微納米顆粒動(dòng)力學(xué)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(duì)象是這些顆粒在流場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)演變特性以及顆粒與流場(chǎng)之間的相互作用。微納米顆粒在流場(chǎng)中除了受到流場(chǎng)輸運(yùn)作用外,通常還發(fā)生如結(jié)晶或化學(xué)反應(yīng)成核、布朗凝并或湍流凝并、湍動(dòng)剪切破碎、冷凝/蒸發(fā)、沉降、熱泳、電泳等動(dòng)力學(xué)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(duì)微納米顆粒動(dòng)力學(xué)演變的研究目的是得到顆粒從生成到長(zhǎng)大過程中所有的機(jī)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(chǎng)對(duì)顆粒的作用而不考慮顆粒對(duì)流場(chǎng)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(gè)顆粒的信息。而且從工程應(yīng)用角度,人們更加關(guān)注顆粒群整體的統(tǒng)計(jì)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(xué)模型更為合適。目前應(yīng)用最廣泛的是起源于Smoluchowski平均場(chǎng)理論的顆粒通用動(dòng)力

3、學(xué)方程(PGDE),但該方程具有強(qiáng)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(dòng)力學(xué)過程中顆粒的時(shí)間演變信息,將這些矩方程與流場(chǎng)N-S方程耦合求解,可以得到顆粒在流場(chǎng)中的時(shí)空演變信息。
　　 以往顆粒凝并主要采用布朗凝并核,當(dāng)顆粒尺度為微米量級(jí)且處于湍流場(chǎng)中時(shí),湍流剪切引起的凝并和破碎占主導(dǎo)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(yīng)用TEMOM推導(dǎo)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(chǎng)N-S方程耦合求解,得到了微米量級(jí)顆粒尺度演化的時(shí)空信息。
　　 當(dāng)顆粒為有限慣性時(shí),其湍流凝并核與零慣性顆粒不同,此時(shí)需考慮湍流輸運(yùn)效應(yīng)及局部聚集效應(yīng)的影響。前者用碰撞顆粒對(duì)徑向相對(duì)速度描述,后者用碰撞顆粒對(duì)徑向分布函數(shù)表征。本文總結(jié)前人DNS研究結(jié)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(yùn)用TEMOM方法推導(dǎo)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(shí)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(duì)人類健康和自然環(huán)境產(chǎn)生負(fù)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(xiàng)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(yīng)用傳統(tǒng)矩方法將濕去除機(jī)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(shí)間演變過程。
　　 顆粒尺度分布通常采用單峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布描述。但很多實(shí)驗(yàn)觀測(cè)顯示,顆粒尺度分布呈現(xiàn)雙峰或多峰特征,多個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布之和能更準(zhǔn)確描述顆粒分布。此時(shí),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(dòng)力學(xué)方程