室內(nèi)細(xì)顆粒物熱泳效應(yīng)研究.pdf

1、室內(nèi)環(huán)境是人類生活和工作的主要地點(diǎn)，因此室內(nèi)空氣品質(zhì)已經(jīng)成為全球關(guān)注的一大問題。較小粒徑的顆粒物可以進(jìn)入人體內(nèi)部，干擾人體器官的正常運(yùn)行，進(jìn)而引發(fā)一系列疾病。同時(shí)，細(xì)顆粒物沉降到工業(yè)產(chǎn)品、電子設(shè)備等表面，還能引起產(chǎn)品表面的腐蝕以及設(shè)備的損壞。因此展開對(duì)室內(nèi)細(xì)顆粒物動(dòng)力行為的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　目前為止，國內(nèi)外關(guān)于細(xì)顆粒物的動(dòng)力學(xué)、不同室內(nèi)環(huán)境下顆粒物運(yùn)動(dòng)特性以及熱泳效應(yīng)對(duì)于室內(nèi)顆粒物運(yùn)動(dòng)特性影響的研究都已經(jīng)有了一定發(fā)展，但

2、是對(duì)于不同粒徑以及不同溫度梯度下熱泳效應(yīng)的大小以及熱泳效應(yīng)對(duì)于顆粒沉降的具體影響程度的相關(guān)研究還很少。本文對(duì)室內(nèi)空間流場(chǎng)特征及近壁面的高溫度梯度區(qū)域內(nèi)單個(gè)顆粒的受力進(jìn)行了理論分析及數(shù)值模擬，對(duì)比了重力、阻力、熱泳力及Saffman力的大小，同時(shí)討論了不同溫度梯度情況下不同粒徑顆粒的受力情況以及熱泳效應(yīng)對(duì)顆粒物沉降速度的影響，得到了熱泳效應(yīng)的初步規(guī)律。主要研究內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：
　　首先，從體積分?jǐn)?shù)與松弛時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行了理論分析，判

3、定室內(nèi)的空氣-顆粒兩相流屬于稀疏兩相流，從而為對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)中顆粒物熱泳效應(yīng)影響下運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬確定了條件；環(huán)境中溫度梯度的存在會(huì)進(jìn)而導(dǎo)致顆粒的不均勻分布，而亞微米顆粒物的碰撞凝并概率與濃度分布之間有著密切的聯(lián)系，因此為了對(duì)考慮熱泳效應(yīng)情況下顆粒物的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行一定的完善，本文建立了顆粒物碰壁數(shù)及顆粒之間碰撞的概率模型，并對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行了分析，得出隨著碰撞初速度以及顆粒數(shù)密度的增加，亞微米顆粒碰撞后發(fā)生凝并的可能性也會(huì)增加，因此熱泳存在下，

4、在數(shù)密度及速度較大的情況下，亞微米顆粒的運(yùn)動(dòng)需要適當(dāng)考慮顆粒間的碰撞；為確定室內(nèi)細(xì)顆粒物的計(jì)算粒徑，通過實(shí)驗(yàn)得出室內(nèi)顆粒物主要分布在5~500nm的粒徑范圍，因此選取1μm以內(nèi)的粒徑范圍進(jìn)行受力計(jì)算與熱泳效應(yīng)分析。
　　其次，為研究室內(nèi)流場(chǎng)下細(xì)顆粒物的熱泳效應(yīng)，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)室內(nèi)氣相流場(chǎng)進(jìn)行了分析，選取典型的機(jī)械送風(fēng)會(huì)議室作為計(jì)算模型，假設(shè)室內(nèi)放置一溫度高于室內(nèi)氣流的壁面，在流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，計(jì)算與驗(yàn)證了近壁面區(qū)域的溫度梯

5、度與速度梯度，確定了熱壁面存在下對(duì)附近流場(chǎng)造成影響的范圍。
　　第三，在氣相流場(chǎng)的模擬結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)近熱壁面區(qū)域內(nèi)單個(gè)顆粒的受力的相對(duì)大小進(jìn)行了具體計(jì)算及大小量級(jí)的對(duì)比，得出結(jié)論：粒徑≤0.1μm的亞微米顆粒受到熱泳力的作用較強(qiáng)。熱泳的存在會(huì)降低亞微米大小的顆粒在熱壁面上的沉積量；而對(duì)于較大粒徑的顆粒，其受到的重力較大，相比于小粒徑顆粒更易發(fā)生沉積；
　　第四，為了了解不同溫度場(chǎng)下顆粒物的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)熱壁面及冷壁面存在下顆粒的

6、運(yùn)動(dòng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出：在熱泳效應(yīng)的影響下，在熱壁面上部高溫度梯度區(qū)，顆粒濃度較低，遠(yuǎn)離此區(qū)域一定位置處，顆粒出現(xiàn)高濃度聚集分布的現(xiàn)象；在近冷壁面的高溫度梯度區(qū)，顆粒呈現(xiàn)較高濃度分布的現(xiàn)象，遠(yuǎn)離此區(qū)域的位置，顆粒呈現(xiàn)低濃度的分布現(xiàn)象；
　　最后，建立了不同粒徑顆粒物在不同方向平面上的沉積速度模型，并考慮熱泳效應(yīng)造成的顆粒局部高濃度聚集現(xiàn)象，提出在模型中添加顆粒碰撞因素的方法，以水平向上壁面上顆粒的沉積為例進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明

7、：不考慮熱泳力影響時(shí)，粒徑≤0.1μm的顆粒物的沉積受到湍流和布朗擴(kuò)散的主導(dǎo)作用；粒徑≥0.1μm的顆粒，其受到的重力的作用更加明顯，隨著粒徑的增加，相應(yīng)的沉降速度持續(xù)增長；考慮熱泳力的作用時(shí)，粒徑≤0.3μm顆粒受到熱泳效應(yīng)的影響較為顯著，熱顆粒在水平冷壁面上的沉積速度明顯增大，在水平熱壁面上的沉積速度明顯減??；當(dāng)壁面溫度高于流體溫度達(dá)到20℃的量級(jí)時(shí)，粒徑≤0.3μm的顆粒在水平熱壁面上的沉積速度小于10-10數(shù)量級(jí)，幾乎很難在壁面