亚微米级气溶胶粒子近壁动力特性研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学科 学术会议论文 编号：083480 亚微米级气溶胶粒子近壁动力特性 姜泽毅，张欣茹，杨怡菲，张欣欣，柳翠翠 （北京科技大学机械工程学院，北京，100083） 联系电话：010 E-mail: zyjiang@me.ustb.edu.cn 摘要：以近壁处亚微米级粒子组成的气溶胶体系为研究对象，分析单个粒子所受重力浮升力、表面势 力、布朗热动力和粒子间势力，建立运动方程，数值分析近壁处和无界大空间内气溶胶粒子动力特性。 结果表明，较无界大空间内，近壁处气溶胶体系具有更大扩散系数，碰并率稍低，沉积率初始时增长 较快，而后渐缓，与大空间中情形趋于一致。 关键词：：壁面，亚微米气溶胶粒子，动力特性，布朗动力学 ：： 1 引言 气溶胶由气体及悬浮于其中的微、纳米颗粒构成，如环境中的云雾、化石燃料燃烧 产生的飞灰烟气等，均为典型气溶胶。有关气溶胶粒子在无界大空间内的传输规律已形 [1] 成诸多成果，颇具研究体系 。近年来随科技进步，微通道内气溶胶粒子动力行为备受 关注，如在微机电系统加工制造中的污染物控制、换热器结垢、过滤膜阻塞、肺部给药 等领域，均须明晰表面对气溶胶粒子动力特性的影响，以预测和控制粒子在表面的沉积， 这已成为目前气溶胶科学的研究热点之一。 鉴于气溶胶制备、维持及观测等方面的诸多困难，相关实验研究比较少见[2,3] 。相比 之下，采用数值方法，如布朗动力学、分子动力学、蒙特卡罗方法等来探析近壁处气溶 胶粒子运动规律，就成为大多学者的常用手段 [4-9] 。诸多研究表明，近壁一定范围内， 壁面对气溶胶粒子运动有重要影响[5,10-12] 。然而由于各学者基于不同应用背景，所选实 验对象、模拟参数等差别很大，从而造成研究结果重复性不高，甚至出现较大差异。 本文基于布朗动力学，考虑粒子所受重力浮升力、表面势力、粒子间势力及布朗热 动力，推导描述近壁气溶胶粒子运动规律的数理方程，数值探析近壁处粒子扩散、碰并 和沉积的演变规律，对比无界大空间中粒子动力特性，分析表面对粒子运动的影响。 2 数理模型 2.1 基本考虑 本文研究单分散液态气溶胶体系内近壁处液体颗粒运动规律。体系由亚微米级球形 水滴悬浮在空气中形成，空气流速为零；认为除发生碰并或沉积，粒子保持形状、大小 不变，忽略蒸发凝结；壁面为水平放置的理想光滑固体表面。 近壁处单粒子运动满足经典牛顿力学，可由受力分析确定运动规律。一般而言，近 壁气溶胶粒子受力包括：重力浮升力 Fg 、表面势力 Fps 、粒子间势力 Fpp 、布朗热动力 Fb 等。表面势力是壁面对粒子作用力，由原子分子间范德瓦尔斯力及界面电荷作用产生； 粒子间势力是气溶胶粒子间相互作用；布朗热动力是周围气体分子对粒子无规则撞击产 生的综合效果。 资助项目：国家自然科学基金资助项目 （No） 2.2 受力分析 2.2.1 重力浮升力 4π 3 F = ga (1) g ρ 3 其中， ρ = ρ −ρ 是气溶胶粒子和周围介质间的密度差。 p f 2.2