CO2吸收过程中气相分压对Rayleigh对流传质特性的影响

张瑞凯，张会书，郑龙云，曾爱武

（天津大学化工学院，化学工程联合国家重点实验室，天津 300350）

CO2捕集是减少碳排放、实现“碳达峰与碳中和”国家战略目标的重要方式。溶剂吸收法由于具有简单、廉价、处理量大等优点而被广泛应用于CO2捕集过程，研究CO2吸收过程的气液传质机制对于传质设备的设计与优化具有重要意义[1]。

CO2吸收过程中，由于传质导致的非均匀浓度边界层在外界扰动的作用下会失稳而产生Rayleigh对流。对流发生后，界面流体微元的更新速率加快，气液传质速率显著提升。为了揭示该过程的传质机制，研究人员开展了广泛的研究。在研究前期，主要是借助纹影等光学技术进行观察[2-4]，Okhotsimskii等[5]使用纹影观察了多种体系发生的自然对流，发现密度驱动的羽流在Rayleigh不稳定体系中占据主导地位；于艺红[6]对Rayleigh 对流发生后的纹影图像进行分析，发现对流结构受温度、介质等多种因素影响。随着研究技术手段的发展，研究人员开始对该过程进行定量分析[7-9]，于海路[10]和赵嵩[11]在纹影技术的基础上借助定量分析方法[12]获取了Rayleigh 对流传质过程的浓度场；陈炜[13]借助PIV技术研究了双组分扩散过程的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流；胡楠[14]借助LIF技术研究了气相中添加第三组分对Rayleigh对流传质过程的影响；傅强[15]在联用PIV 和LIF 技术的基础上同步测量了Rayleigh 对流传质过程的速度分布与浓度分布，并给出了传质系数与涡量的关联式。计算流体力学的发展进一步促进了Rayleigh对流的研究，Fu等[16-19]、Guo 等[20-21]和Ge 等[22-23]分别借助格子玻尔兹曼方法（LBM）方法模拟了Rayleigh 对流现象；Zhang 等[24]借助Fluent 对该过程进行3D 模拟并提出了传质系数预测模型。此外，Tan 等[25]、Hassanzadeh 等[26]和Barbosa 等[27]还对对流发生的临界时间进行了预测。然而上述研究大多是基于单一气相CO2压力条件下的实验研究或恒定CO2界面浓度下的数值模拟，对于不同气相CO2压力条件下的Rayleigh 对流传质过程少有研究，并且关于涡量场在Rayleigh对流传质过程中的具体作用机制也少有报道。

本文以H2O-CO2体系为研究对象，使用PIV/LIF技术测量了不同气相CO2分压条件下水吸收CO2引发的Rayleigh对流传质过程的浓度场和速度场，分析了不同气相传质条件下的羽流结构、界面浓度、液相主体浓度以及涡量和瞬时传质系数随时间的变化规律，为进一步认识和揭示Rayleigh对流传质强化机制提供了帮助。

1 实验

1.1 实验试剂

高纯水，天津永清源纯水制造中心，电导率≤1μS/cm；CO2和N2，天津市六方气体公司，纯度≥99.99%；荧光素钠，天津希恩思生化科技有限公司，纯度≥90%；氢氧化钠，福晨（天津）化学试剂有限公司，纯度≥96%；邻苯二甲酸氢钾，天津市科密欧化学试剂有限公司，纯度≥99.8%；示踪粒子为直径8～12μm的空心玻璃珠，密度900kg/m3。

1.2 实验装置

测量水吸收CO2引发Rayleigh 对流传质过程的实验装置如图1 所示，该实验装置主要由PIV/LIF图像采集系统和气液传质系统构成。

图1 实验装置

PIV/LIF 图像采集系统采用北京镭宝光电有限公司的Nd:YAG激光器作为光源。该激光器可以输出波长为532nm的线状激光，线状激光经过光学透镜组后整形为楔形片状光，气液传质装置放置在厚度约为1mm 的楔形片状光腰束位置。实验图像由两台型号相同的CCD 相机同时进行记录，实验过程中两台相机的设置参数为：单帧单曝光，曝光时间10μs，图像大小为1376×1040像素，像素尺寸为0.0925mm/像素。实验过程中PIV 相机镜头垂直于拍摄区域，LIF 相机机身略倾斜于PIV 相机，二者的夹角大小约为9°，两个相机采集的图像经过校正处理后可以映射到同一坐标系下。数据采集过程中，PIV相机和LIF相机镜头前分别加盖532nm和550nm的滤光片以排除背景光的干扰和滤掉激光信号。

实验所用的气液传质装置如图2 所示，其中图2(a)为气液传质装置的整体结构，图2(b)为气液传质装置的内部结构。气液传质装置主要由两片130mm×80mm 光学玻璃构成，经过拼接后形成体积为130mm×80mm×3mm的片状液体槽。实验过程中将液体注入到90mm高度以形成90mm×80mm×3mm的液相分布。装置上方置有进气通道，通道下方布有矩形棉花和海绵以降低气体流速和均匀气体分布，气体进入传质区域后，在气液界面进行传质，多余的气体从气液传质装置上方两侧排入到空气中，气液界面上方气体始终处于常压状态。

图2 气液传质装置示意图

1.3 实验操作

实验前，用煮沸的高纯水配制40mg/L 的荧光素钠溶液，并用注射泵以100mL/h的流量将溶液注入到气液传质装置，待液层高度达到90mm后停止注入。注射结束后静置30min，以形成平整的液面以及减小液相主体的流动，防止液相流动产生的扰动使对流提前发生，同时减小对传质过程中流场产生的影响。实验发现，气流量不超过400mL/min时，液体界面不会产生波动，因此选择实验气体流量为350mL/min。液体静置过程中也用350mL/min的N2进行保护，防止空气中的CO2扩散至界面产生传质。

实验在25℃、常压、避光条件下进行，为了在气液界面上方形成6 种不同的CO2分压，实验过程中采用将不同流量的CO2和N2混合的方法，对应的流量（mL/min）比分别为：350∶0、250∶100、200∶150、150∶200、100∶250、50∶300。与之对应的气相CO2分压分别为101kPa、72.1kPa、57.7kPa、43.3kPa、28.8kPa、14.4kPa，对应的Ra数详见表1。实验时将气体流量调节至所需流量，待流量稳定后将气体通入气液传质装置，气体经过通道自由扩散至气液界面进行传质。同时启动CCD 相机进行记录，记录帧率为2Hz，时间为500s。

表1 不同气相CO2分压传质条件对应的Ra数

2 定量测量原理

2.1 PIV/LIF测量原理

粒子图像测速技术（PIV）是一种流体运动检测技术[28]，在流体中加入的示踪粒子经过激光照射后会在表面形成反射光，CCD 相机可以记录每一时刻反光粒子在流场中的位置信息。图像处理过程中，按照一定的像素数量将图像划分为大小相等的若干个“判询域”，基于不同时刻两张图像对应“判询域”内粒子的位移以及对应的时间间隔可以确定相应的速度矢量，每个“判询域”均生成一个速度矢量，整个图像所有“判询域”内的速度矢量就构成了一个能够反映实际流体流动的速度场。

激光诱导荧光技术（LIF）是一种流动显示与测量技术[29-30]。流体中的荧光物质被特定频率的激光照射后会产生电子跃迁现象，处于激发态的电子在回到基态的过程中会释放特定频率的光子，从而产生荧光现象。一定条件下，荧光强度与荧光剂的浓度关系可以表示为If=I0γαβδCf。其中，If为可以检测到的荧光强度，I0为激光强度，γ为荧光量子检出率，α为荧光量子产率，β为荧光剂的摩尔吸收系数，δ为沿激光方向的液层厚度，Cf为荧光剂的浓度。

实验过程中，荧光素钠溶于水后会产生6种不同荧光强度的构型[31]。CO2溶于水后产生的氢离子会促进荧光素钠由荧光强度高的构型向荧光强度低的构型进行转化，导致体系的荧光量子产率下降，荧光强度降低。因此，在一定范围内荧光强度与二氧化碳的浓度是一一对应的。

2.2 荧光强度曲线的标定

为获取传质发生后的浓度分布信息，需要对荧光强度与CO2溶解量之间的关系进行标定。实验前，配制不同CO2含量的荧光素钠溶液，测定其荧光强度并用浓度已知的NaOH溶液进行滴定。由于荧光素钠溶液具有颜色，所以实验选用pH 计来确定滴定终点并选定pH=8.3 为滴定终点。实验所用的pH 计为梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司生产的FE28型pH计，电极型号LE438，测量精度±0.01。最终获取的标定曲线如图3 所示，荧光强度I与CO2浓度C之间的关系为I=433.1C-0.4497，相关系数R2=0.9896。

图3 荧光强度与CO2浓度关系曲线

3 结果与讨论

H2O-CO2体系在298.15K、101.325kPa 下的物性参数详见表2，其中Δρsat和Δσsat分别代表CO2饱和后与饱和前液体的密度与表面张力各自对应的变化差值，D和μ分别代表CO2在水中的扩散系数以及流体的黏度。

表2 H2O-CO2体系在298.15K、101.325kPa下的物性参数

由表2 可知，H2O 吸收CO2过程中，界面与液相主体的密度差值大于0，表面张力差值小于0，说明该过程会引发Rayleigh 对流现象而不会产生Marangoni效应。基于PIV/LIF技术测量的不同气相CO2分压条件下的Rayleigh对流传质过程如下。

3.1 浓度场和速度场分布

3.1.1 单一CO2分压下的浓度场和速度场分布

图4为气相CO2分压p=101kPa条件下不同时刻水吸收CO2过程的浓度分布和速度分布，图中的颜色代表CO2的浓度分布，箭头矢量代表速度的大小和方向，上边界为气液传质过程的相界面，纵坐标代表液层深度。

如图4(a)、(b)，从浓度分布可以看出，对流发生前（t≤90s），CO2以分子扩散的方式进入系统，在气液边界形成比较稳定的浓度边界层。t=90s 时刻对流发生后，由于传质的进行以及重力的作用，边界层的厚度继续增加。如图4(c)，t=120s 时刻，x=20～40mm 位置处的边界层厚度约为1.85mm。由于非均匀浓度边界层表面的张力梯度会促进界面流体微元的运动与积累，在x=49mm、56mm 位置处产生了体积较小的对流胞。体积较小的对流胞在重力的作用下克服黏性阻力进入液体内部发展形成羽流，如图4(d)、(e)所示，羽流中心呈现出较高的浓度分布，边缘处的浓度较低。这些羽流会随着时间进一步发展而渗透到更深的液相主体，并且其空间尺度也在不断增加，最终会产生如图4(f)所示的合并现象。

如图4(a)、(b)，从速度分布可以看出，对流发生前，气体以分子扩散的方式进入液体内部，体系内部几乎没有由于传质产生的宏观速度。对流发生后，在羽流部位产生向下的速度，且羽流中心处的速度相对较大。如图4(d)，x=40mm 处的局部速度可以达到238μm/s。在羽流向下发展的同时，由于系统内部动量守恒，羽流两侧的新鲜液体会向上流动，运动至界面处无法再向上运动而转向两侧，产生界面横向运动[36-37]，在促进着界面更新的同时推动着浓度流体微元向羽流中心位置处转移，进一步促进羽流的形成和发展，羽流的形成和发展又会进一步促进新鲜液体向上转移，系统内部不断地进行着这种“反馈机制”，从而使羽流不断发展，羽流尺度从t=120s 时刻的5mm 发展到t=400s 时刻的40mm。

3.1.2 不同CO2分压下的浓度场和速度场分布

图5为不同气相CO2分压条件下水吸收CO2过程中t=300s 时刻的浓度分布和速度分布。由图可知，随着气相CO2分压减小，羽流的最大渗透距离从气相CO2分压p=101kPa条件下的30mm减小到p=14.4kPa条件下的8mm，流场的速度分布也呈现出减小的趋势，界面附近、界面以下10mm区域（x=0～77.9mm，z=-10～0mm）的平均速度从40μm/s减小到35.9μm/s。形成这种差异的原因主要是气相CO2分压不同，如上所述，羽流演化过程中系统内部不断进行着“反馈机制”，对于气相CO2分压相对较大的系统，羽流演化过程中不断有浓度较高的流体微元来维持这种机制，因此对流发生后系统的渗透与传质能力均相对较强。对于气相CO2分压相对较小的系统，则是浓度较低的流体微元来维持这种机制，对流发生后系统的渗透与传质能力均相对较弱。初始条件的不同会导致体系在后续的演化过程中产生较大的差异，这是混沌系统的重要特征。

3.2 界面浓度分布

Rayleigh 对流是一种由界面浓度梯度引发的界面效应，分析整个传质过程中的界面浓度分布有助于充分认识Rayleigh对流传质过程的产生和演化机制。实验选取了气液界面附近4个像素的浓度进行纵向平均，近似作为该过程的界面浓度进行分析。

图6(a)为气相CO2分压p=101kPa 条件下H2O 吸收CO2过程的界面浓度分布。从图中可以发现，对流发生前（如t=40s、80s），除x=40～60mm 区域浓度变化较大，其他区域的界面浓度变化相对恒定并且浓度分布相对均匀。在t=80s，整个界面范围内的浓度分布呈现出波动的趋势，为下一步对流的发生提供了前提。对流发生后，由于羽流两侧的高浓度流体微元不断向羽流的产生位置聚集，羽流产生位置处界面浓度继续增加并出现峰值，如t=420s时刻，位于x=12.13mm 位置处的界面浓度可以达到2.68mmol/L。同时可以发现，对流发生后，界面流体微元的移动会导致界面浓度峰值的位置随着时间变化而略有偏移。然而由于构成羽流两侧界面的流体微元始终处于更新状态，对流发生后这些位置（如x=8mm、65mm附近区域）表现为浓度的降低并且其浓度要低于对流发生前临界时刻附近的浓度。

将整个界面的浓度进行平均，可以得到传质过程中的界面平均浓度随时间的变化规律。图6(b)为不同气相CO2分压条件下的界面平均浓度随时间的变化关系曲线。从图中可以发现，与乙醇吸收CO2引发的Rayleigh对流传质过程中界面平均浓度的变化规律不同[38]，水吸收CO2引发的Rayleigh 对流传质过程中，界面平均浓度总体呈现出先升高后下降再上升的趋势，其中第1个转折点为对流发生的临界时刻。图6(b)表明，不同系统在临界时刻的界面平均浓度均主要分组分布在0.6mmol/L 左右，说明足够的密度差异是引发Rayleigh 对流的必要条件。对流发生后，界面处高浓度的流体微元聚集并进入液相主体，界面平均浓度突然开始降低，与此同时液相主体的新鲜液体也在不断向界面补充更新，界面流体微元处于更新状态，气相CO2无法在相对较短的时间内对界面进行传质使得界面平均浓度瞬间升高，因此界面平均浓度在相对较长的时间内维持在浓度相对较低的状态。随着羽流的发展以及有序自组织结构的形成，系统界面附近流体微元的湍动程度增大，传质阻力降低，界面对于CO2的溶解程度增大，界面平均浓度开始上升。对于气相CO2分压较大的系统，由于具有相对较大的传质推动力以及界面湍动程度，最终会达到相对较高的界面平均浓度。

3.3 液相浓度分布

选取不同水平横截面上的CO2浓度进行各自平均，即可得到传质过程中液相主体不同横截面上的CO2平均浓度随液层深度的变化规律。图7(a)为气相CO2分压p=101kPa条件下不同时刻液相主体不同横截面上的CO2平均浓度分布。可以发现，对流发生前，如t=80s，由于系统在此之前的传质方式是分子扩散，CO2的平均浓度随液层深度近似线性变化并且传质的渗透深度也相对较小，说明此阶段系统的传质能力相对较小。对流发生后，如t=140s，系统内部的CO2平均浓度随液层深度开始出现非均匀变化并且传质的渗透深度从t=80s时刻的2mm增加到8mm，说明对流发生后，系统的传质能力进一步增强。随着时间的发展，不同横截面上的CO2平均浓度开始在液相内部产生极值，如t=200s、300s、360s、420s时在距离界面6.3mm、13.0mm、14.2mm、16.9mm 位置处分别产生极值0.519mmol/L、0.842mmol/L、0.986mmol/L、1.172mmol/L，此时对应的传质的渗透深度分别为16.7mm、29.6mm、36.8mm、42.5mm，平均浓度极值与传质渗透距离均随着时间的发展而不断增大，表明对流发生后系统传质能力的增强。

图7 水吸收CO2过程中液相主体不同横截面上的平均浓度分布

图7(b)为不同气相CO2分压条件下t=300s时刻液相主体不同横截面上的CO2平均浓度分布。由图7(b)可知，同一时刻下，随着系统气相CO2分压的减小，传质的渗透深度不断减小，从p=101kPa 条件下的29.6mm 逐渐减小到p=14.4kPa 条件下的7.7mm，对应的浓度峰值从z=-13.0mm 位置处的0.842mmol/L减小到界面附近z=-2.5mm处的0.411mmol/L，表明随着气相CO2分压的减小，系统的传质能力在不断减弱，这主要是因为在气相CO2分压较小的情况下，对流引发后系统的湍动程度相对较弱，并且由于气相CO2浓度相对较低，传质过程中的推动力也相对较小。

3.4 液相涡量分布

Rayleigh 对流发生后会在羽流中心两侧产生两个自旋方向相反的旋涡，为定量分析旋涡的强度大小，引入涡量计算公式(1)。

式中，Ω为涡量；u、v分别为水平、竖直方向上的速度；x、z分别为水平、竖直方向的距离。

由式(1)计算的气相CO2分压p=101kPa 条件下的液相涡量分布云图如图8所示。由图可知，对流发生前，系统内部的涡量分布近似为0。对流发生后，如图8(c)，t=120s，系统在界面附近产生涡量。对比图4可知，对流发生后系统的涡量主要分布在羽流中心两侧并且二者的渗透深度一致，因为对流发生后的旋涡主要是由羽流中心向下运动的流体与羽流两侧向上运动的流体构成，并且通过羽流的演化机制可以发现系统涡量场的形成是在传质过程中液相主体的浓度场与速度场相互耦合、相互作用的结果。随着时间的发展，系统内部的涡量渗透到距离界面更远的位置，表明旋涡的尺度在不断增大，促进着流体微元在更大的空间尺度范围内进行传质，图8(e)的涡量渗透距离可以达到30mm，x=40mm位置两侧的涡量强度可以达到0.06s-1。

图8 气相CO2分压p=101kPa条件下不同时刻的液相涡量分布

图9 为不同气相CO2分压条件下系统的平均涡量随时间的变化关系曲线。需要说明的是分子扩散阶段，由于流体自身存在剪切，由式(1)计算的涡量数值并不为0。由图9 可知，由于不同系统的气相CO2分压以及对流引发时间存在差异，对流发生后不同系统的涡量变化时刻、变化速率以及最终的涡量大小并不相同。对于气相CO2分压较大的系统，如p=101kPa，由于系统的气相CO2分压相对较大，进入液相流体微元的浓度相对较高，在3.1 节所述的反馈机制作用下会形成较大的涡量场，因此在对流发生后，系统的平均涡量以较快的速率变化，并且最终的平均涡量强度也相对较大，t=400s时刻系统的平均涡量可以达到0.018s-1。对于气相CO2分压较小的系统，如p=14.4kPa，对流发生后系统的平均涡量则以较小的速率变化，并且最终的涡量强度也相对较小，t=400s时刻系统的平均涡量约为0.008s-1。系统的平均涡量强度总体随着气相CO2分压的减小而呈现出减弱的趋势。

图9 不同气相CO2分压条件下的液相平均涡量

3.5 传质特性

对流传质过程中，系统的瞬时传质系数可以表示为式(2)。

式中，kins为瞬时传质系数；Ct和Ct+Δt分别为t时刻以及t+Δt时刻液相的CO2平均浓度；Cint和Cbulk分别为相界面处及液相主体的CO2平均浓度；V、Aint和H分别为液体体积、传质相界面面积和液层高度。

由式(2)计算的不同气相CO2分压条件下的瞬时传质系数如图10所示。对于单一气相CO2分压下的Rayleigh 对流传质系统，以p=101kPa 为例进行分析。对流发生前（t≤90s），水吸收CO2过程的传质系数逐渐由大变小，这是因为最初时刻，液相中的溶质为0，此时的传质阻力较小，由式(2)计算的传质系数相对较高。随着CO2的溶解，在气液边界逐渐形成具有一定厚度的浓度边界层，此时气相中的CO2在向液相主体传质过程中会存在一定的阻力，并且这种阻力会随着边界层浓度的增大而增大，从而导致对流发生前系统的传质系数不断降低。对流发生后，界面附近的高浓度流体微元开始湍动并进入液相主体形成羽流，在羽流中心两侧产生的旋涡促进着界面流体微元的更新与传质，这种动态传质过程的传质速率会远大于对流发生前以分子扩散方式进行的传质速率。此外，由图4(c)、(d)可知，对流发生后羽流两侧的浓度边界层变薄，这在一定程度上也有利于减小气相分子向液体表面流体微元扩散过程的传质阻力，加速系统的传质速率。

图10 不同气相CO2分压条件下的瞬时传质系数

图10进一步表明，对于不同气相CO2分压条件下水吸收CO2引发的Rayleigh 对流传质过程，对流发生前，由于分子扩散导致的传质差异并不明显。但是随着传质的进行，不同系统的瞬时传质系数开始在对应的临界时间（t=90s、100s、120s、140s、180s、220s）发生转折，同一时刻下的瞬时传质系数开始产生差异。①在有序自组织结构形成前的演化阶段，由图6(b)可知，系统的界面平均浓度与气相CO2分压并无明显规律，但是图10表明气相CO2分压较大的系统具有相对较大的瞬时传质系数，结合图9可知这种差异主要是由于系统内部的涡量强度差异导致的，说明在这一阶段，涡量场在系统传质能力的提高过程中起主导作用，界面浓度发挥的作用相对较小。②在有序的自组织结构形成后的相对稳定阶段，由图6(b)与图9 可知，气相CO2分压相对较大的系统由于具有相对较高的界面浓度以及相对较大的涡量场，因而表现出相对较大的传质能力，说明这一阶段系统传质能力的提高是由涡量场与界面浓度共同作用的结果。这两个阶段共同表明，对流发生后涡量场的形成在系统传质能力的提高过程中发挥着重要作用。

3.6 浓度场与速度场的耦合机制

如上所述，系统的涡量场在对流传质强化过程中发挥着重要作用，为进一步揭示涡量场在传质过程中的作用机制，现将不同系统的平均瞬时传质系数与平均涡量进行耦合。由图9和图10可知，对流发生后期（t=280～400s），各个系统经过演化形成了相对有序的自组织结构，系统内部瞬时传质系数呈现出波动性变化，平均涡量的变化也趋于平缓。选取该时间段内不同气相CO2分压条件下对应系统的平均涡量与平均瞬时传质系数进行耦合，耦合结果如图11 所示。图11 表明，水吸收CO2引发的Rayleigh 对流传质强化过程中，在形成相对有序的自组织结构之后，不同系统的平均瞬时传质系数与平均涡量具有很强的线性关系。结合3.4 节涡量场的形成机制可知，水吸收CO2引发的Rayleigh 对流传质过程中，速度场与浓度场的耦合机制是在自组织反馈机制作用下形成涡量场从而促进系统传质能力的提高。

图11 平均涡量与平均瞬时传质系数的耦合关系曲线

4 结论

利用PIV/LIF 技术定量测量了不同气相CO2分压条件下水吸收CO2引发的Rayleigh 对流传质过程的浓度场和速度场，分析了不同气相传质条件下羽流的演化规律以及界面浓度、液相主体浓度、平均涡量和瞬时传质系数随时间的变化规律，结论如下。

（1）对流发生后，随着气相CO2分压减小，由于系统的湍动程度与传质能力减弱，羽流的空间尺度与平均速度均呈现出减小的趋势。

（2）对流发生后，系统的界面平均浓度开始瞬间下降并在有序的自组织结构形成后上升，具有较大气相CO2分压的系统最终会具有相对较大的界面平均浓度；液相主体浓度与涡量强度的增加表明系统的传质能力增强，但是二者在一定范围内会随着气相CO2分压的减小而减小。

（3）对流发生后，系统的瞬时传质系数提高，在向有序的自组织结构演化过程中，系统瞬时传质系数的提高是由涡量场主导的；在有序的自组织结构形成后，系统瞬时传质系数的提高则是由涡量场与界面浓度共同作用的结果。

（4）有序的自组织结构形成后，不同气相CO2分压条件下的平均瞬时传质系数与平均涡量具有很强的线性关系，表明涡量场在系统传质能力提高的过程中发挥着重要作用。

符号说明

Aint—— 相界面处的传质面积，m2

Caveg—— 水平截面上的CO2平均浓度，mmol/L

Cbulk—— 液相主体内的CO2平均浓度，mmol/L

Cf—— 荧光的剂浓度，mmol/L

Cint—— 相界面处的CO2平均浓度，mmol/L

Ct——t时刻液相的CO2平均浓度，mmol/L

Ct+Δt——t+Δt时刻液相CO2的平均浓度，mmol/L

H—— 液层高度，m

I0—— 激光强度

If—— 可以检测到的荧光强度

kins—— 瞬时传质系数，m/s

Ra—— Rayleigh数

u—— 水平方向的速度，m/s

V—— 液体体积，m3

v—— 竖直方向的速度，m/s

x—— 水平方向沿x轴的距离，mm

z—— 竖直方向沿z轴的距离，mm

α—— 荧光量子产率

β—— 荧光剂的摩尔吸收系数

γ—— 荧光检出率

δ—— 沿激光方向的液层厚度

Δρsat—— CO2饱和水溶液的密度与纯水的密度之差，kg/m3

Δσsat—— CO2饱和水溶液的表面张力与纯水的表面张力之差，N/m

μ—— 溶液的黏度，Pa·s

Ω—— 涡量，s-1

下角标

0 —— 初始

aveg —— 平均

bulk —— 液相主体

f —— 荧光剂

ins —— 瞬时

int —— 相界面

t—— 时刻

t+Δt—— 时刻