí)間相關(guān)函數(shù)可以表示為［18］

式中，b0為基線項(xiàng)，表征了散射信號(hào)的本底噪聲，主要受顆粒運(yùn)動(dòng)和外界振動(dòng)等因素的影響，取值接近于1；b1（≈2IS，t/ILo）和b2（≈2IS，c/ILo）分別為溫度擴(kuò)散項(xiàng)和濃度擴(kuò)散項(xiàng)信號(hào)的對(duì)比度，在外差模式下均在2%以內(nèi)，此時(shí)可確保ILo>100IS，t或IS，c。結(jié)合式（1）和（2），可獲得熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)試劑詳細(xì)信息如表1。實(shí)驗(yàn)前，采用孔徑為2 μm 的聚四氟乙烯過(guò)濾器除去液相中納米級(jí)顆粒。

表1 化學(xué)試劑基本信息Table 1 Detailed information of chemical sample

1.3 樣品制備

為研究體系折射率偏差等因素對(duì)～實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，選取三組體系，詳細(xì)參數(shù)如表2。表中x1表示二元混合體系組分1 的摩爾分?jǐn)?shù)，n3、n4分別為組分1、2 的折射率。

表2 i～iii 組二元體系參數(shù)（T = 298 K）Table 2 i～iii groups of binary system parameters at 298 K

在實(shí)驗(yàn)樣品制備中，使用精度為0.000 1 g 的電子天平（Mettler Toledo，型號(hào)： LE204E）稱量各組分的質(zhì)量，不確定度為±0.000 2g。為保證混合體系均一穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)前使用磁力攪拌器以200 r/min 轉(zhuǎn)速勻速攪拌1 h。氮?dú)猓╲ol.=99.99%）作為保護(hù)氣充入樣品池，避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試劑高溫氧化。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與結(jié)果分析

2.1 散射光路

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3，單縱模激光器功率為1 W，激光波長(zhǎng)為532 nm，實(shí)驗(yàn)時(shí)激光器采用功率為700 mW，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)焦透鏡準(zhǔn)直以減小激光光束發(fā)散，準(zhǔn)直后的激光采用二分之一零級(jí)玻片和偏振分光棱鏡的組合調(diào)整激光的光強(qiáng)和偏振狀態(tài)，再經(jīng)反射鏡反射至分光平片，分為兩束光路。其中反射光束作為探測(cè)光，以300 mW功率入射至液體體相，由于液體透明且光強(qiáng)較弱，不會(huì)產(chǎn)生熱透鏡作用，因此加熱效應(yīng)可以忽略。該反射鏡安裝在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上，角度分辨率為0.000 67°，用來(lái)精確控制激光入射角度；透射光束作為參考光，經(jīng)中性密度片衰減后，通過(guò)反射鏡入射液體體相，與散射光發(fā)生混頻?；祛l后的光束穿過(guò)小孔被探測(cè)器接收，經(jīng)光纖分束器分光產(chǎn)生具有一定時(shí)間延遲的兩束光，這樣的設(shè)計(jì)避免了當(dāng)采樣時(shí)間很短時(shí)，單光子計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的后脈沖效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的干擾。兩束光分別在光子計(jì)數(shù)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字相關(guān)器用式（7）進(jìn)行擬合，最終獲取被測(cè)液體體相的弛豫時(shí)間τC，t和τC，c。

圖3 動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意與實(shí)物Fig.3 Schematic and physical map of the dynamic light scattering experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)本體與控溫系統(tǒng)

圖4（a）為高溫高壓樣品池示意圖，由316 不銹鋼制作而成。四個(gè)石英窗口用O 形圈密封，其中前后窗口用于激光透射，左右窗口為觀察窗口；樣品池頂部預(yù)留樣品注入口；另外，兩個(gè)盲孔用以安裝控溫及測(cè)溫高精度鉑電阻溫度計(jì)。圖4（b）為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)示意圖，樣品池外側(cè)均勻纏繞電加熱絲，為了保持溫度穩(wěn)定，電熱絲外層包覆5 mm 厚的保溫層，并在樣品池外側(cè)整體加裝隔熱箱體。溫度控制分別由溫控器（Fluke，2100）和測(cè)溫儀（ASL，F(xiàn)200）精確控制，測(cè)溫精度為±10 mK，系統(tǒng)溫度波動(dòng)為±5 mK，溫度測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為30 mK（k=2）。

圖4 實(shí)驗(yàn)本體與溫度控制系統(tǒng)示意圖Fig.4 Temperature regulation schematic of the experimental system

2.3 不確定度分析

熱擴(kuò)散系數(shù)和質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的不確定度［21］計(jì)算式分別為

其中波數(shù)的不確定度來(lái)自激光的波長(zhǎng)、入射角和折射率，激光波長(zhǎng)的不確定度為Δλ/λ=0.02/532=0.003 8%，入射角Θi的不確定度ΔΘi/Θi為0.000 67/1=0.067%，折射率的不確定度為Δn/n=0.004/1=0.4%，因此波數(shù)的不確定度Δq/q=0.41%（k=2）。對(duì)于混合流體，溫度、濃度波動(dòng)的弛豫時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為2%和3%，因此熱擴(kuò)散系數(shù)和質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的不確定度分別為4.32%和6.22%（k=2）。

2.4 入射角度與采樣時(shí)間的選擇

由于入射角度和采樣時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較大，因此確定合理的采樣時(shí)間和入射角度十分重要。一般地，二元混合體系中溫度波動(dòng)弛豫較快，而濃度波動(dòng)弛豫較慢，因此，若采樣時(shí)間過(guò)短，濃度波動(dòng)的信號(hào)將無(wú)法全面包含；而采樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，外界低頻機(jī)械振動(dòng)噪聲將嚴(yán)重影響信號(hào)。因此選擇合適的采樣時(shí)間是可靠測(cè)量的重要因素之一。

入射角度過(guò)大，會(huì)使散射光強(qiáng)和弛豫時(shí)間急劇減小，很難保證探測(cè)信號(hào)的信噪比，同時(shí)溫度信息的表達(dá)也會(huì)較為粗略，導(dǎo)致熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量偏差增大；反之，入射角度過(guò)小，質(zhì)擴(kuò)散變慢，所需采樣時(shí)間增加，則測(cè)量值同樣會(huì)受低頻噪聲的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采樣時(shí)長(zhǎng)為濃度波動(dòng)弛豫時(shí)間的1.5～3 倍且激光入射角為8°～12°時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的測(cè)量可靠性。

圖5 為等摩爾分?jǐn)?shù)的正己烷/正癸烷體系在T=298 K， 采樣時(shí)間為250 μs，Θi=8.0°時(shí)獲得的自相關(guān)函數(shù)。該自相關(guān)函數(shù)分別包含了局部溫度波動(dòng)和濃度波動(dòng)兩個(gè)模式，這兩個(gè)模式分別用虛線和點(diǎn)劃線表示，通過(guò)式（7）擬合后得到的溫度、濃度波動(dòng)的弛豫時(shí)間分別為τC，t=（4.42±0.055 1）μs和τC，c=（148.28±5.020 2）μs，不確定度分別為1.24%和3.38%。實(shí)驗(yàn)值與擬合方程最大偏差為0.036%，說(shuō)明式（7）能夠較好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果如表3。

表3 時(shí)間自相關(guān)函數(shù)參數(shù)擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of time autocorrelation function parameters

圖5 等摩爾分?jǐn)?shù)的正己烷/正癸烷體系歸一化強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)及偏差Fig.5 Normalized intensity correlation function and deviation of equimolar fraction of n-Hexane/n-Decane system

2.5 結(jié)果分析

2.5.1 流體動(dòng)力學(xué)模式驗(yàn)證

表4 為T(mén)=298.15 K，飽和狀態(tài)下采用入射角范圍為8°～12°時(shí)測(cè)得的第i 組體系弛豫時(shí)間，并取倒數(shù)。若當(dāng)波數(shù)模長(zhǎng)q→0 時(shí)，τC，t（q）→∞和τC，c（q）→∞，即體系溫度和濃度波動(dòng)引起的波的生命周期將無(wú)限長(zhǎng)，符合這樣特征的波動(dòng)模式即為流體動(dòng)力學(xué)模式［22］?？疾歃?1C，t和τ?1C，c分別與q2的關(guān)系，如圖6（a），弛豫時(shí)間的倒數(shù)與q2為過(guò)坐標(biāo)零點(diǎn)的直線，很好地滿足上述定義，因此流體體相由溫度和濃度局部波動(dòng)激發(fā)的波是流體動(dòng)力學(xué)模式。

表4 流體動(dòng)力學(xué)模式驗(yàn)證數(shù)據(jù)Table 4 Validation of hydrodynamic modes

圖6 等摩爾分?jǐn)?shù)的正己烷/正癸烷體系溫度波動(dòng)和濃度波動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證模式及入射角-豫時(shí)間關(guān)系Fig.6 Hydrodynamic modes verification for temperature and concentration fluctuations of n-Hexane/n-Decane system with equal molar fraction and relation between incident angle and relaxation time

三組體系分別在298.15～393.15 K、298.15～448.15 K 和298.15～398.15 K，飽和狀態(tài)下測(cè)得熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)將來(lái)源于NIST REFPROP 10.0［23］熱擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)［5，24］列于表5。表中a*為NIST REFPROP 10.0 熱擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)［23］，、為質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)［5，24］。

表5 i～iii 組體系熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)和NIST REFPROP 10.0 數(shù)據(jù)Table 5 i～iii Thermal and mutual diffusivity experimental data and literature data and NIST Refprop 10.0 data

將測(cè)得的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別擬合為關(guān)于溫度的三次多項(xiàng)式，即

式中，a0～a3，D0～D3分別為熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)關(guān)聯(lián)式的擬合參數(shù)，詳細(xì)結(jié)果如表6。

采用最大偏差（Maximum Relative Deviation，MRD）和平均絕對(duì)偏差（Absolute Average Relative Deviation，AARD）評(píng)估關(guān)聯(lián)式擬合結(jié)果，其定義分別為

式中，Expi、Calci分別表示熱/質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合關(guān)聯(lián)式（10）、（11）的計(jì)算值，N表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

圖7 為i 組體系在298.15～393.15 K，飽和狀態(tài)下熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)將NIST REFPROP 10.0 和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)示于相同圖中。其中，熱擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用式（10）擬合，實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值之間最大偏差為1.50%，平均絕對(duì)偏差為0.66%。本系統(tǒng)所測(cè)熱擴(kuò)散系數(shù)與NIST REFPROP 10.0 所得數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，且平均偏差在4.00%以內(nèi)；質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)采用式（11）擬合的最大偏差為2.00%，平均絕對(duì)偏差為1.06%。與文獻(xiàn)值比較，偏差為3.56%且在不確定度范圍內(nèi)可以互相覆蓋，很好地驗(yàn)證了本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的可靠性。

圖7 等摩爾分?jǐn)?shù)的正己烷/正癸烷體系熱擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合方程及NIST REFPROP 10.0 數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental data and fitting equation of thermal diffusivity of n-Hexane/n-Decane system with equimolar fraction and NIST REFPROP 10.0 data.

2.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖8、9 分別給出了ⅱ，ⅲ組體系分別在298.15～448.15 K 和298.15～398.15 K 飽和狀態(tài)下熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值以及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。熱擴(kuò)散系數(shù)與擬合方程計(jì)算值最大擬合偏差分別為1.10%和1.00%，平均絕對(duì)偏差分別為0.34%和1.95%；質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)最大偏差分別為5.62%和1.00%，平均絕對(duì)偏差分別為2.58%和0.31%。ii 組體系質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)與MARBACH W［5］等所測(cè)數(shù)據(jù)偏差為0.86%，且在誤差棒范圍之內(nèi)。

圖8 摩爾分?jǐn)?shù)為0.06/0.94 的正己烷/正十六烷體系熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合方程及文獻(xiàn)值比較Fig.8 Comparison of the experimental data of thermal diffusivity and mutual diffusivity of n-Hexane/n-Hexadecane system with mole fractions of 0.06/0.94 respectively， fitted equations and literature values

圖9 摩爾分?jǐn)?shù)為0.852/0.148 的正己烷/正十六烷體系熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合方程Fig.9 Experimental data and fitting equation of thermal diffusivity and mutual diffusivity of n-Hexane/n-Hexadecane system with mole fractions of 0.852/0.148 respectively

從圖7～9 可以直觀地看出，三組體系熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而減小，不確定度隨溫度變化較小，質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而增大，不確定度隨溫度變化較大。熱擴(kuò)散系數(shù)平均不確定度分別為3.46%、2.61%和2.49%；質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)平均不確定度分別為3.58%、5.16%和2.25%。

Le 值過(guò)大或過(guò)小時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)值不確定度均較大，因此Le 值可作為動(dòng)態(tài)光散射法同時(shí)測(cè)量熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)可靠性的判斷依據(jù)。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Le 數(shù)隨溫度的升高而減小，擴(kuò)散系數(shù)的不確定度隨Le 數(shù)的減小，先減小后增加，趨勢(shì)與PISZKO M 等［25］測(cè)得的一致。當(dāng)Le 接近100 時(shí)，熱擴(kuò)散系數(shù)的不確定度較小，為3.81%，質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的不確定度較大，達(dá)到了9.89%；當(dāng)Le 數(shù)接近10 時(shí)，熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的不確定度均逐漸增大，且熱擴(kuò)散系數(shù)的不確定度變化幅度小于質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的不確定度；當(dāng)Le 數(shù)接近1 時(shí)，溫度、濃度波動(dòng)的信號(hào)較難分開(kāi)，同時(shí)測(cè)量會(huì)導(dǎo)致不確定度偏大。綜上Le 數(shù)在10～80 的范圍內(nèi)，同時(shí)測(cè)得熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)不確定度在5%以內(nèi)。

由ii，iii 組體系的數(shù)據(jù)對(duì)比可知在相同溫度下，折射率偏差較大的組熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量結(jié)果的不確定度較小，與KOLLER T M 等［26］的結(jié)果吻合，由此分析，當(dāng)折射率偏差較小時(shí)，通常溫度波動(dòng)的信號(hào)占據(jù)主導(dǎo)，導(dǎo)致溫度、濃度波動(dòng)信號(hào)較難分開(kāi)。選取折射率偏差大于4%的體系精度較高，不確定度在4%以內(nèi)。

由ii，iii 組體系的數(shù)據(jù)對(duì)比可知黏度對(duì)于熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量精度影響較小，質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量精度受黏度影響較大。由此分析二元體系黏度的增加，混合物組分的流動(dòng)性降低，減緩了微觀濃度波動(dòng)的衰減，使得采集的信號(hào)受到削弱，在低溫環(huán)境下尤為顯著，隨著溫度的增加，體系的黏度有所下降，微觀濃度波動(dòng)增加強(qiáng)，不確定度逐漸減小。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)地研究了采用動(dòng)態(tài)光散射法同時(shí)獲得二元液相混合體系熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的方法。通過(guò)測(cè)量正己烷/正癸烷與正癸烷/正十六烷等二元混合體系的擴(kuò)散系數(shù)，得到以下結(jié)論：1）本系統(tǒng)測(cè)量等摩爾分?jǐn)?shù)的正己烷/正癸烷體系的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)與擬合值最大偏差分別為1.5%和2%，平均絕對(duì)偏差分別為0.66%，1.06%，與文獻(xiàn)值比較，偏差為3.56%，驗(yàn)證了該系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的可靠性。2）獲得了正己烷/正癸烷、正己烷/正十六烷和正己烷/正十六烷摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.50/0.50、0.06/0.94、0.85/0.15 在飽和狀態(tài)下溫度范圍分別為298.15～393.15 K、298.15～448.15 K 和298.15～398.15 K，的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)及其關(guān)聯(lián)式。3）推薦采樣時(shí)間為濃度波動(dòng)弛豫時(shí)間的1.5～3 倍，激光入射角為8°～12°，測(cè)量的準(zhǔn)確性較好，與文獻(xiàn)值偏差在4%以內(nèi)。4）當(dāng)待測(cè)體系滿足折射率偏差大于4%或書(shū)Le 數(shù)在10～80 區(qū)間時(shí)，同時(shí)測(cè)得熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的不確定度在5%以內(nèi)。