納米粒子多相流矩方法研究.pdf

1、納米粒子多相流的主要研究對(duì)象為直徑在1nm-1μm范圍內(nèi)的顆粒在流場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)特性的變化及其顆粒與連續(xù)介質(zhì)間的相互影響關(guān)系。對(duì)于稀相系統(tǒng),顆粒的形狀和大小是研究的兩個(gè)最基本物理量。納米顆粒的運(yùn)動(dòng)介于分子運(yùn)動(dòng)理論和連續(xù)介質(zhì)理論之間,在數(shù)學(xué)描述上不能直接使用常規(guī)多相流研究中所使用的Stokes定律。這種流動(dòng)廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中,研究的目的是獲得顆粒在由氣相生成到顆粒長(zhǎng)大過(guò)程的所有機(jī)理性信息,其中包括結(jié)晶或化學(xué)反應(yīng)成核、凝并或冷凝增

2、長(zhǎng)、湍動(dòng)剪切破碎以及顆粒在流場(chǎng)中的輸運(yùn)等。目前,國(guó)際上眾多的研究集中在對(duì)絕對(duì)稀相納米粒子多相流動(dòng)的研究,時(shí)空尺度上相鄰顆粒間完全不相關(guān),采用的最基本的研究方法為Stokes,Einstein和Smoluchowski共同構(gòu)建的平均場(chǎng)理論,體現(xiàn)在數(shù)學(xué)表達(dá)式上為Smoluchowski方程(SE)。然而,SE方程為一強(qiáng)非線性微積分方程,至今仍未獲得完全意義上的解析解。 本文從數(shù)值計(jì)算的角度,采用矩的思想首先對(duì)SE方程進(jìn)行處理,然后通

3、過(guò)泰勒展開(kāi)技術(shù)對(duì)所得方程進(jìn)行封閉,得到了兼顧精度和效率的泰勒展開(kāi)矩方法數(shù)學(xué)表達(dá)式(TEMOM)。在顆粒碰撞率的研究方面,根據(jù)顆粒尺度的不同,存在分子動(dòng)力學(xué)理論和Fick擴(kuò)散理論兩種不同的物理描述方法。然而,在針對(duì)全尺度顆粒的數(shù)學(xué)表達(dá)上,這兩種理論并不協(xié)調(diào)。本文,采用Otto平均和調(diào)和平均方式的處理,得到了基于這兩種理論的TEMOM模型表達(dá)式,可以對(duì)全尺度范圍顆粒的碰撞問(wèn)題進(jìn)行求解,并由比較得出TEMOM Otto模型為最優(yōu)計(jì)算求解矩方法

4、。目前,高數(shù)量濃度微納米顆粒物排放已經(jīng)成為影響環(huán)境的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。由于顆粒形成過(guò)程中的較小時(shí)間尺度和顆粒體積的較小空間尺度等問(wèn)題,在實(shí)驗(yàn)和理論研究方面,至今都沒(méi)有很大的突破。 本文把TEMOM模型應(yīng)用于對(duì)H2SO4-H2O二元均質(zhì)凝結(jié)成核的研究,揭示了燃油含硫量、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和排氣管出口湍流強(qiáng)度對(duì)顆粒生成和增長(zhǎng)特性的影響,為顆粒污染物的防止治理和排放標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了重要的參考依據(jù)。通過(guò)改變流場(chǎng)或者前驅(qū)物的濃度對(duì)納米顆粒生成

5、物的大小和形狀實(shí)施有效的控制是現(xiàn)代納米顆粒制備工業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù)。采用歐拉的數(shù)學(xué)描述方式,把已有的拉格朗日形式的雙變量求解方法應(yīng)用于積分矩方法,對(duì)由鈦氧化物(TTIP)分解產(chǎn)生的TiO2納米顆粒凝并體的生成過(guò)程進(jìn)行研究。這一部分的工作加深了人們對(duì)于燃燒流場(chǎng)中納米粒子動(dòng)力學(xué)特性變化的了解,對(duì)實(shí)際工業(yè)過(guò)程中顆粒特性的可控性操作具有非常重大的指導(dǎo)意義。非稀相復(fù)相系統(tǒng)顆粒的碰撞問(wèn)題是最近幾年的一個(gè)新的研究方向,顆粒間的相關(guān)是研究過(guò)程中必需考慮的一