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研究生:林雨柔
研究生(外文):Yu-Jo, Lin
論文名稱:輕質氣體在未飽和土壤中傳輸的研究
論文名稱(外文):Study on Light Gas Transport in an Unsaturated Soil
指導教授:馮秋霞
指導教授(外文):Chiu-Shia, Fen
口試委員:陳建隆林明德
口試委員(外文):Jian-Long, ChenMing-De, Lin
口試日期:2015-07-30
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:環境工程與科學學系
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:甲烷Dusty Gas ModelFick’s first law流通量
外文關鍵詞:methaneDusty Gas ModelFick’s first lawflux
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本研究為探討輕質氣體於土壤中因密度的改變及重力之影響所導致的傳輸情形,實驗使用之甲烷(CH4)為輕質氣體,混合氮氣後,CH4初始密度範圍在0.0108~0.0126kg/m3之間,使其在灌滿氮氣的乾海砂管柱內進行水平及垂直向上傳輸,觀察從IC端(inlet chamber)進入管柱至OC端(outlet chamber)在不同位置之氣壓及CH4密度隨時間改變的程度。水平傳輸管柱內各點氣壓的變化顯示,在管柱的起始段(0公分處)有最大的氣壓變化,其為受到IC混合氣體密度與管柱內氮氣密度差異大的影響,越接近OC端則受到的影響較小;不同於水平傳輸的氣壓變化,垂直向上傳輸氣壓的變化皆不大。各方向傳輸的結果顯示,在管柱起始端(0公分處)所測得的CH4密度最大,其餘密度大小依序為-15公分(IC端)、5公分、15公分及25公分,而35公分及55公分(OC端)因傳輸路徑較遠,CH4密度變化最小。
為了瞭解輕質氣體與重質氣體於傳輸時的趨勢有何不同,本研究將實驗結果與潘(2012)之傳輸實驗結果進行比較,潘(2012)初始備置之SF6占氮氣之分率較本研究大。本研究發現於水平傳輸實驗時,潘(2012)的趨勢較穩定,其各點的氣壓變化並不會隨著時間或是採樣位置的不一樣而產生太大的變化。反觀本研究之結果,不論是時間或採樣位置的改變,均會造成氣壓有較大的變化。而垂直向上傳輸的結果顯示,兩者皆獲得較穩定的氣壓變化趨勢,但分別為正負的壓差變化。而潘(2012)各採樣點之氣壓變化較大,其原因為重質氣體受到重力的影響較為顯著及其初始SF6莫耳分率較大,故密度不均勻所造成的傳輸現象較明顯。
利用Dusty Gas Model(DGM)與Fick’s first law理論計算流通量的結果顯示,DGM的擴散流通量是以莫耳分率梯度為主要的分量;而Fick’s first law四種擴散表示式所計算的擴散量幾乎一致,主要由於本研究實驗之初始混合氣體密度與純氮氣相差不大,初始CH4莫耳分率在0.0165-0.0193之間,其所計算0至5公分及5至15公分之總擴散流通量結果顯示,後者較大。不同理論所計算得之總擴散通量值差異百分比在0至5公分及5至15公分各約占-5.2~0.5%及-1.5~1.8%。垂直向上傳輸的黏滯流通量是以重力引致為主,其在總黏滯流通量中約占81% ~ 89%。而兩種理論所計算得之總傳輸流通量差異在6%以內,實驗誤差可能造成在5至15公分處之總傳輸流通量不同於0至5公分的結果。
This study assesses density-driven and gravity-induced transport of gas mixture composed of nitrogen and Methane in unsaturated soils. Two transport configurations were included in the transport experiment: horizontal and vertically upward ones. The experiment measured time-varied gas pressure and methane concentration profiles along a soil column. Then, Dusty Gas Model (DGM) theory and Fick’s first law were applied to assess diffusive flux components as well as total flux of the transport system.
Experimental results show that gas pressure variations are substantial for horizontal transport, especially at the entrance of the gas mixture migrating into the soil column. However, pressure variations for vertically upward transport is small at the same position. Compared to dense gas transport results of Pan (2012) in which SF6 was used, the pressure variations for the light gas transport along with time at different column locations are highly unstable for horizontal transport, but quite stable for vertical transport. Interestingly, light and dense gas transports induce positive and negative pressure differentials, respectively, in the soil column. Besides, the CH4 concentration profiles along with time at a column location are quite similar for similar CH4 densities initiating the transport.
Results of flux components computed show that the dominant diffusive flux component is driven by molar-fraction gradient based on the DGM equations. Different expressions of Fickian-type diffusion all give similar magnitudes of the diffusive component and are almost in agreement with the DGM result due to fairly low fraction of CH4 in gas mixtures initiating the transport. For vertically upward transport, gravity-induced viscous component is additionally substantial. However, the magnitudes of total flux computed at two locations in the column do not agree with each other according to mass conservation law. This may be due to measurement errors.
致謝 i
摘要 ii
ABSTRACT iv
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 x
第一章緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2研究目的 2
第二章理論背景 3
2.1文獻回顧 3
2.2 Dusty Gas Model 5
2.3 Fick’s first law 10
2.4氣體傳輸方程式 12
第三章實驗方法 14
3.1檢量線備置 14
3.2傳輸實驗 16
3.2.1實驗材料與設置 16
3.2.2前置作業 19
3.2.3實驗步驟 20
3.3傳輸量計算 22
第四章結果與討論 25
4.1檢量線 25
4.2傳輸實驗 27
4.2.1 氣壓量測結果 28
4.2.2 密度量測結果 41
4.3傳輸流通量 47
第五章結論與建議 61
參考文獻 64
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