ステファン・フロー

ステファン流は、ステファンの流れとも呼ばれ、界面で化学種が生成または除去されることによって流れる流体（通常は気相）による化学種の移動に関する輸送現象です。対象となる化学種を流体に加えたり流体から除去したりするプロセスはいずれもステファン流を引き起こす可能性がありますが、最も一般的なプロセスには、蒸発、凝縮、化学反応、昇華、アブレーション、吸着、吸収、および脱着が含まれます。この名前は、蒸発速度の計算に関する初期の研究を行った スロベニアの物理学者、数学者、詩人のヨゼフ・ステファンにちなんで付けられました。

ステファン流はフィックの法則で説明される拡散とは異なりますが、拡散はステファン流を経験している多種システムでもほぼ常に発生します。^[1] 前述の種の追加または除去プロセスのいずれかが発生するシステムでは、界面で発生するプロセスによる追加の流体の生成または除去によって界面に隣接する流体が置き換えられるため、追加または除去によって流れる流体に平均流が生成されます。この平均流による種の輸送がステファン流です。種の濃度勾配も存在する場合、拡散は平均流に対して種を輸送します。種の総輸送率は、ステファン流と拡散の寄与の合計によって与えられます。

ステファン フローの一例は、液滴が空気中で蒸発するときに発生します。この場合、液滴を取り囲む蒸気/空気の混合物が流動流体であり、液滴の液体/蒸気境界が界面です。液滴が環境から熱を吸収すると、一部の液体は液滴の表面で蒸発して蒸気になり、液滴から蒸発する追加の蒸気に置き換えられて液滴から流れ出ます。このプロセスにより、流動媒体は、蒸発速度や液滴のサイズや組成などの他の要因に依存する平均速度で液滴から離れます。この平均流に加えて、流動媒体は液滴から遠い場所では大部分が空気であり、液滴に近い場所では大部分が蒸気であるため、液滴の近くに濃度勾配が存在する必要があります (孤立した液滴を想定)。この勾配により、平均流に対して、蒸気を液滴から遠ざけ、空気を液滴に近づけるフィック拡散が発生します。したがって、液滴のフレームでは、拡散が平均流と同じ方向に作用するため、液滴から蒸気が離れる流れは純粋なステファン流よりも速くなります。ただし、拡散がステファン流に逆らって液滴に向かって空気を戻すように作用するため、液滴から空気が離れる流れは純粋なステファン流よりも遅くなります。蒸発する液滴からのこのような流れは、内燃機関におけるディーゼルなどの液体燃料の燃焼を理解する上で、またそのようなエンジンの設計において重要です。蒸発する液滴と昇華する氷粒子からのステファン流は、雲や降水の形成と拡散に影響を与えるため、 気象学でも重要な役割を果たします。

• CT Bowman、「燃焼に関するコースノート」、2004 年、スタンフォード大学 ME 371: 燃焼の基礎のコース参考資料。
• CT Bowman、「燃焼に関するコースノート」、2005 年、スタンフォード大学 ME 372: 燃焼アプリケーション コース参考資料。