扩散实验 篇1
水幕是一种公认的能有效控制气体泄漏的安全技术方法,对于水幕控制重气扩散的规律和机理,国内外已有许多学者进行了研究,但是大部分研究都集中在敞开空间,而在受限空间中,气体泄漏极易引发中毒窒息事故,所以研究水幕对受限空间内有害气体泄漏扩散的防护尤为重要。国内对于受限空间水幕稀释阻挡有害气体扩散的研究起步较晚,对水幕有效性设计中许多关键的问题缺少探索。笔者通过实验研究在受限空间中影响水幕稀释阻挡效率的因素,为科学设置水幕防护系统、有效控制重气泄漏扩散提供指导。
1 实验设置
1.1 实验系统
实验系统主要由气体释泄放系统、模拟受限空间、水幕系统和实验气体浓度采集系统组成。气体泄放系统包括气瓶、减压阀、转子气体流量计和管路。从气瓶出口处接减压阀,减压阀外接转子气体流量计,管道出口直径为6mm。实验重气采用CO２(南京特种气体厂),气体钢瓶容积为40L,CO２体积分数为99%,出厂压力为10.0MPa。模拟受限空间是大小为5.0 m×1.6 m×2.5 m(长×宽×高)的受限长方体,墙角等边缘结合部分有微小缝隙,实验中室内气体和外界存在自然渗漏,使得室内气压平衡。水幕系统由供水系统、喷头、压力表、阀门和流量计组成。系统采用消防水,其流量计量程为300~3 000m３/min,实验采用的喷头类型有扇形喷头和锥形喷头。扇形喷头型号为ZSTM15A,流量系数38;锥形喷头型号为ZSTWB34/60,流量系数38。气体浓度采集系统由CO２浓度传感器、变送器、数据采集仪和计算机数据处理系统组成。CO２浓度传感器型号为JQAW4AC,信号刷新时间为0.5s。
1.2 实验过程
实验初始条件为泄漏源高度0.8m,泄漏源释放速率120L/h,距泄漏源1.5m处设置两个水幕,间距0.6m,水压0.1 MPa,水幕安装高度2.0m,水幕方向为自上而下。实验选取4个CO２浓度测量点,距离泄漏源分别为3、4.5m,在3m和4.5m处各放置2个传感器,高度分别为0.5m和0.2m,具体位置如图1所示。当传感器测得的CO２体积分数为0.038%~0.042%(空气中CO２体积分数)时实验开始。通过计算水幕吸收效率来比较水幕不同设置情况下的稀释阻挡能力,水幕的稀释阻挡效率见式(1):
式中:φ０为未开启水幕时CO２的体积分数;φ１为开启水幕后CO２的体积分数;φ０、φ１均为实验测量值与空气中CO２体积分数的差值。
2 结果与讨论
2.1 水幕设置对水幕稀释阻挡效率的影响
在初始条件下,考察水幕串联和并联两种设置形式对η的影响。其中,串联水幕距离泄漏源的水平距离为1.5m;并联水幕分别距离泄漏源1.5、2.0m。图2为不同水幕设置情况下1~4号测量点处CO２浓度随时间的变化曲线。
为使图像能更加直观地表现出浓度变化规律,取横坐标为时间,纵坐标取CO２浓度以10为底的对数值。表1为不同水幕设置情况下1~4号测量点处的稀释效率。
由图2和表1可知,有水幕时测量点的浓度比无水幕时测量点的浓度低;设置水幕串联时,4个测量点处的CO２浓度均最小,水幕的稀释效率最高,阻挡效果最好。这是因为在受限空间中,串联水幕形成的水墙面积较大,水幕能很好地阻挡泄漏气体向后方扩散。同时,两个扇形水幕中间有重叠,重叠后的水幕孔隙率较小,气体不易穿过。并联水幕虽然能对泄漏气体进行两次阻挡,但是单次阻挡的水幕面积比较小,气体可从两边绕流扩散,遇到第二层水幕时已经扩散开来,水幕所形成的面积不能完全阻挡泄漏气体,所以双层水幕的阻挡效果没有单层水幕的效果好。
2.2 喷头类型对水幕稀释阻挡效率的影响
在初始条件下,考察相同水流量的扇形喷头和锥形喷头对η的影响。图3为不同水幕喷头类型下1~4号测量点处CO２体积分数随时间的变化曲线。表2为不同水幕喷头类型的稀释效率。
由图3和表2可知,扇形喷头水幕后方的CO２体积分数比锥形喷头低。当水幕喷头为扇形喷头时,4 个测量点处的CO２体积分数均最小,水幕的稀释效率最高,阻挡效果最好。这是因为扇形水幕和锥形水幕的阻挡原理不同:扇形水幕主要起阻挡作用,当泄漏气体扩散到水幕时,水幕所形成的屏障可以有效地阻挡泄漏气体向后扩散,同时向气体云传递动量,驱使其向上、向下或向侧方扩散,从而达到抑制泄漏气体扩散的作用。锥形水幕主要起空气卷吸作用,当水从喷头喷出时,会分解成小水滴,形成雾状水。空气卷吸作用主要发生在水幕边界层,雾状水所具有的动量会传递给与水幕相连的环境空气,当泄漏气体靠近水幕时,水幕形成的卷吸空气对泄漏气体进行混合和稀释,从而降低泄漏气体的浓度。在受限空间中,由于空间狭窄,锥形水幕的空气卷吸作用无法充分利用,而扇形水幕形成的屏障可以很好地阻挡泄漏气体向后方扩散。
2.3 泄漏速率对水幕稀释阻挡效率的影响
在初始条件下,设置水幕类型为扇形水幕,水幕方向为自上而下,考察泄漏源释放速率(160、120、80、40L/h)对η的影响。实验在密闭情况下进行,CO２体积分数随时间不断增加,不同位置处的气体浓度也不同。图4为不同泄漏速率时1~4号测量点处稀释效率的变化情况。
由图可知,水幕对受限空间内CO２气体泄漏的阻挡效率在80%左右。CO２气体泄漏速率越小,水幕的阻挡效率越高。这就是说在泄漏事故中采用水幕防护时,重气云不可能完全得到稀释阻挡,总会有一部分气云穿过或绕过水幕向下风向继续扩散。同时,泄漏速率越大,气体到达水幕时的相对动量越大,水幕的机械驱散作用相对越弱,气体越容易穿透水幕。
因此,在泄漏源附近设置水幕系统并不能完全稀释阻挡气云向下风向继续扩散,其主要作用在于减少向下风向扩散的气云量,进而降低下风向的气云浓度,增加泄漏发生时人员的可用安全疏散时间。水幕稀释阻挡为柔性隔断,在降低重气云浓度、延长可用安全疏散时间的同时,不影响人们的正常通行,有利于人员安全疏散和消防队员救援工作。
3 结论
(1)水幕主要通过物理阻隔、机械趋散作用以及空气卷吸混合稀释等方式对泄漏扩散气体进行稀释阻挡。
(2)受限空间内串联水幕的横截面积大,对泄漏扩散气体的阻挡效果比并联水幕要好。然而并联水幕的两层水幕间的距离、串联水幕两喷头间的距离等因素可能会对实验结论产生影响,需进一步实验验证。
(3)受限空间内扇形水幕对二氧化碳气体的阻挡效果比锥形水幕要好。所以,受限空间内不溶于水的重气发生泄漏时,应优先采取扇形水幕把泄漏的危害降到最低,防止泄漏气体积聚引发燃烧或爆炸。
(4)水幕对受限空间内二氧化碳气体泄漏的阻挡效率达80%左右,二氧化碳气体泄漏速率较小时,水幕的阻挡效果很好,气体的泄漏速率变大,水幕的阻挡效率会变小;水幕不可能完全稀释阻挡重气云,但可以降低重气云浓度,延长可用安全疏散时间。
(5)工程应用中还需要考虑水幕的安装高度和水幕与泄漏源距离等因素对稀释效率的影响,需进一步实验得出。
Heavy gas leakage accidents occur frequently in pe-troleum and chemical industry and usually cause casual-ties and property losses.Heavy gas means the gas withthe density bigger than air in normal condition like Cl２,LNG,CO２.These accidents could occurr in the process ofthe production,storage and transportation and often bringgrave consequences,especially in confined space.For ex-ample,on 16th May,2015,a carbon disulfide leakage ac-cident happened in Ruixing Chemical Co.Ltd.in JinchengCity,Shanxi Province,eight people were killed and sixpeople were injured.On 15th November,2014,a meth-anethiol leakage accident happened in a factory of DuPontCompany in southeast Houston,five workers were ex-posed to methanethiol gas directly,four people were killedand one was hurt.
Water curtain is widely considered as an effectivetechnique to control gas leakage,plenty of theoretical andexperimental researches have been carried out to studythe mechanism of water curtain.Factors of water curtaindiluting and obstructing toxic and hazardous gases in openspace are explored in previous researches,but few resear-ches on that in confined space.As heavy gas leak in con-fined space,it could lead to more serious consequences.So it is particularly important to research water curtaindiluting and obstructing the dispersion of heavy gas inconfined space.In China,the research on water curtaindiluting and obstructing the dispersion of heavy gas startslate and many key problems in design of water curtain arenot researched.In this paper,small-scale field experi-ment was carried out to research influencing factors ofwater curtain diluting and obstructing the CO２dispersion.The conclusions could provide reliable methods for settingfixed water curtain properly in confined space.
1 Introduction of experiment
1.1 Experimental system
Experimental system was mainly composed of gasdischarge system,the small-scaled confined space,watercurtain system and CO２concentration detection systerm.Gas discharge system included gas cylinder,reducingvalve,rotor flow meter and piping.The reducing valveconnected the cylinder and the rotor flow meter.Outletdiameter of the pipe was 6mm.CO２was purchased fromNanjing Special Gas Plant,volume of the gas cylinder was40Land the pressure of the gas was 10.0 MPa,and vol-ume fraction of CO２was 99%.Size of the confined spacewas 5.0m×1.6m×2.5m (length × width ×height).There were some tiny cracks at corner and edge of theconfined space,so the air pressure of space indoor was e-qual to that of outside.Water curtain system was com-posed of water supply system,nozzles,pressure gauge,valves and flow meters.Two types of nozzles(fan spraynozzle and cone nozzle)were adopted in the experiments.Range of flow meter was 300~3 000m３/min.Model offan spray nozzle was ZSTM15Aand that of cone nozzlewas ZSTWB34/60.The flow coefficient of all the nozzleswas 38.CO２concentration detection systerm was com-posed of CO２concentration sensor,transmitter,data ac-quisition machine and computer data processing system.Model of CO２concentration sensor was JQAW4AC andthe signal refreshed per 0.5s.
1.2 Experimental process
The initial conditions of experiments:height of re-lease source was 0.8m;release rate of CO２was 120L/h;two nozzles were set on a movable pipe and 0.6mapartfrom each other,1.5 m apart from the release source.Water curtains were installed 2.0mhigh and water pres-sure was 0.1 MPa.Water sprayed vertically down fromthe nozzles.Four concentration sensors were set asshown in Fig.1.Sensors 1and 2were set 3mapart fromthe release source while sensors 3and 4were set 4.5ma-part from the release source.Sensors 1and 3were 0.5mabove the floor while sensors 2and 4were 0.2mabovethe floor.The experiment began when the volume fractionof CO２in air was 0.038%~0.042%.Dilution efficiencyof water curtain was measured byη,as in formula(1).
As shown in formula(1),φ０andφ１represented thevolume fraction of CO２before and after using water cur-tain.The actual value was equal to the measured valueminus the volume fraction of CO２in air.
2 Results and discussions
2.1 Influence of setting form of water curtain
Water curtains were set in series(single layer)andin parallel(double layer)respectively.Distance from sin-gle layer water curtain to release source was 1.5 mandtwo nozzles were 0.6mapart from each other.Distancebetween double water curtain and release source was 1.5m and 2mrespectively.Fig.2shows the changing curveof CO２concentration with time at different setting forms.In order to show the change rule of CO２concentration di-rectly,horizontal coordinate was set as time and verticalcoordinate was denary logarithm of CO２concentration.Table 1showsηof fan-shaped water curtain at differentsetting forms.
Table 1and Fig .2indicats that CO２concentrationwas lower if water curtains existed.When water curtainswere set in series,CO２concentration at 4 points wassmaller,dilution efficiency of water curtains in series washigher than that of parallel water curtains.Because inconfined space,waterwall of series water curtain was lar-ger,so the water sprays could dilute and block CO２effec-tively.Besides,the overlap between the two water cur-tains made porosity smaller,so it was difficult for the gasto pass through.Parallel water curtain could block CO２twice,but the single area was small,and the gas dispers-ed around the first water curtain and spread out whencontacting the second one.So parallel water curtain couldnot completely obstract CO２.
2.2 Influence of water spray nozzle
In the initial conditions,the effect of different waterspray nozzles(fan-spray nozzle and conical nozzle)withthe same flow on dilution efficiency was investigated.Fig.3shows the curve of CO２concentration changing withtime with different nozzles.Table 2shows different dilu-tion efficiency of water curtains.
It can be seen from Table 2and Fig.3that CO２vol-ume fraction with fan-spray nozzle was lower than that ofconical nozzle.When fan-spray nozzles were set,CO２vol-ume fraction at 4points was smaller and the obstructingeffect was better.The reasons were that mechanisms offan-spray nozzle and conical spray were different.Fan-spray nozzle diluted CO２mainly by creating a barrier aswell as imparting momentum to vapor cloud. Watersprayed from nozzles gave momentum to vapor cloud anddrove it to spread out.Conical sprays diluted CO２mainlyby air entrainment.When water was sprayed from noz-zle,it would decompose into droplets,formed water spraywhich had air entrainment effect at the boundary of watercurtains.Water gave momentum to ambient air and theair could reduce CO２concentration by mixing and dilu-ting.In confined space,conical nozzles could not diluteCO２gas effectively because the air entrainment effectcould not work fully in narrow space.However,the barri-er formed by fan-spray nozzle could prevent gas fromspreading.
2.3 Influence of release rate
In the initial conditions,fan-spray nozzles were set,water sprayed downward.The effect of different releaserate(160、120、80、40L/h)on dilution efficiency was in-vestigated.Experiments were conducted in confined spaceand CO２volume fraction increased with time.Fig.4shows the curve of CO２concentration changing with timeat different release rates.
Fig.4shows that the dilution efficiency of water cur-tain was about 80%.When the leakage rate of CO２gotsmaller,the dilution efficiency would be higher.The re-sults indicated toxic and hazardous gas could not be dilu-ted and blocked completely by water curtains in leakageaccident.There would always be a part of the gas passingthrough the water curtain and spreading out.In addition,the relative momentum of CO２got larger when the leakrate increased.The mechanical dispersion effect of watercurtain was relatively weak so CO２could pass through thewater curtain easily.
Therefore,water curtain system set near the releasesource could not dilute and block vapor cloud completely.The main effect was to reduce heavy gas dispersion andconcentration of vapor cloud in downwind,and increasethe avilable evacuation time if leakage occurred.Due toits flexible partition,water curtain did not affect the nor-mal evacuation.It is advantageous for people to evacuateand fire fighters to work.
3 Conclusions
(1)Water curtain dilutes and obstructs heavy gasmainly by mechanical effects and air entrainment.
(2)In confined space,the cross section area of watercurtain in series is bigger than water curtain in parallel.However,the distance between two water curtains in par-allel and the distance between two nozzles of water cur-tain in series plays an role in obstructing effect,it is notresearched in the paper and will be considered in furtherexperiments.
(3)Dilution efficiency of fan-spray curtain is higherthan that of conical spray.Therefore,priority should begiven to fan-spray water curtain when heavy gas is not in-soluble in water leaks in confined space,in order to pre-vent gas collection from explosion.
(4)The dilution efficiency of water curtain is about80%.When the gas leakage rate gets bigger,the dilutionefficiency of water curtains gets smaller.Water curtaincannot dilute and block vapor cloud completely.The maineffect is to reduce CO２dispersion,so the safety evacuationtime will increase.
(5)The effect of factors like the installing height ofwater curtain and distance from release source on watercurtains need to be considered in engineering application,which need to be researched in the future.
摘要：以二氧化碳气体为对象,对受限空间水幕稀释阻挡重气泄漏扩散进行研究。实验系统主要由气体释泄放系统、模拟受限空间、水幕系统和实验气体浓度采集系统组成。考察水幕设置形式、水幕喷头类型、气体泄漏速率对水幕稀释阻挡效果的影响,揭示水幕稀释阻挡重气泄漏扩散的原理。水幕设置形式分为串联形成单层水幕和并联形成双层水幕;喷头采用扇形喷头和锥形喷头。结果表明:采用单层水幕时,水幕下风向测得的CO2体积分数最小,水幕的稀释阻挡效果最好;扇形水幕对CO2的阻挡效果比锥形水幕好;气体的泄漏速率变大,水幕的阻挡效率变小。
扩散实验 篇2
关键词：扩散模式,知识扩散,竞争企业,媒介,知识基
知识经济的到来,知识对企业发展的重要性日益凸显,知识成为企业最为重要的寻租资源[1],企业依赖于其所拥有的知识获取竞争优势[2],知识成为企业竞争优势的重要来源[3]。加快企业知识积累和创新的步伐,提高企业知识管理水平及其利用效率正日益引起众多理论研究者和业界实践者的重视,企业不仅关注于组织内部的知识学习与创新,而且也日益重视探索外部知识获取的途径和模式,有效获取和利用外部知识成为企业成功的关键[4,5],但现有研究多是基于外部合作性协同的视角研究知识跨组织的转移与扩散问题[4,6,7,8,9,10],对企业外部知识获取的研究仅局限于存在有合作关系的组织机构,而基于实践,企业不仅从其合作伙伴处获取知识而且也从其外部竞争对手处学习各种知识。Mansfield、Schwart等对化学、药品、电子机械等行业48项创新扩散的调查中发现,4年后有60%的创新会被竞争对手所模仿,Lewin通过调查发现129个行业创新在3年左右的时间内均被竞争者所模仿[11]。竞争对手所拥有的优势知识成为企业竞相追逐、模仿与学习的对象,反观对竞争企业间知识扩散的理论研究成果则相对较少,或者主要集中于情报科学研究领域中对竞争性情报的研究[5,9]或者是部分反映于动态竞争理论研究中[11,12,13,13],针对于与此,本文试图从竞争性协同的视角出发探究竞争企业间的知识扩散模式及其扩散机制问题,以资为企业知识管理提供借鉴参考和决策支持。
1 竞争企业间知识扩散环境条件
只有具备了知识扩散所需的环境条件,不同主体间知识扩散行为的发生才能成为可能,竞争企业间具备了知识扩散所需的环境条件。
1.1 从扩散所需基础条件来看,竞争企业间相似或者是类同的组织文化、知识基础、技术装备等基础促进了彼此间的知识扩散
企业从其他企业学习的能力取决于彼此间的在知识基础(Knowledge Base)、组织结构和薪资制度(Organizational Structure and Compensation Policy)及支配逻辑(Dominant Logic)间的相似性[14]。竞争企业间产品越趋同,竞争企业在知识背景、技术基础、组织文化等方面越容易产生共同认知,形成了多个不同领域的相似知识基础,组织间认知的相似性增强了彼此的知识吸收能力[15],知识重叠是改进知识转移与学习能力的调节器[16],降低了知识接受者吸收、模仿及二次创新的成本,提高了知识扩散效率,部分知识基的交互容易产生新的互补性创新,并在新的创新基础上扩散知识。
1.2 竞争企业间频繁地非正式交流为彼此间知识扩散提供了便利通道
竞争各方特别是当其存在地缘、血缘等关系时,企业间一方面存在较为激烈的市场竞争,另一方面这些企业又面临着共同生存发展的需求,彼此间存在大量有关产品外围创新、市场、运营、管理制度、企业文化等非核心知识和信息的非正式交流,特别是在竞争性较强的领域形成了众多的跨组织边界的实践社区、专家网络、工作组、参观团等非正式交流组织[17]。通过非正式交流所获取的知识与企业自身知识通过发酵、聚合、创新等操作,成为吸收企业的核心技术力量。Oliver[18]对美国生物技术企业间的知识扩散实证分析表明,虽然生物技术企业管理者执行了较高的保密水平,但科学家之间仍然打破了企业规则的约束而熟知对方企业所从事的各项研究,在非正式交流作用机制下,部分竞争企业甚至产生了彼此间人力资源、仪器设备、零配件供应商信息等的互换与共享。
2 竞争企业间知识扩散模式
扩散环境条件的具备使得竞争企业间知识扩散成为可能,但影响企业间知识扩散的因素众多,企业间距离、信任关系、知识基础、扩散意愿、互动频度、知识隐性特征等均影响着企业间知识扩散效果,与存有合作关系的企业间知识扩散不同,竞争企业间由于具有激烈的市场对抗性,彼此信任关系薄弱,知识主动扩散意愿低,企业在动态竟优的过程中,不断在产品设计、营销、生产管理等方面受到来自于竞争对手的多种刺激和诱导,企业尝试与寻求对竞争对手产品的取代或者是占优,一方面企业刻意捕获和猎取来自于竞争对手的各种知识,并期望与自身知识相融合,在吸收消化的基础上进行创新,以获取企业产品竞争的比较优势,另一方面企业又蓄意制造知识向竞争对手溢出的各种人为屏障,以保证竞争优势的持续获得。因而竞争企业间的知识扩散具有相对独特性,其扩散效果将主要受扩散媒介、知识特性以及扩散主体间的相互关系等因素影响,影响因素不同与此相对应的扩散模式必然也不相同。
2.1 不同扩散媒介下的知识扩散模式
知识需要借助于一定的媒介工具才能实现其在不同主体间的转移,根据竞争企业可资借用的扩散媒介的不同,竞争企业间知识扩散模式可分为:
2.1.1 以组织中人力资源流动与交互为媒介的知识扩散模式
企业间知识扩散离不开组织中人的活动[17],企业封闭不了各类技术人员的社会活动空间[19],知识在人们的日常交往、社区聚会等各类活动中得以扩散。企业深知知识在其竞争中的战略意义,于是作为企业核心知识载体的技术人员[20]成为竞争企业间竞相聘用的对象,一些企业给予以较竞争对手更为优厚的薪酬待遇、福利等许诺吸引技术人员从对手企业流向本企业。在此过程中,对手企业所拥有的技术优势得以扩散,甚至是竞争对手中部分还未应用正处于研发阶段的技术也通过人力资源的流入而为本企业所开发和利用。韩国三星电子充分利用“民族感情”这张牌,重金礼聘在Intel、IBM工作的韩裔工程师,并积极创造条件使其充分参与到新产品的开发过程中,加速了他们所拥有的先进技术知识在三星电子企业内部的扩散及其利用,如64KDRAM和25KDRAM产品的开发无不体现出韩裔工程师的身影。
2.1.2 以产品终端市场为媒介的知识扩散模式
来自于产品终端市场的知识对企业市场地位的提升具有重大的影响[21]。在一个充分自由、信息相对完全的市场中,产品的终端用户以挑剔的眼光自主选择、发现最为契合自身需求的产品,终端用户在对比选择产品的过程中,凝结了大量有关产品功能、价格、质量等方面的信息,这些信息与终端用户的个性需求相结合,并在其个人社会网络中广泛传递、交流、凝结,形成了蕴含众多消费者消费偏好和竞争者产品信息的终端用户知识,企业在竞争压力下,通过市场调查、面向用户设计、完善用户关系等方法探求、利用这些知识,终端用户市场知识向企业逆向流动并为企业所吸收,在这个过程中,来自竞争对手的产品相关信息得以扩散。处于市场终端位置的产品经销商也掌握有大量有关市场规模、竞争者及消费者需求等方面的市场知识[6],这些知识向前端制造企业的扩散有助于企业提高其竞争优势[7],企业根据与经销商渠道关系的特点而灵活选用恰当策略以成功获取来自于经销商市场终端的知识[6]。企业日益重视来自于产品终端市场知识的采集,并往往设有专门组织机构,微软专门设立产品支持服务部门(PSS)及接受顾客意见的“希望热线”以强化用户在产品设计、测试等过程中的参与作用,并及时把用户建议反馈给程序员用以参考[22]。
2.1.3 以提供研发、培训、经纪等服务的中介机构为媒介的知识扩散模式
企业间分工和专业化程度的加深催生了对科研、培训、行业协会等中介服务的大量需求,中介服务的介入使得竞争企业间的产品、市场、管理等共性知识得以广泛传播,降低了单一企业内的知识扩散成本。中介机构在为本企业提供技术服务的同时,也存在向竞争对手泄露技术知识以获取非正常收益的投机机会[23,24],当多家竞争企业面向同一中介机构寻求技术服务时,中介机构总是有意或者是无意间向彼此竞争对手泄露部分技术知识,甚至有时是中介机构为追求超额回报的刻意而为。技术的非排他性给予中介机构同时向多家竞争企业提供同一技术服务的可能,虽然企业可以通过向专利管理机构申请专利权以保证技术收益的独享性,但与此同时,与之相关技术细节也随之完全公开,这些有价值的细节很容易为竞争对手所掌握[18],并成为竞争对手赢取竞争优势的重要情报来源[25]。
2.1.4 以零配件、原材料等上游供应商为媒介的知识扩散模式
为应对激烈的市场竞争压力,企业不仅重视内部生产效率及产品质量的提升,而且也日益关注与外部上游供应商的协作,广泛遴选最优的零配件及原材料供应商以提供最优产品,对上游零配件、原材料的竟优选择导致众多产品竞争者的上游需求集中于少数几家关键供应商,这些供应商同时面临下游的多重需求,在集成与优化下游产品制造商们特定需求的过程中,各个彼此相互竞争的产品制造商所具有的部分独特的产品知识依附于零配件、原材料等需求信息经由上游供应商而得以扩散。不仅如此,企业通过对竞争对手所采用的生产工艺、技术装备等的溯源行动,也可以从其技术源头获取其生产工艺技术知识。随着产品系统的日益复杂,企业供应链协作伙伴日益增多,彼此间的协作与集成使得知识编码化程度增加[26],当这些知识为供应链上其他产品制造商所应用时,知识向竞争者扩散。如意大利著名皮革沙发制造商Natuzzi对皮革切割模板的CAD化及质量控制流程的显性化使得关键技术向供应商转移,降低了竞争对手获取这些知识的难度和成本。Intel公司在进行平台创新时,总是首先设法获取来自于供应商和半导体技术联盟(Sematech)等供应链的外部知识,并绞尽脑汁研究如何把这些外部知识同内部知识进行联接组合以形成新的产品系统,如Itanium 64位微处理器的架构知识来源于惠普,而制作工艺知识则以收购Alpha芯片公司和DEC的制造设备的方式获得。
2.2 不同知识特性下的知识扩散模式
Polanyi[27]、Zander等[28]根据知识的可编码化程度把知识分为隐性知识和显性知识,隐性知识具有难以表达性,“知而不能言者众”,隐性知识固化于员工头脑、日常行为及组织惯例、制度、运营流程、企业文化之中,对隐性知识的获取需要知识需求方嵌入于知识拥有方所特有的组织环境中,而显性知识则是指可以用语言、文字、图表等予以表示的可观察、可测量的知识,这类知识可以通过市场交易、学习与培训等方式拥有,根据竞争对手所拥有知识的特性不同,企业应采取不同的扩散模式予以获取。
(1)对竞争对手产品直接模仿或者是采集产品相关信息以获取其显性知识。产品最大化凝结了企业所拥有的各类知识,是企业知识的产出物,大量有关产品质量、价格、系统架构、原材料、技术参数、功能、服务、营销策略等相关方面的知识得以外显。同时,企业间竞争也主要表现为彼此产品间的竞争,企业为了维持自身产品的市场竞争优势地位,必然通过市场调查、产品推介会、展销、刺探、非正式接触等方式密切关注有关于竞争对手企业产品的一切信息,一旦获取相关知识,便通过技术路线图、专利分析[29]、反向工程或者是直接模仿等手段整合、利用来源于竞争对手的所有外显知识。FedEx采用包裹跟踪系统3～5年后,UPS和DHL也直接模仿提供了同样服务[20]。日本本田公司从世界各国引入500多种型号的摩托车,通过反向工程,综合竞争对手产品的优点开发出了比竞争对手性能更加卓越的新型摩托车并风靡世界[22]。
(2)隐性知识镶嵌于特定企业环境中,并与企业组织结构、规章制度、运作流程、加工工艺、生产设备及其个体成员相互交织,形成了保持持续竞争优势的天然屏障,隐性知识往往是企业核心能力的重要构成,对于竞争性企业,由于彼此间存在利益的对立性,各方必然控制隐性知识的显性化,因而在一定程度上削弱了知识扩散,但企业往往视竞争对手为威胁其生存发展的重要对象,必然投入相当多的资源渗透、观察、参悟与模仿竞争对手的行为[13,13],与竞争对手发生互动关系的频度甚至比合作伙伴更高,隐性知识在频繁的互动过程中流向竞争对手,对于难以直接渗透获取的隐形知识,企业甚至采用挖墙脚、雇佣知识间谍或者是第三方情报人员等极端方式获取。与非直接竞争对手①构建合作联盟也是企业获取隐性知识的重要途径,1997年长虹与日本东芝建立长虹东芝联系实验室以获取彩电生产的隐性知识,1998年康佳与小天鹅合作以获取洗衣机生产的隐性知识,2001年海信与荣事达合作以获取冰箱生产的隐性知识[13,13]。
2.3 不同主体关系条件下的知识扩散模式
竞争是企业的天性,当市场竞争程度加剧时,相互竞争的企业间存在强烈地理解和刺探对方相关竞争信息的动机,这种动机加深了竞争者之间的相互合谋,彼此间的相互学习变的尤为重要[30],竞争不是企业间唯一存有关系,互为竞争对手的两个企业之间为实现技术优势互补,开发出满足用户特定需求的产品,也存在合资、产品供应、联合研发等协作形式,协作各方在竞争性协同过程中实现对特定知识的利用(Knowledge Access)与获取(Knowledge Acquisition)②,竞争企业间关系的多样性促进了彼此间的知识扩散。
2.3.1 竞争企业以组建研发联盟等形式实现知识在竞争企业间的扩散
当用户需求多样、变动频繁或者研发投资强度较大时,单一企业难以满足新产品研发所需的全部技术需求或者是单一企业不能承受新产品研发失败的全部风险,需要多家企业以组建联盟等形式进行新产品研发的协作,研发联盟构建于技术共享与风险分担基础之上,联盟为合作各方提供了接近对方显性知识和隐性知识的通道,双方所投入研发项目中的知识以及各自隐藏于新产品之中的知识演化趋势等相关信息都较为容易地为对方所获取[32],研发联盟加速了知识在竞争企业间的扩散。1998年6月诺基亚、爱立信、摩托罗拉、三菱等手机制造商联合投资成立Symbian公司,用以集成各自的技术优势开发性能卓越的手机操作系统,领先于各自竞争者的技术在联盟合作过程中得以集成和扩散,实现了手机操作系统存量知识和整合效应所产生的增量知识在协作各方的扩散。
2.3.2 竞争企业以并购对手企业或者是其关键技术部门的方式获取对手企业知识
知识资源的过度竞争导致了企业间并购行为的增加,企业为了消除对手企业的潜在影响,同时壮大自身技术实力,往往会不惜代价收购具有潜在竞争性威胁的机构或者企业。1999年8月思科系统公司为保持对朗讯、北方电讯、阿尔卡特等公司的竞争优势以68.6亿美元的高价收购了仅有287名员工的光纤传输中断设备制造商Cerent公司。2001年12月Amgen公司为获取风湿性关节炎特效药Enbrel的生产技术完成了对Immunex公司的并购[18]。
2.3.3 竞争双方通过直接购买或者互换知识产权的方式实现竞争企业间的知识扩散
企业为了更为长久地占有知识创新的租金而通过专利的形式诉求法律的保护,竞争越激烈,专利细分程度越深,就需要更多专利技术的联合才能发挥创新的系统集成优势。而专利的有偿使用特性增加了企业间创新知识获取的复杂性,企业为了减少知识交易过程中的产权争端,避免法律上的诉讼,一种有效方式是知识产权的直接购买,知识产权的购买是企业解决现有知识能力不足的最为快捷的方式之一[32],另一种有效方式是竞争企业间专利权的互换。2004年三星与索尼在北美市场上就半导体、家用电器及信息通信等签订了上万条专利技术互换协议(免费使用)[10]。LED元器件技术和荧光材料技术是LED行业的两项关键技术,Nichia在LED元器件领域具有技术优势,而Osram在荧光材料领域具有技术优势,二者存在互补关系,为避免专利上的法律诉讼,二者签署了交叉专利许可[29]。
3 竞争企业间知识扩散机制
扩散环境为竞争企业间的知识扩散创造了环境条件,扩散模式为竞争企业间知识扩散提供了方式、方法和手段,而企业只有从内部建立稳定地学习、吸收、整合、利用知识的扩散机制,知识扩散才能最大程度地发挥其绩效水平。知识扩散机制从企业内部为彼此间的知识扩散提供了程序保证。根据学习与整合扩散知识的深度及其作用的不同,企业知识扩散机制主要包括锚定机制、超越机制、动力机制。
3.1 锚定机制
企业以基准营销(Benchmarking Marketing)的方式与竞争者就产品、技术、管理等进行全方位对比,发现并锚定竞争者的竞争优势所在,并以此为基准进行学习与追赶。包括在区域或者是行业范围内搜索、发现、锚定目标,对目标企业与自身现状之间的差距进行全方位对比分析,分解目标构建基准指标体系,并进一步细化为企业若干行动指南,在此基础上学习与仿制目标,监控与评价锚定绩效,再锚定、再模仿。
3.2 超越机制
企业通过锚定机制获取了来自于竞争企业的技术知识,通过与对手企业的综合对比分析,并结合企业自身技术基础和特定企业情景,确定自身产品的技术开发路线,强化组织的系统学习、基础研究、研发合作,构建企业技术超越的发展战略系统,制定产品技术超越的规章、制度和行为规则。主要包括分析技术演化趋势、确定技术竞争战略、制定技术发展目标、改善组织流程、调整激励考核制度、重新配置知识资源(包括外部知识资源的引入,为获取创新成果集中资源所进行的技术攻关等)、强化组织学习以及技术市场化等一系列组织赶超活动。
3.3 动力机制
企业不仅要获取和利用竞争对手的知识,而且由于知识的时效性,企业需要比竞争对手更快、更有效地整合、利用所获取的知识,以保持技术上的领先地位。企业所处市场的竞争激烈程度、竞争企业间的知识位势、技术更新速度、产品所处寿命周期、企业盈利、企业知识存量水平等要素构成了企业知识扩散的动力机制。竞争本身就是一种动力,竞争意识的存在,特别是针对特定竞争对手所开展的各种行动就是寻求创新、获取突破、实现产品跨越的过程;过低或者过高的知识位势均不利于知识扩散,过低的知识位势使企业丧失了获取知识的动力,而过高的知识位势则影响了知识扩散的作用效果;技术更新速度越快,企业产品被其他产品取代的风险越大,企业为此所需付出的时间、资源也就越多,企业获取外部知识的动力也就越大;当产品处于生命周期末端,迫切需要升级改造时,企业对新技术的需求也较为迫切,为获取知识所愿意付出的努力程度也就越大;企业的盈利水平影响着技术研发的努力程度,企业经营绩效越高,企业的研发投入越大[33],研发投入的增加意味着企业获取和利用外部知识能力的提高;企业知识存量越丰富,企业所具有的知识学习能力和吸收能力越强,与此对应其获取、整合外部知识的能力也就越强[8]。
扩散环境、扩散模式、锚定机制、超越机制、动力机制彼此相互交织、共同作用促进了竞争企业间的知识扩散,并表现为企业专利及新产品数目的增加、生产成本的降低、产品性能的提升、企业盈利水平的提高等。其中扩散环境为竞争企业间的知识扩散提供了环境条件;扩散模式为竞争企业间的知识扩散提供了方式、方法和手段;锚定机制借以扩散模式为竞争企业间的知识扩散提供了标杆及知识积累基础,侧重于存量知识的获取,表现为知识作用范围的增加;超越机制则为企业提供了知识整合与利用的方式、方法、程序及其制度等问题,侧重于企业内外知识基础上的再创新,表现为知识利用深度的增加;动力机制则为竞争企业间的知识扩散提供了动力支持,保证了技术知识的持续演化及企业持续竞争优势的维持。扩散环境、扩散模式及扩散机制交互作用的概念模型如图1所示:
4 结 论
知识作为企业核心战略资源的作用日益凸显,在激烈的市场竞争压力下,企业为寻求压制性竞争优势,不仅重视知识的内部积累,也日益关注于企业外部知识的获取。知识禀赋的异质性决定了企业间知识的差异性,一方面企业通过增强信任、加强联系等方式从合作伙伴处获取知识,另一方面企业也试图通过多种渠道和手段获取来自于竞争对手的知识。竞争企业间虽然存有激烈的市场冲突,但彼此间类似的知识基础和便利的非正式沟通渠道使得竞争企业间知识扩散成为可能。影响竞争企业间知识扩散的要素众多,不同的影响要素对应着不同的知识扩散模式,知识扩散模式为竞争企业间的知识扩散提供了多样的方式、方法和手段,企业应针对具体情境而灵活选取相适应的扩散模式以更有效地获取来自于竞争对手的知识。知识的获取只是增加了企业的存量知识,企业还需与自身特征相结合,最大化的利用和整合所获取的知识,企业扩散机制则为此提供了程序保证。扩散环境、扩散模式及扩散机制相互交织、相互作用,共同促进了竞争企业间的知识扩散,进而促进了企业生产效率及其盈利水平的提高,企业盈利水平的提高则又进一步推动了竞争企业间的知识扩散并保证了技术知识的持续演进。
扩散实验 篇3
摘要：为寻求微观分子运动的最佳宏观展示，以碱性品红作为示踪因子，通过适当的实验设计，排除品红参与的（1）入水初始速度所致的宏观运动；（2）溶液密度差异引起密度流所致的宏观运动；（3）温差引起水的环流所致的宏观运动；（4）接触面空气扰动所致的宏观运动，展现了微观分子运动的宏观现象。还设计了可以在中学实验室开展的、以最大程度排除十扰因素并实现“微观分子运动的宏观展示”的改进实验。探讨了宏观运动对微观运动十扰的机制，指出某些“实验规则”存在可能导致实验误差的现象。
关键词：分子运动；宏观运动；品红；实验改进
文章编号：1005 - 6629（2015）5 - 0069 - 04
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 “微观分子运动的宏观展示”问题提出
“分子运动”是重要的科学概念，是贯穿物理、化学等学科的基础概念，也是公众理解当代科学的一个奠基性概念。微观分子运动的宏观展示对于建立正确的分子运动概念具有重要意义。
人民教育出版社九年级《化学》教材“分子和原子”中[1]，展示了“品红在水中扩散”的实验。教材设问，“在静置的水中，品红为什么能扩散？”，在问题右侧配发了“品红在水中的扩散”图片。该图片由三幅小照片组成，照片之间还有两个箭头表示品红在水中的扩散过程随时间变化的趋势。意在揭示，由于品红的分子运动，导致了品红“在静置的水中能扩散”。
然而，该实验存在一定问题。意在展示微观分子“扩散”，就应当排除宏观运动的干扰，否则无法区分运动现象是宏观还是微观的。这要求初始状态中的品红与水应当处于相对静止或者接近相对静止状态，否则品红就会参与背景的宏观运动而削弱“分子运动”的价值。但是，由教材实验容易看出品红并非由静态或者接近静态入水，而是从一定高度滴下、以一定初速度入水的（从课文配图1可以非常清晰地看出此点）。品红实际参与从水的上层往下层运动的机械运动，这一宏观运动干扰了作为微观运动的品红的分子扩散。品红“扩散”的主要原因是重力！课文的实验存在不妥，宏观运动与微观运动相混淆，“分子运动导致了品红的扩散”无法真实体现出来。
如图1所示，我们对教材实验进行了重现。
我们从距离液面约lcm处将品红液滴滴下，复现教材实验。复现的实验清晰呈现了前述问题。由图不难看出品红参与的主导运动是重力引起的宏观物理运动而非微观分子运动。
2 微观分子运动的宏观展示实验设计
我们决定通过合理设计的实验，消除微观分子运动的干扰因素，从而展示分子运动现象。
2.1 消除重力因素干扰的实验
从水面上方滴人示踪溶液会导致液滴具有一定的初始入水速度。实际上，即使仅距离水面0.5cm，滴入水中的品红溶液也会具有约0.31m/s的初始速度；这一速度看似不大，然而对正常无规则运动的分子相同时间内的位移而言却是极其惊人的；这一宏观运动直接影响到品红分子运动现象。因此，我们选择用滴管将品红溶液缓慢注入烧杯底部，以消除重力因素的作用，观察品红在静置水中的分子扩散。滴管进入液面是违反使用规范的，因此我们使用了一个规定仅用于此的专用滴管；若选用长针头的注射器滴注会取得更好的效果。
如图2所示，与从液面上方滴入的品红相比，注入烧杯底部的品红发生的扩散明显缓慢许多。这再度证实了滴人液滴时的初始速度是分子扩散的干扰因素，必须排除。
2.2 显示溶液密度因素影响的实验
考虑到品红溶液的密度不同于水的密度，我们进行了相关实验。尽管两者密度差异非常小（品红在常温状态下的水中，饱和溶解度仅为1%，因此品红溶液密度与水非常接近），但这一差异足以影响品红在水中的扩散。实验中观察到，将品红溶液通过滴管滴到烧杯内水的中部，该液滴较快沉到了杯底，如图3所示。这表明，品红分子在水中扩散的实验中，品红溶液的密度是一个不容忽视的影响因素。我们同时注意到，实验中导致液滴下沉的原因还可能是由于品红的溶解度较低，溶液中混有未完全溶解的固体颗粒所致。为排除此因素干扰，我们吸取了非饱和态品红溶液的上清液。
通过配制与饱和品红溶液密度相同的氯化钠溶液，可以将溶液密度差异带来的影响消除。从而使品红在水（溶液）中的扩散受到的干扰更少。氯化钠与品红不发生作用，且对后者溶解度的影响很小。
2.3 显示温差影响的实验
由于实验中室温与水温之间存在微小的差值（水温为21℃而室温为22℃）；温差作用下，烧杯中的水存在一个缓慢的环流，环流以烧杯的轴心为中心进行。实验中品红的路径显示出了水的环流，实验如图4所示：
需要解释品红的运动路径为什么是这样的。在室温高于水温的情况下，烧杯内的水环流纵剖面如下图5所示：
该环流是一种类似于洋流的宏观运动，需要被排除才能准确显示微观分子运动。但我们所在的实验室不具备大范围的精确温控能力。实验中气温与水温的温差仅为1℃，二者间的热交换不显著，误差在可接受范围内。这同时暗示，中学化学实验室几乎不具备将微观分子运动现象精确演示出来的条件。
2.4 实验讨论
教科书中的实验，未能考虑到初始速度、溶液密度、温差等因素的影响，这些因素引发了品红溶液或者烧杯中水的宏观机械运动，这些宏观运动无论从尺度还是效应上都掩盖了品红的分子运动。
从消除宏观运动影响的思路出发，在恒温室内，配制等密度溶液，用特制长针管缓慢将品红溶液注入等密度溶液来演示“品红的扩散”，这样可以清晰地表明“（液体）分子总是在永不停息地做无规则运动”这一概念，将微观分子运动展示出来。当然，更严密的做法是，针管缓慢进入水中后不进行任何注射操作而是固定起来，并加上毛玻璃盖以阻隔空气流动，任由长针头接触点的品红自由扩散进入烧杯溶液，更有利于微观分子运动的宏观展示（其缺点在于，需要相对较长的时间）。
然而，要求的上述实验条件如恒温，中学实验室基本都不具备。为了使“分子运动”概念的传授形象生动，我们设计了另一个简单可靠的实验来展示分子运动。
3 优化的实验
我们有针对性地设计了优化的演示实验。（1）为了避免温差的影响，实验使用的溶液需要提前在实验室静置24h以上，通过与空气充分的热交换确保水温与室温相同，这基本排除了温差的影响。（2）为了减少空气流动的干扰，可以给实验器皿加上玻璃盖。（3）为了避免初始速度和溶液密度差的影响，可以采用这样的方案：使用极小的一粒碱性品红固体微粒，用镊子缓慢投入盛有适量水的静置的烧杯里；通过品红固体颗粒自身的缓慢溶解形成示踪溶液。这样的溶液产生于水中，因此没有初始速度。品红颗粒极小，烧杯中水很多，溶液远未达到饱和，因此局部形成的溶液与水的密度差极小，实验中可以忽略不计（实验现象也证实了我们的设想）。这样，重力、密度差的干扰因素也基本被排除。不过，优化的实验新引入了一个无法排除的干扰因素：溶解热。但如前所述，由于固体微粒非常小，溶解速度也较慢，溶解热没有带来宏观可视的影响。
通过精巧的设计，新实验最大限度地排除了干扰因素。其操作简便，成本低廉。无论是在实验现象的显著程度上，还是在成本、可操作性上，都是一个可以替代教材实验的优化实验。
如图6-a、6-b：优化的实验所示，图6-a展示的是刚刚投入烧杯的品红小颗粒的状态，图6-b展示的是开始在水中自由扩散的品红分子。
4 问题讨论
4.1 为什么要选择液体作为实验材料
对展示分子运动现象而言，液体的确是最为理想的材料。固相、液相、气相材料之间，首先排除不同相态材料之间的展示，因为这样操作困难；在相同相态内，如果选择“固-固”的实验方式（如将金属球置于铅块之上），需要数年时间才能看到实验所需的分子扩散现象；如果选择“气-气”的实验方式，不易找到理想的实验材料，且操作干扰因素太多、精确性要求太高，难以实施；“液-液”则是三者间最佳的实验材料：易于操作、效果明显，精确性可控。因此，一般都选择液体作为材料。
4.2 烧杯中水的宏观运动何以干扰到品红的微观运动
这看起来似乎不是个问题，但事实上却容易对公众的理解构成干扰。因为，液体分子直径数量级为10-10 m；分子间作用力比较大，因此分子通常在各自的平衡位置附近做热振动，振动的振幅为l0-10 m。但是由于振动的频率非常高，20℃时分子振动平衡位置改变的平均时间间隔约为10-11 s，导致液体分子的移动速率可以达到10 m/s的数量级！这个速度远远大于烧杯的长、宽、高。因此，看起来即使从距离烧杯液面0.5cm处滴落，所获得的附加速度0.31 m/s较之10 m/s仅为3.1%，从数值上看，完全可以忽略不计——这样的话，教材实验就“没有误差”了！
这涉及到非常有趣的一点是，我们需要区分“速度”、“速率”与“位移”的概念。水分子的移动速率尽管很大（本处为lOm/s），然而事实上“位移”却很小，原因在于分子移动方向会随时改变，以致位移最低只有10-9～10-10 m的数量级，这较之10-1m/s（即0.1 m/s）的入水速度所导致的位移，完全可以忽略不计。还需要澄清的一点是，分子移动速率与分子振动速率不同，分子振动速率可以达到l02m/S的数量级并且随着温度升高而迅速增大，这是描述分子偏离平衡位置快慢的物理量，分子移动速率则是描述分子扩散快慢的物理量。由此可见，任何宏观运动对于水分子的扩散而言，都是必须排除的干扰因素。仅仅是“速度（速率）”大，未必能直接导致微观分子运动的可视化，还需要一个条件：适当的位移。只有足够大的位移，才能被人肉眼观察到。因此，我们需要给微观分子以适当的运动时间。
在这里，温度对微观分子运动的影响可以为后续的“化学反应速率”等理论铺平道路，提供概念支持。
4.3 一个隐蔽的问题
事实上，在中学化学实验室里，依照实验操作规程（例如，禁止将滴管伸人液面以下）是无法排除对微观分子运动的干扰的。换言之，对实验规则的遵守可能会引起实验误差。这是一个非常有趣并且值得探讨的课题，也是一个隐蔽的问题。事实上，我们在中学科学教科书中已发现了不少此类问题。
此类问题的破解，不仅有助于公众理解科学、学生学习理科，更有助于解释一般意义上限制科学研究的一些“惯习”和文化因素；从而有助于更多、更好的科学探索。
（浙江大学生物科学学院徐子叶等同学对实验提供了帮助，特此致谢。论文还得到了浙江大学化学系谢玉群副教授、浙江大学物理学系张寒洁副教授的指导，在此一并致谢。）
参考文献：
[1]胡美玲主编.义务教育课程标准实验教科书·化学（上册）（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006： 49
[2]海道源.液体中分子扩散现象演示法[J].物理教师，1997，（12）：6
[3]冯锦湘，马琴芬.分子扩散与温度有关对比实验[J]物理教师，1999，（5）：23
[4]陈六平，韩世钧.液体分子自扩散系数的预测[J].高等学校化学学报，1999，（2）：231～234
扩散实验 篇4
双扩散对流现象最早为海洋物理学家所研究,现已在不少学科和工程领域中受到关注,如海洋物理学、天体物理学、化学工程、甚至电子工业中.流体中这种由于两种组分的浓度差(或者单一组分的温度与浓度差)所引起的对流运动有一个共同的特点:两种具有不同分子扩散系数的组分,对于垂直密度梯度起着相反的作用.这两种“组分”,在海洋物理学中,是温度和盐分;在天体物理学中,是温度和氦气;而在化学工程中,则是两种不同的溶质.对于前两种情况,人们将温度视作为一种虚拟溶质浓度来处理,通常称之为“热盐系统”或“热氦系统”.对于热盐双扩散对流系统所得到的结果可以应用于两种具有不同扩散系数溶质的流体系统.
当流体中不计因溶质浓度梯度而导致的质量扩散(此系斐克效应)时,便是单纯的热对流扩散现象(亦称索瑞特效应).关于纯热对流现象,人们都比较熟悉,也较早地开展过广泛研究,并有许多相当成熟的理论分析.双扩散对流与纯热对流之间则有着明显的差别:双扩散对流现象甚至在流体密度分布随着高度递减时(此时基本状态是统计稳定的)也可以产生,其原因就是由于分子扩散的作用.它在热对流情况下是稳定因素,而在双扩散对流情况下,它会导致贮存在一个组分中的势能释放出来,并可转化成流体运动的动能,从而形成振荡.
人们研究较早的双扩散对流现象,是热和盐的双扩散对流.在这种流体系统中,温度、盐度和密度均单调地随着高度而减少.在化学工程中,一种溶液中存在两种溶质的情况是经常存在的.即使是在温度均匀的情况下,仍有可能产生双扩散对流现象.此外,当一种溶液中含有两种(或更多)不同的溶质且浓度不均匀时,其中一种物质的扩散流往往不仅依赖于其自身的浓度差,同时也依赖于另一种物质的浓度差,这就是交叉扩散效应.当这种交叉扩散效应较小时,可以忽略不计;但若交叉扩散系数足够大时,就必须予以考虑.
Veronis[1]首先研究了热盐对流系统中有限振幅的不稳定性,Miller等[2]则讨论了三元扩散的不稳定性.随后,人们对双扩散对流系统的线性、非线性稳定性问题持续开展了理论和实验研究[3,4,5,6,7],近年来相关研究还拓展到多孔介质[8,9].但是,到目前为止,人们对双扩散对流稳定性的研究,尚有一定的局限性.其一,尽管不少作者利用摄动分析或数值求解等途径对线性、非线性稳定性作了广泛分析,取得了丰富的结果,包括稳定性区域、可能的运动形式等,但是其中没有考虑交叉扩散系数的影响.其二,在考虑交叉扩散效应的工作中[3,4,5,6],主要是分析线性稳定性.由于对运动作了简化,实际上非线性项等于零.当然,最近有作者分析了计及交叉扩散系数时双扩散对流的弱非线性稳定性[9].
本文针对热盐溶液,在考虑交叉扩散系数的情况下,研究了双扩散对流的非线性稳定性,对其非线性方程组的解法作了一种尝试,利用一个有限表达式就得出了更一般的Rt-Rs关系式,以及定常有限振幅的表达式.该关系式在形式上和前人的相应结果一样,而交叉扩散的影响只需引入由交叉扩散系数表示的两个参数便可.当交叉扩散系数为零时(即不计及交叉扩散系数的情况),该式就还原为前人在不考虑交叉扩散时导出的关系式.本结果同样适用于热-氦系统,以及具有两种不同溶质的溶液.
1 物理模型
在两块无限大的水平多孔板之间(两板间距离为d),存在热的盐溶液,其温度、盐度和密度向上方呈单调递减的分布,上下板处的温度差和盐度差分别保持为恒定值ΔT和ΔS.多孔板对热和溶质为完全传导的,且无应力.对于本文所考虑的二维情况,只涉及一个垂直坐标Z和一个水平坐标X.这里假设温度和盐度随坐标Z作线性变化并考虑盐溶液为不可压缩流体,其密度由线性化的方程给出
其中,ρ为流体密度,ρ0为参考密度,α1和α2分别为温度T及盐分S的密度系数.
关于双扩散对流的物理机制,可解释如下:由于某种扰动,一个流体微团升高了,进入一个温度较低、盐分较少、密度较小的环境中.由于热的分子扩散速度大于盐分的分子扩散速度,该微团的温度要比起盐度更快地趋于与周围流体相平衡.于是,该微团的密度将变得比其周围的流体更大从而下沉.然而,由于热扩散系数的数值是有限的,当它回到原来的位置时,其温度将低于周围流体的温度,因此其密度将比其原始值要高,故它将继续下沉到比其原始位置更低之处.当它处于其原始位置更低之处时,由于上述同样的机制,该微团的温度将升高,但其密度仍将低于周围的流体,因而该微团将又一次上升.上述过程反复进行,就形成了振荡.当然,这种过程可能由于流体的黏性而受到阻滞.
2 基本方程
众所周知,质量守恒方程为
此处,D11和D22分别为温度和盐度的扩散系数,D12和D21分别为交叉扩散系数,U是二维的速度向量.这里,温度T比盐度S有更大的扩散性,即D11>D22.
动量守恒的Navier-Stokes方程为
此处,g为重力加速度.
为给出无量纲方程,应将各物理量无量纲化,这里取长度尺度为d,时间尺度为d2/D11,则有
这里,v为流体的运动黏性系数.于是,方程(1)～(3)就变成下述无量纲形式(其中已将上标符号^略去)
其中,k为垂直方向上的单位矢量.上述方程中出现的无量纲相似参数有:普朗特数σ=v/D11,扩散系数比τ=D22/D11<1,热瑞利数RT=gα1ΔTd3/vD11,以及盐瑞利数RS=gα2ΔSd3/vD11.
对于本文所考虑的不可压缩流体的二维运动,可引进流函数ψ,即
再利用交叉微分,消去压力项,并令(ΔS/ΔT)=γ,(D12/D11)=δ,(D21/D11)=λ,则得
在上述方程中,雅克比项由下式给出
无量纲边界条件为
于是,本问题归结为求解非线性方程组(7)～(9),且符合边界条件(11).
3 非线性解法
显而易见,方程组(7)～(9)的精确解是很难得到的,原因就在于它们是非线性方程组.因此,一些研究者将方程作了一些简化,他们从线性方程出发,得出了一些结果(参见文献[6]).但本文的目的,就是在考虑交叉扩散时,找出其非线性解.如上所说,非线性解的精确解是很难得到的,为此,我们采取文献[1]的类似作法,从解的物理特性出发.不难理解,一旦对流运动在两板之间建立起来,平均的温度场T(x,z)和盐分场S(x,z)必然被对流运动所扭曲.这样,我们就可以用一个有限的表达式来描述它们,既考虑到有限振幅运动,又加上了T和S场的扭曲情况.其最简单的表达式为
其中α为波数.
很明显,ψ的表达式(12)是可以满足边界条件的、最简单的可能形式,也是稳定性问题中流函数的一般表达形式.振幅a1(t)～a5(t)一般是时间的函数,需要求解确定.cosπαx sinπz之所以包含进来,是因为在T和S方程中要平衡流函数,这种T场或S场形式也是最简单的表达式.sin 2πz则是平均T场或S场被扭曲的最简单表达式.自变量中之所以用2,是因为平均温度场T或盐分场S都被T或S方程中的对流项Uz·T或Uz·S所扭曲,这些场的扭曲则相应于水平平均量的变化,即产生了一个形式为sin 2πz的分量.现在,问题又归结于求解ai(t).将表达式(12)～(14)代入式(7)～(9)中,并定义Ai=π2αai,可以得到
这里,上标“·”代表对时间的导数.
方程(15)～(19)也是非线性方程组,不能得到解析解,但是可用数值积分方法求解,相关的结果表明,振幅最后都衰减到零.事实上,当时间间隔选得足够小,数值积分的时间选得足够长时,热盐系统就可以达到一个定常状态.这样,我们就得知存在一个定常的有限振幅解.因此,不妨令,再经过一系列代数运算,便可从以上关于A1,A2,A3,A4,A5的联立方程组得出
或
式(20)是关于A1的准二次方程.该方程成立的条件必须满足为正实数.故该方程的判别式必须大于或等于零.取其极限条件,即令式(20)的判别式等于零,则得到
求解上式可得
其中,可以称之为当量盐瑞利数
RT的另一个根将导致为负数,故不取.
当的准二次方程(20)之判别式等于零时,的取值如下
4 讨论与结论
(1)将本文所导出RT-RS关系式(23)与以前某些作者不考虑交叉扩散项的结果(参见文献[1])加以比较,只是RT-RS关系式中多了E,F,G几个参数,它们是δ和λ的函数,即交叉扩散系数的函数.E,F,G等参数的存在正是代表了交叉扩散系数的影响,由此可以看出:交叉扩散的影响,只是牵涉到RT和RS的具体数量,并没有改变它们的基本关系.这样,前人论文中的有关稳定区域划分等讨论仍然具有相当的适用性.
(2)从RT-RS关系的一般结果出发,还可以得到若干特殊条件下的具体结果:
1)对于D12=0(即δ=0)情况,有
此时,式(23)变成
在热盐系统中,τ≈0.01,故可略去τ2,则有
这样,得到一个很好的近似表达式
2)对于D21=0(即λ=0)情况,有
此时,式(23)变成
其形式和式(23)一样,但E,F,G三个参数已改变为
其中,因热盐系统中有τ≈0.01,且已略去τ2.因而有
3)对于D12=0(即δ=0)和D21=0(即λ=0)情况,也就是不考虑交叉扩散系数的影响时,有
将以上关系式代入式(23),可得
同样,因在热盐系统中可略去τ2,上式简化为
此式和文献[1]的研究结果完全一样.此时,关于有限振幅的表达式为
如果将式(30)代入式(31),就得到
此式亦等同于文献[1]的结果.
(3)因此,可以认为,本文的结果是更带有一般性的.它计及了交叉扩散系数的影响,且用几个比较简单的参数表示在RT-RS关系式中,这样,许多前人关于稳定性分析的研究但未计及交叉扩散效应的结果依然可以应用.而他们所得出的关于RT-RS关系式,可以统一在本文所得出的RT-RS关系式(23)中,成为该关系式在δ=0和λ=0时的特例.
致谢
感谢北京理工大学徐文灿教授对本文稿所提的宝贵意见.
摘要：对热盐双扩散对流系统的非线性稳定性进行了研究,其中考虑了交叉扩散的影响.利用一个有限表达式来求解非线性方程组,得到了较好的结果.只需将交叉扩散系数表示为两个参数,就得出了更一般的RT-RS关系式,以及定常有限振幅的表达式.而当交叉扩散系数取为零时,该式就还原为前人在不计及交叉扩散时导出的关系式.
关键词：热盐系统,双扩散对流,交叉扩散,非线性稳定性
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农业创新传播、扩散和推广 篇5
1 农业创新传播、扩散和推广的概念与关系
农业创新传播是农业推广人员进行宣传、教育、试验、示范等活动,使农业生产者知道和掌握农业创新的过程。农业创新扩散是一项创新被传播到农村之后,农业生产者(主要是农民)之间的相互摸仿、学习和交流过程[1]。
在农业推广中,当创新传播到一个社会系统(如一个村)后,可以在阶层内成员间扩散,也可以在不同阶层成员之间扩散[2]。一项创新无论适合哪个阶层或类型的农民,推广人员把它先传播给该阶层或类型的先驱者(如科技示范户)采用后,再向该阶层以及其他阶层或类型的农民扩散。创新传播和扩散的关系可用图1表示。
A:先驱者农民;B:早期采用者农民;C:早期多数农民;D:晚期多数农民;E:落后者农民。
从推广过程的定义看,狭义农业推广是农业创新的传播活动,广义农业推广是农业创新的传播、采用和扩散活动[3]。一般而言,传播是推广人员有意识的推广过程,是扩散的基础;扩散是农民无意识的推广过程,是推广的保证。如果一项创新只传播不扩散,则推而不广,如有些地方政府需要(形象工程)而农民不需要的创新;既传播又扩散,则推而广之,如那些政府或市场和农民需要的创新。对有些农业创新,当地推广人员没有传播,而农业生产者自己引进采用和扩散,不推自广,如市场和农民需要的创新。就农业创新推广而言,传播是前提、采用是根本、扩散是保障。因此,农业创新传播、采用和扩散理论是农业推广的基本理论体系。
2 农业创新传播和扩散的特点比较
2.1 传播的目的性强,扩散的目的性弱或无
我国农业创新的传播者主要是农业推广人员,包括各级农业推广机构的推广人员、从事农业创新宣传的新闻工作人员和直接从事农业创新推广的教育和科研人员。他们传播的目的性很强,就是要将新思想、新观念、新信息、新技术、新产品传播到农村,让农民认识、接受、采纳和采用,在提高农民素质的同时,提高农业的产量、质量和效益,促进农村精神文明和物质文明的发展。
农业创新的扩散者是农民。一般农民没有宣传、扩散创新的义务,多是在自己采用创新时,被邻里看见模仿,或在闲谈聊天中无意识地进行了交流。只有在创新效果好时,才有可能在亲朋好友的交流中进行有目的的扩散。因此,在农业创新的推广中,扩散的目的性较弱,许多情况是没有目的。因此,我们说扩散是农民的无意识推广活动。
2.2 传播讲究方式方法,扩散不讲究方式方法
传播者要完成传播任务,达到传播的目的,必然要讲究传播的方式方法。常常要根据创新的特点、传播对象的特点,选择人际传播、集群传播、大众传播等方式,在每一种方式中,还要确定适宜的传播手段。为了得到好的传播效果,传播者甚至对自己的着装、行为、语言、姿势、口气等都十分讲究,而且有所选择。但对创新扩散者农民而言,他不考虑创新的扩散效果,即使有意进行扩散活动,常常也是起到让对方知道的作用,不大关心对方采用还是不采用。因此,农民在创新扩散中,不象推广人员那样讲究方式方法。
2.3 传播的信息失真性小,扩散信息失真性大
由于传播者是推广人员,他们受过专业教育或专门培训,对创新的特征特性及各种特点比较熟悉,他们所传播的信息比较真实,或者十分接近创新的真实情况,因而信息失真性小。而扩散者是农民,他们没有受过专业教育,他们从传播者处得到的创新信息,通过自己的选择性认识和选择性理解[4],常常按自己的思维结果表达出来,因而经过他们的“筛选、过滤”,扩散的创新会“走样”,传递的信息会失真,而且传递的人越多,走样和失真越严重。
2.4 传播是推广成本内摊,扩散是推广成本外摊
就推广机构而言,推广人员传播任何农业创新都是要花成本的,无论是大众传播、集群传播、组织传播和人际传播,仪器设备、纸张印刷、人员工资、差旅补助、交通通信费用等,都会计入推广机构的推广成本。这些成本由推广机构承担,因而称为内摊成本。农业创新的扩散是在农民之间进行,对推广机构而言,农民之间的扩散是不需要成本的。如果没有农民之间的扩散,要推广人员将一项创新传播给一个一个的农民,在许多情况下几乎是不可能的,即使能够做到,成本也非常的高。因此,推广人员把创新传播给农业系统的先驱者农民,通过先驱者农民和其他农民之间的扩散,利用扩散的放大性[1],不仅可以提高推广速度,还可以将这部分推广成本转嫁外摊,降低了推广机构的成本。因而,如何利用和处理好传播与扩散的关系,既提高推广效果,又节约推广成本,是现代农业推广理论研究的一个重要问题。
3 农业创新传播的方式
3.1 人际传播
农业创新的人际传播是农业推广人员与农民单独接触,通过交流传播农业创新的过程。农业种子、肥料、农药等企业的营销人员与销售商或代理商的相关人员单独接触,推销农资新产品的过程,也属于农业创新的人际传播。
农业创新人际传播具有以下特点:(1)交流性强。人际传播绝大多数时间是面对面交流,语言和非语言交流手段并用,传递信息能力强。(2)针对性强。人际传播多是一对一的传播方式,传播的信息针对特定农民的情况。(3)反馈性强。人际传播的的信息反馈及直接、及时,又集中、明显,并且是不断的互动反馈。(4)范围小、效率低。人际传播的农民是个别而分散,一个推广员花大量时间在一个农民身上,单位时间传播对象少,与其他传播方式相比,具有范围小、效率低的弱点。
在农业推广中,农业创新人际传播的方式主要有访问农户、定点咨询、电话咨询、信函咨询等。
3.2 集群传播
农业创新的集群传播,是推广人员把与传播内容相关的人员集中起来传播创新的方法。集中起来的农民可能来自同一个群体,如一个邻里群体,成员之间彼此认识,互相联系;也可能来自不同群体,如一个县组织的村干部科技培训班,成员之间多不认识,也少联系。因此,根据集群人员的特点,集群传播不是群体传播。群体传播是群体成员之间的交流与传播[5,6]。在农业推广上,我们能够控制集群传播的方式与方法,不能控制群体传播的方式与方法。集群传播可以分为集会演讲传播、组班培训传播和小规模传播(座谈会、小组讨论等)。与人际传播相比,集群传播具有范围较大、推广效率较高、集思广益的优点,但有反馈不够充分、个人要求难以满足的缺点。
3.3 组织传播
农业创新组织传播,是推广组织内部、组织之间、组织与外部环境之间的有关创新信息的传递与交流过程。创新信息在推广组织内部纵向传播,表现为上级向下级布置推广工作、传达指示和下级向上级汇报推广执行情况、请示工作等;信息在推广组织内部横向传播,表现为各个部门或团体之间以及成员之间交流沟通、协调行动;信息在推广组织之间传播,使推广组织与上级和下级或其他推广组织联系起来,增加创新推广的一致性、联动性和协调性;信息在推广组织与其他组织之间传播,如与当地政府部门、服务部门的传播,为搞好创新推广获得政策、资金及相关支持;公益推广组织派遣推广人员,代表推广组织向农业生产者传播农业创新,使推广组织实现组织目标、服务农业、发展农业。
3.4 大众传播
大众传播是职业传播者通过报纸、广播、电视、互联网、杂志、电影、书籍等媒介,按照一定制度,向人数众多、范围广泛的人们公开传递信息的过程。大众传播是现代社会最重要的信息传播方式,它具有5个方面的功能[4,7]:(1)侦察和反映环境;(2)沟通和协调社会;(3)教育和文化传递;(4)娱乐和休闲消遣;(5)影响舆论和评价。就农业推广而言,农业创新传播主要利用大众传播的影响社会舆论功能和文化教育功能。利用面向农民的大众传播媒介,连续宣传报道采用创新农民的增产增收效果,鼓励、赞扬和支持采用创新的农民,营造一种科技种田光荣、科技种田致富的舆论氛围,将引导和带动众多农民形成积极认识创新、积极评价创新的舆论倾向。利用面向农民的大众传播媒介,介绍科技种田、科技致富的新知识、新技术,有利于他们知道创新、认识创新、理解创新,使他们受到知识和技术的教育,可以帮助他们采用农业创新。
随着农民文化水平的提高和大众媒介的普及,农业创新大众传播的作用越来越明显。据我们调查,20世纪90年代前期,四川农民采用创新的信息来源有1%-8%来自大众传播[8]。而全国农村固定观察点对全国31个省市区的农户调查表明,2001-2003年,农民采用新技术的信息来源有23%-29%来自广播电视和书报杂志[9]。因此,大众传播在我国农业创新传播中将起到越来越重要的作用。
在农业推广上,大众传播媒介是广义的大众传播媒介,包括印刷媒介、书写媒介和视听媒介。印刷媒介包括科普性图书、农业技术期刊、农业或与农业有关的报纸、技术性小册子和技术明白纸。书写媒介是乡村直接面向农民的大众传播媒介,包括墙报、黑板报、标语等。农业推广中的视听媒介是指利用声、光电等设备传播农业创新的媒介,如广播、电视、音像制品、电脑网络等。
3.5 经营传播
农业创新经营传播,是农业推广组织按照市场机制,以获取利润为主要目的传播方法。这是在我国市场经济条件下,新兴发展起来的、社会商业性推广组织主要采用的农业推广方法。经营传播是推广组织在获取利润的前提下,使创新技术和产品得到推广。这种传播方法由于以获取利润为主要目的,充分调动了推广组织的积极性,因而近20年来我国商业性推广组织蓬勃发展,弥补了公益性推广组织的不足。但商业性推广组织常对创新垄断经营或独家经营,使一些适应性广、效益显著的农业创新在一定时间内只能在有限的范围内传播,不能使其尽快在较大范围内产生社会效益,这是经营传播的不足之处。尽管如此,在市场经济条件下,以经营的方式传播农业创新,将是我国农业推广发展的重要方向。
农业创新经营传播的类型丰富多样,以经营产品来划分,可以分为农业技术经营型(收取技术指导费)、种子种苗经营型(转让品种使用权或获取种子种苗利润)、农业产品经营型(获取采用创新生产产品的利润)、农药化肥农膜经营型(获取农资创新产品的利润)。
4 农业创新推广的主体
一般认为,农业创新推广的主体是推广机构。笔者认为,狭义农业推广的主体是推广机构(包括推广人员),广义农业推广的主体是农业推广机构、农业生产者和政府。农业推广机构包括公益性推广机构和商业性推广机构。农业生产者包括农民、农民专业合作社和农业生产企业。农业推广机构和农业生产者是直接主体,政府是间接主体。政府通过法规和政策来影响农业推广机构,尤其是公益性推广机构传播创新;也通过法规政策来影响农业生产者,尤其是低或非盈利性农产品生产者采用创新(图2)。同时,市场需求和价格也影响农业推广机构和农业生产者,尤其是商业性推广机构和高盈利性农产品生产者。
5 农业创新推广程序
我国农业推广学教材定义农业推广程序是项目选择、试验、示范、培训、服务、推广和评价[10,11]。这7个步骤适用于我国20世纪80年代中后期开始的项目推广方式,对没有批准立项的农业创新推广并不适用,且用推广作为一个步骤来解释推广程序,并不科学。
农业创新推广程序是“选择创新、试验、示范、普及、总结”。选择创新就是确定每一次推广的内容,试验、示范是推广的前期工作,普及是推广的中后期工作。总结是在本次推广活动结束后,进行全面系统的分析和评价。
从农业推广的角度看,农业创新是指应用于农业领域内的成果、技术、知识、信息等对推广对象而言是新事物的统称。因此,对有的地区已经采用多年的成果或技术,对另一些尚未采用地区的农民而言,仍然是一种农业创新。推广上的农业创新,不在于创新本身是否先进,而在于是否比所替代创新优越。因此,选择创新,就是选择当地农民迫切需要的、比替代技术明显优越的新技术、新成果。
选择的创新先进行生态适应性试验和生产适应性试验,如果明显优越,就进行示范。示范效果良好后,才进行普及活动。普及就是采用一切方法扩大创新应用范围和面积的过程。创新技术或成果只有在当地普及,才能充分发挥它的增产增收潜力,也才能使广大农民增产增收。普及的方法主要有:(1)媒介传播,广而告之。(2)集会宣传,大造声势。(3)培训教育,配套服务。(4)巡回下乡,集市咨询。(5)费用补贴,经济刺激。(6)产品包销,促进采用。
一次创新的推广过程,是推广人员的传播过程,也是农民的采用和扩散过程。在这个过程中,不同创新和不同推广方式所需的时间和获得的效果是不同的。每一次农业创新推广,都应有一个总结,分析、评价推广效果和推广方法,总结经验教训,以便下次创新推广时借鉴参考。总之,选择创新、试验、示范、普及和总结,以及前述的人际传播、集群传播、组织传播、大众传播和经营传播的方式方法,是我国社会主义市场经济条件下农业推广的基本方法体系。
摘要：传播和扩散是农业创新推广的两个重要环节。农业创新传播与扩散在目的性、方式方法、信息失真性和推广成本等方面具有不同的特点。农业创新传播包括人际传播、集群传播、组织传播、大众传播和经营传播。政府是农业创新推广的间接主体,对推广机构和农业生产者传播与采用创新有重要影响。农业创新推广一般应坚持选择创新、试验、示范、普及和总结五个步骤。
关键词：农业创新,传播,扩散,推广,主体,程序
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甲醛室内扩散的模拟分析 篇6
关键词：甲醛,PHOENICS,扩散
1 引言
随着人们对于生活质量追求的提高, 关注室外环境质量的同时, 对于室内空气质量的重视程度也在提升。相关的调查表明, 人们平均每天在室内度过的时间是室外时间十几倍之多[1], 室内空气质量不行, 甚至会引起与之有关的过敏性肺炎、气喘病、溶剂性脑病等[2], 而甲醛是其中重要的代表性污染物[3]。显然, 明确室内污染扩散规律, 从而保持室内良好的空气流通具有很大的意义。
目前, 在一般家庭的建筑、装修设计和施工中, 大多是凭借经验和常识进行。而计算流体动力学 (CFD) 由于对于房间形状的复杂程度、经验参数要求不高, 适用性较广[4], 逐渐受到人们的青睐。PHOENICS是世界著名的计算流体软件[5], 已经在航空、航天、电力等行业进行了应用, 但在室内空气流通方面的应用仍较少见报道。本文针对甲醛扩散, 采用此软件, 结合实际真实情况, 进行比较分析。
2 材料方法
以某房间为实验场所 (房间长、宽、高分别为10.3m、5.2m、2.8m, 窗户和门分别处于相对的两堵墙的首尾两端) , 装甲醛 (分析纯) 的烧杯放置于房间中央地面, 在一扇窗户和一扇门均全开状态下, 在静风状态 (风速<1m/s, 门为进风口) 下的5h后, 在门、窗户、平行窗户且距离烧杯3.2m处 (一处靠近门, 一处靠近窗) 的4个甲醛测定点 (分别为测量点1、2、3、4) 进行甲醛浓度测定;PHOENICS文件中导入按照房间尺寸建立的CAD模型, 边界条件中, 进风口处规模为:2.460000×1.084550, 进风速度为1m/s, 边界地点为:X:7.642002, Y:4.990000, Z:1.600000;同样的, 按照相同的步骤设置出风口的边界条件, 设置一个泄漏源intel, 让其自由扩散。
甲醛测定实验采用的仪器、药剂、方法均按照GB/T 15516-1995要求。
3 结果与讨论
3.1 甲醛的标准曲线
按照GB/T 15516-1995, 得到本实验的甲醛标准曲线 (如图1所示) , 拟合而得的直线表达式为:Y=0.0045 X+0.0489, 所得到的X与采样体积的比值即为甲醛浓度 (mg/L) 。
3.2 测量点1的情况
从图2情况看, 实测值与软件模拟值是非常接近的, 相对误差仅有5%。可以认为两者是相吻合的。这是因为测量时, 测量点1 (即门) 是进风口, 风速等初始数值都是依据此处数据而输入到软件中, 因此此处的失真度是最小的。
3.3 测量点2的情况
从图3情况看, 实测值与软件模拟值的相对误差达到了19%。原因在于空气经过进风口和房间的扩散后, 在出风口处的流动发生的变化与初始数据相比较, 会有一些改变, 但此流动是稳态流动系统, 作为基础数据的风速仍然可以利用门窗的面积比值得到准确计算, 因此失真度虽然增大了, 但增大幅度仍不算大。
3.4 测量点3的情况
从图4情况看, 实测值与软件模拟值的相对误差达到了28%。原因在于测量点3并不是进或出风口, 很难对此位置进行基础数据的准确定位, 只能完全依据PHOENICS本身的模拟功能进行计算, 而测量点3周围有三面墙体, 空气流动情况较复杂, 因此加剧了失真度的大小。
3.5 测量点4的情况
图5显示失真度进一步增大, 达到了38%。原因在于此处条件类似于测量点3, 但距离进风口要更远, 因此空气流动变化更大, 模拟难度更高了。
4 结语
采用PHOENICS模拟室内污染物扩散确实有一定的效果, 并且在实际环境不太复杂, 兼有较准确基础数据输入的情况下得到的结果会更加准确。但随着实际环境复杂性的增加, 失真度也在加大。为此, 需要在软件设计、流体流场计算理论方面进行深入探讨。
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汉语扩散与汉语传播 篇7
关键词：汉语扩散；汉语传播；走向世界
中图分类号：C04 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）01-0245-02
近年来，随着汉语教学历史研究的不断深入，很多学者对“汉语传播”、“汉语对外传播”、“对外汉语传播”等名称提出了质疑。原因主要有两点：
第一，很难准确界定“外”到底应该指哪些地区。
在关于“汉语传播”历史的研究中，较多提到的就是汉语汉字在亚洲（主要是现在日本、朝鲜半岛、越南地区）的“传播”，以及明清之后由传教士完成的汉语汉字在欧洲的“传播”。实际上，在中国古代，汉语汉字的学习和使用范围不仅仅是扩大到亚洲以及欧洲的许多国家，更主要的是在中国周边地区。西方世界与东方世界的界限相当分明，用“对外”无疑是合适的。而在古代亚洲，虽有版图与国界，但国家范围并不似现在这样清晰，中国和周边地区的界限一直处在变化之中，很难完全确定对于中国而言哪些地方是“外”、哪些地方是“内”，有些地区也很难说其是“国”。而且随着时代的变迁，曾经的“国”可能已是中国领土的一部分，而曾经是中国领土的地方现在是“国”。以明代为例。永乐年间，成祖朱棣因安南内乱、明使被杀而以扶持陈姓王裔为名发兵征讨，攻占安南后没有找到可以继承王位的陈姓王裔，便将安南纳入到了明朝版图之内，“又増设贵州、交趾二布政使司”（《明史·志第十六·地理一》），还于永乐六年（1408年）在安南“郡县其地”，设都、布、按三司，分十七府、四十七州、一百五十七县、卫十一、所三、市舶司一。（《今言》卷之一·六十四，P36）后黎利在安南称帝，以宣德三年（1428）为大定之年，安南地区重又划出明朝版图。这样的地区还有哈密等地。它们虽不在明朝版图之内，但实际上却是受到明政府统治的。而有些地方正好相反，虽然设置了行政区却不受管控，如“云南迤西，有夷曰思六，越金沙江界，据地千里，积二十年，拒不受抚。”（郑晓《今言》卷12，《才能》）《明史》外国列传中提到了近90个国家和地区，“外国”按照所处位置分为东南诸国、西南诸国、西北诸国。《明史》西域列传中还有50多个国家和地区，其中有好几个如哈密（今新疆哈密地区）、柳城火州、土鲁番（今新疆吐鲁番地区）以及于阗（今我新疆于阗地区），现在都是我国领土的一部分。又如明代女真族所占据的地区在当时也不是“国”，只能算是少数民族自治区。汉语在这些地区的使用范围的扩大，虽然并没有成为学者们研究的焦点，但是在汉语教学史这一领域里，还是很值得关注的。这种情况下，用“对外”显然就不太合适。
第二，很多地区对汉语的认识和学习并非因“对外传播”而起。
这种疑问主要源自对“傳播”一词的理解。关于“语言传播”，一直没有比较精准的定义，而且在不同人的理解中，这个词的含义也不同。《现代汉语词典》中对“传播”的解释是：“广泛散布。”因其中的“传”具有“递、送、交、运、给、表达”等多种动态意义，而赋予词语动态行为特征。这个词在汉语中使用已久，如“宜传播天下，咸使知闻。”（《北史·突厥传》）“每一篇已，好事者辄为传播吟玩。”（元辛文房《唐才子传·高适》）“一砚一铫，主人俱绘形作册，传播艺林。”（清袁枚《随园诗话》卷十四）现代意义上的“传播”源自英语的communication，原意中包含着“通讯、通知、信息、书信；传达、传授、传播、传染；交通、联络；共同、共享”等意思，在传播学中被定义为带有社会性、共同性的人类信息交流的行为和活动。（百度百科）不难发现，无论是古用义还是现代义，都是主体通过某种渠道使某种事物或信息在某一社会团体的成员中获得共享的活动，很多人将其理解成为一种带有主体意识特征的自觉行为。而不少学者认为，在中国古代，汉语、汉字能在世界的许多角落生根发芽，并非中国人或中国政府有意而为之，常常是自发的，而非自觉的。中国政府有意推介的是中国的思想和文化，而汉语、汉字是搭乘着中国的思想文化以及中国的科技、经济等载体走向世界各地的。更为重要的是，很多外国人在汉语使用范围的扩大方面起了推波助澜的作用，像唐代的日本僧人和工匠，明代的朝鲜人。尤其是在明代，汉语能够为西方世界所认识，更多的是依靠西方传教士的自觉学习和介绍，而非中国人的功劳。虽然其间有不少中国官员帮助过传教士学习汉语、译介西方科技著作，但他们并没有以“对外汉语传播”为主要任务；虽然传教士中的很多人在中国居住了很久甚至终老，但对于他们而言，汉语和汉字经由他们呈现在西方人面前如果说是“对外传播”就显得不太恰当了。因此，“汉语传播”再加上“对外”，这样的名称就很难全面概括古代中国汉语是如何在世界范围内扩大了学习和使用范围的。而“扩散”（一般译作diffusion）和“传播”一样具有“扩大范围”这一语义特征，虽然被认为是一个特殊类型的传播，是一种社会变化，可以被定义为社会系统的结构和功能发生变化的过程，但是它既包含了自发的传播，又包含了自觉的传播。（百度百科）“语言扩散”并非一个新造术语。近二十余年欧美学术界就兴起了“农作／语言扩散假说”（Farming/Language Dispersal Hypothesis）理论，其核心观点是认为当代不同语系的分布在不同程度上是与农业的扩散和农作者的迁徙相关的。比如，中国古代汉语汉字之所以能够得到如此广泛的使用，尤其是向周边国家和地区辐射，正是由于古代中国农业以及很多方面的技术都十分发达，是周边民族积极学习的对象，也就有了中国地区与不同地区、不同国家的人民来往流动的现象。而明代，更是在明成祖朱棣迁都北京后，开始了全国范围内的大规模移民活动。这一政策是明代汉语得以向毗邻国家传播的一个重要条件。明代的移民主要有两个流向：一是流向边疆跨境语言地区，这是主要流向；二是直接流向国外，这是支流。明代统治者抱着“用夏变夷”的目的，向北京、辽东、西宁、云南、四川等地大规模移民。农业技术随移民而至边疆地区，汉语也随之在该地区出现，并因教育的发展而得到更广范围的学习和使用，进而对周边国家也产生了影响。明代统治者又从“惠远人”的思想出发，向国外输送了一些有特长之人，如洪武二十九年，因中山王积极朝贡，为了方便琉球使臣往来，“又嘉其修职勤，赐闽中舟工三十六户，以便贡使往来。”（《明史·外国四》）而且明朝曾不止一次向琉球国“赐闽人”。由于这些移民的迁入，汉语言文字开始在琉球得到广泛使用。然而，这些移民活动并不是为了将汉语推介出去，汉语只是随着移民和农业技术的流动而流动。这种自发而非自觉地将汉语带往世界各地的活动，用“扩散”这一名称是比较合适的。而且，“扩散”还可以包括历史上那些自觉的汉语传播活动，以及汉语因传教士活动而向西方延伸的状况。
因此，研究古代中国语言文字的使用和学习范围如何扩大时，宜用“汉语扩散“这一名称。
注：本文得到教育部人文社会科学研究2009一般项目（青年基金项目，09YJC740067）资助，谨致谢忱。
室内氢气泄漏扩散的数值模拟 篇8
氢能作为21世纪的绿色能源,得到世界各国的普遍关注。储氢是氢能开发利用的基础环节,如何高效安全地储存足量的氢气,是氢能大规模商业应用面临的挑战之一。氢气性质活泼,易燃易爆,存储在室内的氢气一旦发生泄漏,如果不能及时排出,会引发爆炸,造成严重后果。氢气扩散速度快,室内的氢气泄漏扩散实验危险性大,并且受到经费场地、安全措施的限制,难以实行。本文采用数值模拟方法研究氢气在室内环境下的泄漏扩散规律,可为涉氢场所的消防安全设置与应急预案的制定提供理论依据。
2 室内泄漏扩散模型的建立
2.1 几何模型的确定
储氢室如图1所示,室内的储氢罐为浙江大学储氢实验室研制的大容量金属储氢装置。罐内氢气以金属氢化物的形式储存,当加热到50℃时,供氢压力为0.6MPa。与传统的高压气瓶、液氢罐等氢气储存方式比较,金属氢化物储氢具有高度安全可靠、体积小、操作简便的突出优点。适用于固定储氢,小规模用氢的场所。
以图1储氢室为参照,建立室内氢气泄漏扩散的几何模型如图2。储氢室为长方体穹穹顶结构,底部为四个储氢罐并列排放,顶上为通风管。储氢室长700cm,顶半径150cm,室高为550cm,室宽为400cm,储氢室体积为150。储氢罐外形为圆柱体结构,直径为60cm,体积为0.6。通风管位于穹顶上,长700cm,有9个分孔,直径均为5cm。
2.2 数值模拟计算方法
数值模拟采用FLUENT软件的物质传输与反应模块,基于Realizable k-ε模型。Realizable k-ε模型是在标准k-ε模型的基础上进行改进,引入了与旋转和曲率有关的内容,可应用于模拟气体的湍流流动。
在Realizable k-ε模型中,关于湍动能k和耗散率ε的输运方程如下:
式中,Gk是平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,σk=1.0,σε=1.2,C2=1.9,各项按下式计算:
3 仿真计算与结果分析
在几何模型的基础上生成网格,进行室内环境下的氢气泄漏扩散仿真。模拟计算的参数设置如下:重力加速度取g=9.81 m/s2;环境压力为标准大气压,即101KPa;环境温度为300K;储氢罐的罐顶出气口为泄漏口,直径为4cm;罐内氢气温度为323K,压力0.6Mpa。取观测视图如图3所示,观测平面下方贯穿四个泄漏口,上方贯穿通风管的九个分孔;以质量分数来分析氢气在混合气体中的浓度。
数值模拟得到室内环境下氢气泄漏后的速度分布,浓度的分布与变化。通过结果分析,总结出室内氢气泄漏扩散的规律。
3.1 速度分布
氢气自出气口泄漏后,在储氢室空间的速度分布如图4。氢气从泄漏口竖直向上喷出,在泄漏口流动速度最大,约4m/s。喷出后与室内空气进行动量交换,速度迅速减小。分析图5中的泄漏口速度矢量可知,越靠近泄漏口中心处的氢气,速度越大;越靠近泄漏口边缘的氢气,受周围空气扰动的影响,流动速度越小。
从速度分布与矢量图可知,由于储氢罐内外压差浓度差大,泄漏口几何尺寸远小于储氢室空间尺寸,氢气通过泄漏口流动到室内空气中,与空气相互混合,呈现出湍流射流的流动状态。
3.2 密闭条件下的浓度分布与变化
在通风故障的情况下,室内为一密闭空间,氢气从储氢罐泄漏后,不能排出, 将在室内逐渐积累起来。在泄漏的不同时刻,室内氢气浓度的分布与变化如图6-9所示。
由泄漏后不同时刻氢气浓度的分布与变化可知,密闭条件下室内氢气的流动与积累有以下特点:
(1) 上浮扩散。
由于氢气在标准状态下密度为89.88g/Nm3,只有空气的1/14,是最轻的气体。因此当氢气以射流的形式从罐中泄漏出来后,在空间中表现为浮力上升运动。又因为存在浓度差,氢气会从浓度大的地方流向浓度小的地方,表现为空间中的扩散。
(2) 室顶积累。
随着泄漏的继续进行,氢气上浮到室顶后不能排出,逐渐积累起来。泄漏时间越长,室顶氢气浓度越大,积累效应越明显。由图6、7可以看到,除了泄漏口外,氢气的高浓度区域集中在室顶。
(3) 浓度分层。
如图7、8、9所示,氢气在室顶不断积累,同时整个储氢室的氢气浓度也在增大,并出现了浓度分层现象。 在整个的室内氢气空气混合气团中,室顶的氢气浓度最大,越往下浓度越低。
3.3 通风条件下的浓度分布
在通风良好时,由于排风管安装在室顶,氢气上浮到室顶后,将会迅速排出,不可能在顶部积累。排风能力满足安全要求的情况下,氢气的泄漏进入与通风管排出会很快到达一个平衡,室内的氢气浓度分布呈稳定状态。
通风条件下氢气浓度分布如图10所示,氢气的高浓度区域为泄漏口上方被射流波及的空间。氢气上浮到室顶后经排风口排出,没有积累现象。室内空间氢气浓度场的形成受到泄漏射流和室顶排风的共同影响。
由模拟结果可知,相对于密闭空间,通风条件下氢气浓度明显降低;由于泄漏还在进行,氢气的扩散使室内大部分区域的氢气浓度超过了安全限值。因此,泄漏发生后首先要中断储氢罐的供气,切断泄漏源,辅之以通风将残留的氢气排除。
4 结论
依据FLUENT软件中的Realizable k-ε湍流计算方程,建立了基于大容量金属储氢装置的室内氢气泄漏扩散模型,通过对室内氢气的泄漏扩散进行数值模拟,得到以下结论:
(1) 储氢罐内外压力差浓度差作用下,氢气泄漏时呈现射流湍流的流动状态。
(2) 氢气在密闭的室内空间泄漏后,上浮扩散,积累于室顶,其浓度成层分布,越往高处浓度越大。
(3) 通风条件下室内氢气浓度的分布受到泄漏和排风的共同影响,大部分区域的氢气浓度仍然高于安全限值。
以上结论可为室内氢气安全设施的安装与应急预案的制定提供参考。
摘要：氢能是有发展前景的新型能源之一,氢气的安全储存是氢能应用必须解决的问题。本文建立了基于大容量金属储氢装置的室内氢气泄漏扩散模型,利用计算流体力学软件FLUENT,对室内储氢罐的泄漏扩散过程进行数值模拟,得到了氢气泄漏扩散的速度分布、浓度分布。分析数值模拟结果,得出在该模拟条件下,氢气泄漏时的流动状态为射流湍流;泄漏后上浮扩散,空间密闭时积累于室顶;通风条件下大部分区域的氢气浓度仍然高于安全限值。通过数值模拟,总结出氢气在室内环境下的泄漏扩散规律,可为氢气泄漏事故的处理消防安全设置提供依据。
关键词：室内环境,大容量金属储氢装置,氢气泄漏扩散,数值模拟
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会展经济的空间集聚与扩散 篇9
会展经济空间聚集与扩散的理论基础
1.会展经济空间聚集的理论基础
城市聚集效应, 是指城市由于经济活动空间集中而出现的聚集经济现象。其本质上是向心力和离心力两种力量博弈的结果:一方面, 环城市中心带的经济体集中而产生向心力, 吸引其他经济体的进一步聚集, 来推动城市区域的发展和扩大;另一方面, 当城市中心经济过于集中而出现的不经济现象会产生离心力, 排斥外来的经济体, 进而限制城市区域的发展和扩大。会展经济本质上也遵循城市发展的集聚效应, 具体表现在以下两个方面:
(1) 会展经济在地域运动过程中会出现以现有展馆为核心的产业聚集。展馆是会展经济发展的基础依托, 新建展馆需要大量的硬件建设成本 (国内外的展馆建设通常都是以政府为主导) , 因此, 受资金条件的限制, 会展业的发展主要是依托现有展馆。在政府的统一规划下, 现有展馆周边拥有良好的产业配套和便捷的交通等优势资源, 而优势资源的集中形成向心力, 促进了会展经济的空间聚集。在优势资源的带动下, 不断促进劳动流、物资流、信息流、资金流等经济要素的集中, 从而产生集聚效应和集聚经济效益。核心资源的带动和优势资源的集中, 在推动会展经济发展的同时, 会进一步提升区域经济实力, 形成新的经济增长极。良好的协作和交通信息网络, 是实现集聚效应的有效条件, 会展经济也需要依托拥有这些便利条件的优势地区。
(2) 会展企业与相关行业企业的区域集中产生规模经济效益。会展经济的发展, 促使会展企业与相关行业企业的区域集中, 各企业相互分工协作拥有多方面的优势:一是可有效利用业已成型的整个市场的声誉;二是通过会展市场的影响力扩展产品市场;三是各企业形成行业专业化分工, 有利于提升服务的专业化水平, 并相应地降低成本;四是围绕会展业务形成区域内相关专业化配套服务, 包括展览相关的器材、运输等硬件服务, 信息系统、维修等软件服务, 以及食、住、游等其他配套服务;五是与会展相关的行业协会等组织能够成为影响所在地政府法规政策的有效力量;六是在集聚效应的影响下, 空间方面的集中, 能够促使会展产业内部地不断细化, 与此会展产业有关的服务设施也逐渐发展, 这样进一步降低了会展企业的成本, 同时提高了工作效率。
2.会展经济空间扩散的理论基础
城市扩散效应, 是指由于城市集聚达到一定规模而产生的经济扩散发展。城市的扩散效应主要是由四方面“势力”的相互渗透而形成:一是城市工业内部的相互渗透;二是城市各产业间的相互渗透;三是城乡经济之间的相互渗透;四是城市各区域之间的相互渗透。
一般来说, 会展经济的大致发展规律是, 在某一城市获得发展空间, 当会展企业渐具规模之后, 倾向于在这一城市周边环境较好、发展潜力巨大的地区进一步扩张, 实现自身利润最大化, 形成大型会展中心背离市中心发展的倾向。然而, 一个城市的经济并不能无限制的扩张, 任意无序的集聚并不能为城市带来期望的聚集经济效应。相反, 不合理的聚集往往会给城市带来外部不经济现象。假设一个城市完全以市政府为中心进行经济布局, 所有的经济过分拥挤在环政府经济带, 这样必然造成市政府周边人口拥堵、交通瘫痪、土地资源紧张等情况, 而其他地区的经济得不到有效发展, 造成资源浪费。虽然大型化展会是会展经济发展的主要趋势, 但并不意味着展馆、展厅必须集中分布。因此, 可灵活调整经济布局, 以原有市区为中心, 开发卫星城等新区, 从而解决布局过于集中导致的区域经济发展不均的问题。因为在集中的地域空间合理地实行分散布局, 可以达到减少投资支出、扩大市场容量等经济效益。会展经济之所以出现背离市中心发展的倾向就源于这种扩散经济效益。
展馆的规模往往与观展商家、参观人数负向相关, 出于对交通便利性以及相关的配套服务设施 (如停车场、等候厅、餐馆、酒店等) 的考虑, 展馆规模往往要求平行面积较大, 而非楼层的数量。也就是说, 当会展经济发展到相当的规模, 必须增加相应的展位面积, 而不是一味地增加原有展厅的楼层。如果仅在原有展厅所处区域扩建, 会因为所需土地面积过大, 成本过高而造成外部不经济等问题。另外, 原有展厅是根据之前的发展规划所建, 相应的服务设施并不一定满足扩建的需要, 还可能出现交通拥堵、水电线路改造等问题。这些问题都可能成为限制会展规模进一步发展壮大的离心力。在固定空间中, 如果向心力弱于离心力时, 会展经济的发展方向会遵循向外扩散的轨道发展, 并导致扩散效应出现。如果在城市的郊区选址, 则能为会展经济提供相对足够的发展空间, 也就是说, 由城市向城市郊区发展的墨渍式扩散方式, 是会展经济扩散发展的最好运动形式。
显然, 只有城市的郊区以及城市和乡村结合的区域, 才能满足会展经济向外扩散发展所需的用地要求。同时, 由于会展经济所需要的相关服务设施, 会展展厅必须临近交通便利的地区 (如, 高速公路、飞机场附近) 。就像国际著名会展城市米兰的会展经济进一步扩张时, 选择将原有展馆用于展示与市区人民生活息息相关的主体, 而在城郊的机场附近另外修建新的展馆, 用于举行更加国际化的展会。另外, 在新的会展展馆选址时, 对于环境和地理位置也有较高的要求, 这也决定了会展经济向城郊发展时具有非均衡规律运动。
会展经济向城市郊区以及城市乡村结合地带扩散发展带来的有利影响非常明显, 甚至可能成为带动当地经济发展的主要动力。初建会展展馆时, 会带动相关服务业的迅速发展, 当相应的配套设施齐全时, 往往又能吸引其他企业在此投资建厂。会展经济的集聚效应进一步出现, 能大大拓展城市的经济发展, 加速郊区和城乡结合部的城市化进程。
总的说来, 大城市的展会经济遵循“大中小、远中近、点线面”的布局模式。初期, 在市中心建立小型的展厅, 一般用于举行珠宝、服饰、美食等与市民日常生活息息相关的展会;中期, 在郊区建立中型展厅, 举办规模较大的展会;后期, 可以选择在城郊结合地带建立大型展厅, 举办大型展会。当该城市的展会经济形成规模后, 可以进一步招商引资, 在整个城市形成网络载体, 加速该城市展会经济发展成为全球性会展中心。
会展经济空间集聚与扩散的现实体现———以北京、上海为例
1.北京、上海两地会展经济的空间集聚
会展经济一般以展厅为中心, 呈同心圆模式发展。而展厅所在区域往往也是整个城市的主要商业中心。
(1) 北京的展会经济主要集中在朝阳区和海淀区, 重要展馆有:中国国际展览中心、中国国际贸易中心、中国国际科技会展中心、中国军事博物馆、中华世纪坛等12个, 展厅总面积超过19万平方米。这些展厅所处的区域均在北京三环之内, 交通便利、配套设施相对齐全, 区位优势明显。以海淀区为例, 该地区资源丰富, 基础设施完善, 是跨国企业、国外经济体来华发展的首选地区。朝阳区也是如此, 有超过160家的世界500强的在华办事机构。另外, 北京西城区是北京市的中心, 国家机关、大型国企在此云集, 因此该地区也是众多来华机构设置办事处的选择之一。正是由于区域优势明显, 北京市的会展经济大多定位在高端、大型的国际化展会。
(2) 上海市的展会经济也大多围绕市中心发展, 会展场馆大多分布在环市中心的浦东高新区、虹桥区、徐汇区以及静安区。著名会展场馆有, 2001年建成的上海新国际博览中心、1999年建成的上海国际会议中心和上海光大会展中心等等。这些会展中心的总面积超过16万平方米, 加之上世纪90年代之前建成的会展中心, 整个上海市的会展经济面积达26万平方米。2010年上海举办世界博览会, 将浦东地区沿江两岸划归为世博园园区, 由此促使整个浦东地区乃至整个上海市的产业结构得以调整, 改造老城区、增加交通设施、商业中心等进一步带动了上海经济的繁荣发展。而长达半年的世博会展期, 参观总人数超过7308万人, 吸引了200个国家和国际组织参展, 由此催生了众多的商业、旅游、管理等专业服务公司, 为海内外企业来上海经商、交流提供了广阔的市场空间。
2.北京、上海两地会展经济的空间扩散
(1) 北京市整体城市规划建设内容中, 将进行一批会议展览设施的扩建, 规划增加40万平方米的展览场地, 其中, 建设于顺义空港城的新中国国际展览中心, 是这一批展馆中规模最大的项目, 规划展览面积22.4万平方米。项目选址于北京市高科技工业园, 交通便利, 距离首都国际机场仅1.5公里, 与市区、顺义城区、朝阳区、五环路等周边区都比较近。整体项目规划还有完整的配套设施建设规划, 包括国际会议中心、仓储中心、综合购物中心、餐饮中心、商务酒店、休闲中心等一系列配套设施。旨在打造一个以会展业为主体, 集展览、食、住、行、休闲、旅游等于一体的国际会展城, 能有效地实现会展经济的周边扩散, 满足北京会展未来30年发展的需要。新中国国际展览中心最初拟建于南城通州区马驹桥镇, 以响应市政府对南城开发的整体规划, 但由于交通不便, 周边配套措施不完善, 无法支撑大型国际展览中心而放弃。其后, 奥林匹克公园也曾作为拟选址地, 但奥林匹克公园建设会展中心存在许多缺陷:一是场地面积较小。奥林匹克公园占地21万平方米, 打造40万平方米展馆需要设计许多多层展馆, 势必影响展馆效果。二是地形较狭长。奥林匹克公园属于狭长地形, 长1400米, 宽400米, 狭长地形不利于展馆的安排, 不利于对观众集中展览。三是奥林匹克公园存在交通制约, 达不到展览馆对于交通的畅通性要求。另外, 馆址的发展也没有可扩展考虑。
(2) 上海新国际博览中心也是一个很好的例子。上海国际博览中心从1999年开始筹建, 分三期建设, 计划用地100万平方米, 建成之后室内外展览总面积约25万平方米。建设上海国际博览中心有几方面的优势:一是资金充足。上海国际博览中心由中外合资建造, 资金来源充足。二是选址便利。博览中心位于浦东边缘地带, 拥有便捷的交通条件, 靠近机场, 附近有磁悬浮列车, 多条地铁线路。三是配套完善。博览中心有17个展厅, 展厅配备有大型停车场、商务中心、银行、运输公司、快递公司、旅行社、餐饮店、便利店等多种配套设施, 展厅周边有大面积绿化带以及高标准的宾馆及娱乐场所。依托资金、交通以及配套等资源优势, 可有效推动上海会展经济的空间扩散, 将上海新国际博览中心建设成全世界最具吸引力的国际展览及活动场馆之一。
基于HVS模型的误差扩散方法 篇10
1 算法基本原理
1.1 传统的误差扩散半色调算法
误差扩散算法的基本思想[2]是将灰度图像的当前像素值与一个阈值进行比较,得到一个二值输出,然后将像素点输入与输出的像素误差以一定的方式扩散到未经处理的相邻像素上。
误差扩散算法的基本原理如图1所示,图中设g(m,n)表示输入连续调图像,g*(m,n)表示经过上一步扩散后的当前输入,b(m,n)表示输出二值图像,e(m,n)表示(m,n)处的量化误差,则误差扩散法可表示如下:
式中:h(k,l)是误差扩散系数,Q[]∙是阈值量化器。
1.2 HVS模型
半色调技术能够用二值图像模拟连续调图像,利用的是人眼视觉系统(human visual system,HVS)低通滤波特性。HVS的频域特征可以描述为:将图像从空间域变换到频域,人眼的分辨能力随频率增高而降低。人眼对高频细节敏感性较低,即人眼相当于一个低通滤波器。正是基于这一特性,才使得通过二值图像来再现灰度图像成为可能。
HVS模型有不同的表示方法,在频域中HVS模型可定义为:
式中:L表示每平方米的亮度均值,其单位为cd/m2,u和v为朝向视网膜的单位角度内的光线周期变化频率,为光线的频率;ϕ的值为角度的变化频率,定义为ϕ=a∙tan(u v);其他常数及s(ϕ)被定义为a=131.6;b=0.3188;c=0.525;d=3.19;s(ϕ)=0.15×cos(4ϕ)+0.85。
现在广泛应用于图像处理领域的HVS模型主要是Nasanen、Mannos、Campbell和Daly提出的四类模型。图2给出了四种常用HVS模型的对比度敏感函数,即HVS模型的对比敏感度函数(CSF)函数。
Nasanen模型和Campbel模型处理过的图像都会有纹理产生,但前者产生的纹理更加光滑,而在中频区域,后者产生的纹理具有一致性。除Nasanen模型为低通滤波器,其他三种均为带通滤波器。对于究竟哪一种模型最好很难有最终定论,但是在产生的主观视觉效果上,Alford和Mitsa经研究后认为低通视觉模型比带通视觉模型更好[3]。因此,通常选用Nasanen模型来进行研究。由于HVS模型具有圆对称性特点,对人眼视觉系统的模拟中,这一点非常重要,因此HVS模型常用Gaussian函数代替。Gaussian函数除了具有圆对称性,还有许多适合进行半色调处理的特征性,比如其滤波器的傅立叶反变换是高斯的,光滑的人眼亮度单峰曲线使其具有理想的低通特性,参数没有振铃且容易控制等,因此实际应用中它常被作为Nasanen模型的代替[4]。
2 基于HVS模型的误差扩散算法
2.1 图像分割
传统的标准误差扩散算法没有考虑边缘点的情况,会造成轮廓失真,又由于图像上各像素的梯度值和图像灰度的变化与直接相关,所以考虑把图像在此依据梯度的阈值进行分割,分为边缘区域和非边缘区域,图像的非边缘区域较边缘区域而言变化较为缓慢。首先,根据图像梯度值计算出分割的阈值。
其中grad(i,j)为图像各点的梯度大小,T为分割的阈值,λ为分割系数且0≺λ≺1。然后,根据所计算出的阈值把图像分割成边缘区域和非边缘区域。
2.2 误差扩散系数的选取
误差扩散中最常用的是Floyd提出的误差扩散系数矩阵[2]
用此系数进行误差扩散处理所得图像具有丰富的色调,但是细节处理较为粗糙。
改进算法采用基于HVS模型构造出的基于HVS模型的误差扩散系数矩阵[5]为
2.3 误差扩散处理
背景区域的像素点使用标准的误差扩散算法处理,即权值分配使用Floyd误差扩散系数。边缘区域的像素点采用基于HVS模型的误差扩散系数进行误差扩散算法进行处理。
算法步骤如下:
1)对原始图像g(m,n)进行图像的梯度分割,把图像分为边缘区域和非边缘区域;
2)将原始连续调图像g(m,n)通过HVS模型,选择Gaussian低通滤波器作为HVS模型,得到连续调图像g͂(m,n),将其暂时保存;
3)将原始图像g(m,n)进行误差扩散处理,使用动态的误差扩散系数进行误差扩散,在处理每个像素点之前,首先判断当前像素是边缘区域像素还是非边缘区域区域点,如果是非边缘区域点则进行传统误差扩散法处理;如果是边缘区域点,则对它使用基于动态误差扩散系数的误差扩散算法处理,获得半色调图像b(m,n);
4)将半色调图像b(m,n)通过Gaussian低通滤波器,得到b͂(m,n);
5)考察g͂(m,n)和b͂(m,n)之间的误差,计算两者之间的差值,利用代价函数对得到的半色调图像进行像素矫正,设代价函数为:
设g1(m,n)表示g(m,n)在(m,n)处周围9个相邻区域内的像素平均值,依据熵掩盖特征对其邻域进行考察。设:
式(10)表示,当前被处理的像素值是“0”且g1>Tlow,或者当前被处理的像素值是“1”且g1
当且仅当以上两个条件都满足时,将初始图像在(m,n)处得像素取反,否则直接输出初始图像。
3 实验结果
在Windows XP环境下,以Matlab2007作为开发工具,分别用标准误差扩散法和基于HVS模型的误差扩散法对256×256的Lena图像进行实验。从图4的实验结果可得出:基于HVS模型的误差扩散法保持了标准误差扩散法对无细节变化的非边缘区域的处理效果。对于细节变化较明显的边缘区域,改进算法的处理效果要比标准误差扩散算法好,不仅对中色调区域的结构性纹理有所改善,伪轮廓现象也有所减少,更加符合人眼视觉效果。
4 结束语
针对标准误差扩散算法对边缘区域点的处理不够重视,处理中色调区域时产生结构性纹理的不足,提出了基于HVS模型误差扩散方法,在对标准误差扩散算法优点进行保留的基础上进行改进,最大限度地保持了图像的完整,最大限度地改善了存在的纹理问题,使得图像在视觉上显示效果更佳。
摘要：针对传统误差扩散算法处理过程中图像边缘信息不完整,中色调区域有纹理结构存在的问题,提出一种基于人类视觉系统(HVS)模型的误差扩散半色调方法。该方法先对原图像进行了图像分割,在非边缘区域采用传统误差扩散算法处理,边缘区域采用基于HVS模型的误差扩散系数进行误差扩散处理,最后再在HVS模型的基础上对像素进行矫正。实验结果表明该算法能够有效减少图像细节损失,保留原图像信息。
关键词：数字半色调,误差扩散算法,人类视觉模型,图像分割,误差扩散系数
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