微納米顆粒動力學演變過程的矩方法研究.pdf

1、微納米顆粒是指粒徑在幾納米到幾十微米范圍內(nèi)的顆粒,微納米顆粒多相系統(tǒng)的研究對象是這些顆粒在流場中的動力學演變特性以及顆粒與流場之間的相互作用。微納米顆粒在流場中除了受到流場輸運作用外,通常還發(fā)生如結晶或化學反應成核、布朗凝并或湍流凝并、湍動剪切破碎、冷凝/蒸發(fā)、沉降、熱泳、電泳等動力學過程,其中又以凝并、破碎、成核和沉降在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中最為常見。對微納米顆粒動力學演變的研究目的是得到顆粒從生成到長大過程中所有的機理性信息。

2、　　 目前,微納米顆粒多相系統(tǒng)的研究主要集中于稀相系統(tǒng),即僅考慮流場對顆粒的作用而不考慮顆粒對流場的反作用。微納米顆粒多相系統(tǒng)中顆粒數(shù)量巨大,即使是稀相系統(tǒng),也不可能通過拉格朗日方法追蹤每個顆粒的信息。而且從工程應用角度,人們更加關注顆粒群整體的統(tǒng)計信息,比如顆粒尺度分布、數(shù)量密度、顆粒粒徑、多分散性等。因此,采用歐拉方法描述微納米顆粒多相系統(tǒng)的數(shù)學模型更為合適。目前應用最廣泛的是起源于Smoluchowski平均場理論的顆粒通用動力

3、學方程(PGDE),但該方程具有強非線性,至今仍未獲得完全解析解。本文通過矩方法(泰勒展開矩方法,TEMOM;傳統(tǒng)矩方法,MOM)將PGDE轉(zhuǎn)化為描述顆粒尺度分布的矩方程。求解這些矩方程可以得到各種動力學過程中顆粒的時間演變信息,將這些矩方程與流場N-S方程耦合求解,可以得到顆粒在流場中的時空演變信息。
　　 以往顆粒凝并主要采用布朗凝并核,當顆粒尺度為微米量級且處于湍流場中時,湍流剪切引起的凝并和破碎占主導地位。本文將零慣性顆

4、粒湍流剪切凝并與破碎核代入PGDE中,首次應用TEMOM推導得到了描述顆粒剪切凝并和破碎共同作用下顆粒尺度演化的矩方程,并將該方程與平面湍射流場N-S方程耦合求解,得到了微米量級顆粒尺度演化的時空信息。
　　 當顆粒為有限慣性時,其湍流凝并核與零慣性顆粒不同,此時需考慮湍流輸運效應及局部聚集效應的影響。前者用碰撞顆粒對徑向相對速度描述,后者用碰撞顆粒對徑向分布函數(shù)表征。本文總結前人DNS研究結果,修正零慣性顆粒湍流凝并核,得到了

5、有限慣性顆粒的湍流剪切凝并核,并將其代入PGDE中,首次運用TEMOM方法推導得到了描述有限慣性顆粒湍流剪切凝并作用下顆粒尺度演化的矩方程。該方程與N-S方程耦合求解,得到了三維矩形槽道中有限慣性顆粒尺度演化的時空信息。
　　 大自然和人類工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的一次顆粒物以及由這些顆粒生成的二次顆粒物對人類健康和自然環(huán)境產(chǎn)生負面影響。這些顆粒在自然降雨過程中可以被去除。本文將Slinn提出的氣溶膠顆粒與雨滴的碰撞效率表示為顆粒粒徑

6、的多項式函數(shù),將雨滴清除系數(shù)表示為顆粒粒徑.雨滴粒徑和雨滴速度的函數(shù),應用傳統(tǒng)矩方法將濕去除機制下PGDE轉(zhuǎn)化為氣溶膠顆粒尺度演變的矩方程,通過求解該方程得到了氣溶膠顆粒尺度的時間演變過程。
　　 顆粒尺度分布通常采用單峰對數(shù)正態(tài)分布描述。但很多實驗觀測顯示,顆粒尺度分布呈現(xiàn)雙峰或多峰特征,多個對數(shù)正態(tài)分布之和能更準確描述顆粒分布。此時,顆粒布朗凝并存在峰內(nèi)凝并和峰間凝并。本文從Muller提出的描述單峰分布顆粒凝并的動力學方程