第五章-气溶胶粒子群动力学
大气气溶胶3.1-3.2-单个气溶胶粒子动力学
3.1 动力学基础（分子动力理论）平均速度、平均自由程、气体粘性、热传导和扩散3.2 单个气溶胶粒子动力学Stokes阻力、粘性运动方程、重力场下的粘性运动、布朗扩散、泳移效应3.3 气溶胶粒子群动力学布朗运动聚合、层流和湍流中的聚合、重力沉降聚合、外力场对聚合过程的作用、一般动力学方程&&3 大气气溶胶动力学气溶胶粒子尺度特征nu i st邱☐小尺度粒子●看成是由大量作无规则运动的质点（分子）构成的离散介质，粒子在大气中的运动受到空气分子运动的影响。
●主要体现了大气的微观特性，需要从分子运动论或动力理论去处理；☐大尺度粒子●可将大气看作连续介质，气溶胶粒子浸没在连续的空气介质中，一般有较大的沉降速度；●主要体现介质的宏观特性，属于空气动力学范畴；x yn ui st邱分子速度与平均自由程气体粘性、热传导和扩散3.1动力学基础（分子动力理论）平衡态——非平衡态——1) 分子尺度小于分子间距离，两次碰撞之间处于连续运动状态；2) 分子为球体，分子间的碰撞为弹性碰撞（没有能量损失，仅引起分子的重新排列）；3) 平衡态时，分子按位置、速度的分布是均匀的；从分子运动论的观点来考察大气气溶胶特性时，有以下假设：一、分子速度2222222231vv v v v v v v z y x zy x ===++=nu ist邱牛顿第二定律：分子作用在该侧面上的作用力F等于单位时间内的动量变化率.2b P F i i ⋅=b b bc x Δ动量=？∑==Ni iP P 0 F =Δmv假设箱中有N个分子，每个分子的质量为m，沿x方向的分速度为c x :碰撞一次的动量变化为：mc x -（-mc x ）=2mc xb b bc xΔmv = 碰撞次数╳ Δ动量/次单位时间内碰撞了多少次？n u i st邱单位时间内对其一个面的碰撞次数为:2b/c xC x /2b×2mC x ＝mC x 2/bc x /2b单位时间内碰撞了多少次？（碰撞频率=1/碰撞1次需要的时间)b b bc x单位时间内对一个面的碰撞动量改变为：Δmv = 碰撞次数╳ Δ动量/次由牛顿第二定律，分子作用在该侧面上的作用力F等于单位时间内的动量变化率，即：bmC F xi 2=产生的压强为：VmC b mC b F P xx i i 2322===总压强为对所有N个分子求和：220313C V C m N P P Ni i ρ===∑=33PR TC Mρ==R = 8.3143J/(mol K)n uist邱例1：比较He原子、N 2分子、SO 2分子在200C时的平均速率V。
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绪论气溶胶定义：气溶胶是指长时间悬浮在气体环境中、能观察或测量到的液体或固体粒子的集合。
粒径范围 0.001～500μm ，这些颗粒物粒径比气态分子大，比降尘粒径小。
（空气动力学直径D ，与颗粒的密度和形状有关系。
）气溶胶与气候变化：气溶胶粒子增加的直接效应是影响大气水循环和辐射平衡，这两种过程都会引起气候变化 。
气溶胶颗粒具有各种粒度，决定了它对光的不同效应，如吸收、散射或反射作用，从而对气候产生直接或间接的效应。
其直接效应是吸收或反射太阳的辐射，使地球的热平衡受到影响；其间接效应是对云的成核作用，使云的凝聚核增多，而增强云的反射 。
常见特殊天气现象：沙尘暴、灰霾。
沙尘暴的影响：使生态环境恶化 ，生产生活受影响 ，生命财产损失 ，交通安全（飞机、汽车等交通事故）。
另外，气溶胶对中国北方酸雨的中和作用，对硫酸盐气溶胶的形成及其分布，对海洋中微量成分循环过程的影响也是不容忽视的。
灰霾是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，使空气浑浊，水平能见度减低到10公里以下的一种天气现象 。
我国的部分区域存在着４个明显的大气棕色云区，即灰霾严重地区：北部的黄、淮、海地区；东部的长江三角洲；四川盆地；珠江三角洲 。
正常呼吸状态下不同粒径的颗粒物在人体呼吸系统的沉积状况纵观气溶胶研究的发展，可以看出其趋势，已从人为源逐渐向天然源、生物地球化学源发展；从总体颗粒物的表征向单个颗粒物；由微米级向亚微米，甚至纳米级的粒度发展；从一般无机元素组分向元素碳、有机碳、酸硷性基团、有机分子发展；从室外环境向室内环境、区域环境、全球环境发展；从平流层向对流层发展；并将气溶胶的特性与环境效应（如气候效应）、生态效应（如健康效应）以及大气化学过程密切结合起来，向更深的层次和更广0204060801000.010.1110100颗粒物空气动力学直径 (微沉积百分比（的范围开拓。
气溶胶测量的基本原理和方法：运用惯性、热力和静电引力加速粒子的沉积，或使用有效的过滤系统。
大气气溶胶粒子的形成机制研究
大气气溶胶粒子的形成机制研究
大气气溶胶粒子是指直径在几纳米至数微米之间的空气中的颗粒物质。
这些粒
子来源复杂，包括自然源和人为源。
它们对大气环境和人类健康有着重要的影响。
大气气溶胶粒子的形成机制一直是科学家们关注的话题。
根据当前的研究，气
溶胶粒子的形成主要有两种机制：气相机制和凝聚机制。
气相机制是指大气污染物在空气中反应形成气态化合物，随着反应进行，化合
物逐渐形成气溶胶粒子。
例如，硫酸盐是气相机制中最重要的预体化合物，它可以通过硝酸和SO2的反应而形成。
硝酸和丙烯酸是形成气溶胶粒子的一对预体化合物，它们可直接参与气溶胶粒子形成的氧化和缩合反应。
凝聚机制是指气溶胶粒子在空气中逐渐增大。
凝聚机制通常分为两种类型：气
体聚集和粒子沉积。
气体聚集是指气态气溶胶粒子凝聚成固态粒子。
在此过程中，气态气溶胶粒子逐渐结合并成为更大的固态颗粒。
粒子沉积是指气态气溶胶粒子因重力作用而迅速沉积。
在这种情况下，气溶胶粒子会因重力作用而沉积下来，形成沉积颗粒物表面。
气相和凝聚机制在大气中同时作用，导致气溶胶粒子的形成。
化学和气象条件，例如温度、湿度、氧的含量和光线等也会对气溶胶粒子的形成产生影响。
气溶胶粒子的形成机制对于环境和公共健康都具有极大的重要性。
通过研究气
溶胶粒子形成的机制，可以更好的理解和预测气溶胶粒子在大气中的行为，为公共健康提供更好的保护。
同时，了解气溶胶粒子的形成机制也有助于控制大气污染物的排放和改善环境。
气溶胶知识讲解
气溶胶本节内容要点：气溶胶的定义、分类、源、汇、粒径分布、气溶胶粒子的化学组成、气溶胶的危害、气溶胶污染源的推断等1）气溶胶的定义和分类气溶胶(aerosol)是指液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。
微粒的动力学直径为0.002～100μm。
由于粒子比气态分子大而比粗尘颗粒小，因而它们不象气态分子那样服从气体分子运动规律，但也不会受地心引力作用而沉降，具有胶体的性质，故称为气溶胶。
实际上大气中颗粒物质的直径一般为0.001～100μm；大于10μm的颗粒能够依其自身重力作用降落到地面，称为降尘；小于10μm的颗粒，在大气中可较长时间飘游，称为飘尘。
按照颗粒物成因不同，可将气溶胶分为分散性气溶胶和凝聚性气溶胶两类。
分散性气溶胶是固态或液态物质经粉碎、喷射，形成微小粒子，分散在大气中形成的气溶胶。
凝聚性气溶胶则是由气体或蒸汽(其中包括固态物升华而成的蒸汽)遇冷凝聚成液态或固态微粒，而形成的气溶胶。
例如二氧化硫转化成硫酸或硫酸盐气溶胶的过程如下：●二氧化硫气体的氧化过程● 气相中的成核过程(液相硫酸雾核)在过饱和的H2SO4蒸气中，由于分子热运动碰撞而使分子(n个)互相合并成核，形成液相的硫酸雾核。
它的粒径大约是几个埃。
硫酸雾核的生成速度，决定于硫酸的蒸气压和相对湿度的大小。
●粒子成长过程硫酸粒子通过布朗运动逐渐凝集长大。
如果与其他污染气体(如氨、有机蒸气、农药等)碰撞，或被吸附在空中固体颗粒物的表面，与颗粒物中的碱性物质发生化学变化，生成硫酸盐气溶胶。
根据颗粒物的物理状态不同，可将气溶胶分为以下三类：(1)固态气溶胶--烟和尘；(2)液态气溶胶--雾；(3)固液混合态气溶胶--烟雾(smog)。
烟雾微粒的粒径一般小于1μm (见表2-13)。
气溶胶按粒径大小又可分为：(1)总悬浮颗粒物(total suspended particulates或TSP)，用标准大容量颗粒采样器(流量在1.1～1.7m3/min)在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物，它是分散在大气中各种粒子的总称。
布朗运动
气溶胶灭火剂得性能（３）作者：ﻫ三、气溶胶得动力学性质１。
气溶胶粒子得力学问题ﻫ一般而言,气溶胶粒子受到以下三种力得作用：（１)外力：如重力、电场力或离心力等；ﻫ（２)周围介质得作用力：如气体介质对粒子运动得阻力，流体作为连续介质所形成得流体动力，流体中个别分子对粒子无规则撞击得热动力等；（3）粒子间相互作用得势力:如范德华力、库仑力等；ﻫ气溶胶粒子得力学现象虽然形形色色,若从基本过程考虑，大体有三类：（1）粒子在重力作用下得沉降过程与外力作用下得沉淀过程或扬起过程; ﻫ(2）粒子之间在三种力联合作用下得碰并过程; ﻫ(3）粒子上得物质与传热过程。
ﻫ气溶胶粒子体系就是一个多粒子体系，因此气溶胶粒子沉降等力学现象在大多数情况下就是多粒子相互作用而产生得力学现象。
多粒子力学即使在低雷诺数(Ｒｅ）条件下也很难求解，为此在研究过程中总就是把气溶胶粒子简化为一个孤粒子力学问题，同时又假定粒子形状为球形。
因此,目前对气溶胶粒子得动2.气溶胶得动力学ﻫ气溶胶得动力学研究仍较多地局限于球形粒子范围内。
ﻫ力学特性主要表现在三个方面：布朗运动、扩散、沉降与沉降平衡。
其中最主要得就是布朗运动,它就是后两个特性得基础。
另外,气溶胶还具有碰并与凝并得特点。
（１）布朗运动18２7年,英国植物学家布朗（Brｏwｎ)在显微镜下观察到悬浮于水中得花粉粒子处于不停息得,无规则得运动状态。
以后发现凡就是线度小于４×10—6m得粒子,在分散介质中皆呈现这种运动，由于这种现象就是由布朗首先发现得故称为布朗运动.气溶胶微粒得无规则热运动,就是由于分散介质中气体分子得无规则热运动造成得.悬浮于气体中得微粒,处在气体分子得包围之中，气体分子一直处于不停得热运动状态，它们从四面八方连续不断地撞击着这些微粒.如果这些微粒相当大，则某一瞬间气体分子从各个方面对粒子得撞击可以彼此抵消,粒子便不会发生位移；若这些微粒较小时,则此种撞击便会不平衡,这意味着在某一瞬间，微粒从某一方向得到得冲量要多一些,因而会向某一方面发生位移，而在另一时刻，又从另一方向得到较多得冲量，因而又使其向另一方向运动，这样我们便能观察到微粒在不停地如图3－1所示得连续得、不断得、不规则得折线运动,由此可见，布朗运动就是分子热运动得必然结果,就是胶体粒子得热运动。
第5章 气溶胶化学
第三节 气溶胶粒子的成核作用
气溶胶粒子的成核是通过物理过程和化学过程形成的， 气体经过化学反应，向粒子转化的过程从动力学角度可以 分为4步：
1.
2.
3. 4.
均相成核或非均相成核，形成细粒子分散在空气中； 在细粒子表面，经过多相气体反应，使粒子长大； 由布朗凝聚和湍流凝聚，粒子继续长大； 经过干沉降（重力沉降或与地面碰撞后沉降）和湿沉降 （雨除和冲刷）清除。
3. 半挥发性有机物在气相和颗粒相的分配 大气中的有机物按其饱和蒸汽压的大小分为挥发性有机 物（VOC）、半挥发性有机物（SVOC)、和非挥发性有机 物 (NVOC). 半挥发性有机物来源于燃烧源的一次排放和大气光化学 的二次转化。一般认为，半挥发性有机物存在于气态，直到 其浓度达到某个临界值时，吸附到合适的颗粒物表面或通过 均相成核进入颗粒态，此时半挥发性有机物的气相与颗粒相 之间达到热力学平衡。
2. 气溶胶中的水溶性有机物 水溶性有机物（WSOC),即用水能够提取下来的颗粒物中的 有机物，可占POM的20~70%。因为吸湿性和作为云凝结核 （CNN) 的能力，环境效应十分重要。在一些背景地区，浓 度可相当或高于无机离子组分。 WSOC占颗粒物中有机物的50~80%，占颗粒物水溶性部分 的20~50%。
一、气溶胶粒子中的离子成分
水溶性离子是气溶胶的重要化学组分，在乡村大陆地区， 气溶胶中的水溶性组分随着粒径的减小而增加，在0.1~0.3μm 的范围内可达80%。在海洋大气中，即使是粗粒子也主要由 水溶性物质组成（海盐）。 水溶性离子组分中阴离子主要以硫酸盐、硝酸盐、卤素离 子存在，而阳离子主要是铵根离子及碱金属和碱土金属离子。
多环芳烃（PAHs）具有显著毒性，具有冬高夏低的季节 变化规律，早晨和下午交通高峰期浓度出现高值，白天由于 混合层高度上升PAHs浓度下降。 苯并芘（B[a]P) 被人为是PAHs中毒性最强的化合物，海 洋大气浓度为1~10pg/m3, 自然保护区空气中0.1ng/m3
大气环境中气溶胶的化学反应动力学机制
大气环境中气溶胶的化学反应动力学机制一、引言大气环境中的气溶胶是指悬浮在空气中的微小颗粒物，由于其微小的粒径和较长的停留时间，气溶胶对大气的物理和化学过程产生显著影响。
其中，气溶胶的化学反应动力学机制是指气溶胶在大气中的化学变换速率和反应过程。
本文将探讨大气环境中气溶胶的化学反应动力学机制。
二、气溶胶的来源和组成大气中的气溶胶主要来自于自然源（如火山喷发、沙尘暴等）和人类活动（如燃煤、工业排放等）。
气溶胶的组成包括无机离子、有机物质、元素碳等。
其中，无机离子主要包括硫酸盐、硝酸盐和铵盐等，有机物质主要包括挥发性有机物和非挥发性有机物。
三、气溶胶的化学反应动力学机制3.1扩散过程气溶胶的化学反应动力学机制中的一个重要过程是扩散过程。
扩散是指气溶胶颗粒之间或气溶胶颗粒与气体分子之间的物质传递过程。
气溶胶颗粒之间的扩散受到颗粒的粒径、形状和浓度梯度等因素的影响。
此外，气体分子在气溶胶颗粒表面的扩散也是化学反应中的一个重要过程。
气体分子通过与气溶胶表面的相互作用发生吸附和解吸过程，从而影响气溶胶的化学反应速率。
3.2化学反应速率常数气溶胶的化学反应速率常数是评价气溶胶中化学反应动力学机制的重要参数。
速率常数表示在单位时间和单位表面积上发生的反应物的消耗或生成量。
速率常数受到温度、湿度、气体浓度和反应物种类等因素的影响。
在大气环境中，不同气溶胶组分的化学反应速率常数是十分复杂和多变的，需要通过实验测定和理论模拟来确定。
3.3影响因素大气环境中气溶胶的化学反应动力学机制受多种因素的影响，包括温度、湿度、光照和气溶胶的化学组成等。
温度和湿度对气溶胶的反应速率常数有重要影响，较高的温度和湿度可加快气溶胶的化学反应速率。
光照对一些气溶胶中光敏物质的化学反应也具有重要作用。
此外，气溶胶的化学组成对其化学反应动力学机制也产生显著影响，不同组分的气溶胶存在着不同的反应路径和速率常数。
四、气溶胶的化学反应机制研究方法4.1实验方法实验方法是研究气溶胶化学反应动力学机制的重要手段。
第五章-气溶胶粒子群动力学
3
层流切变与布朗聚合的相对强度可用他们对应的收集核函 数比表示：
K LS rp , rp） （ 3 dp K（rp , rp） 2kTCc B
2.湍流切变聚合
湍流切变的收集核函数为：
上式主要由量纲分析法得到，其中ε表示单位质量的动能 耗散率，ε＝Δu3/L 1956年Saffmann和Turner由模拟实验计算得到湍流切变 的收集核函数为：
倍为粒子的半径值，对于粒径范围广的气溶胶系统，因分 割数过多而不大实用。
变换法以最小粒子体积v0为基本粒子单位，把i粒子的体
积v(i)表示成v0ab(i-1)（a,b为常数），即把n(v,t)变换成 n(i,t)的计算方法。
区间分割法把气溶胶粒子的范围分为L个区间，对各区
间把方程进行离散化处理，对含有k种化学成分的多组分 系统，将求解L×k个联立常微分方程式，该法是模拟多重 组分气溶胶动力学的适用方法。
4.3
e为电子电荷，ε为介质的介电常数，将4.3式代 入4.1式得到：
其中
k可以理解为两个荷电粒子接触时，其静电势能与热能 kT的比率
气溶胶粒子的平均荷电量表示为：
平均荷电量随粒子的尺度dp和k值变化
注：只有在粒子的荷电量远超过平均荷电量时，才
需要考虑电力聚合；另外，粒子还受到声场的影响 而产生聚合（略）。
湍流切变聚合与布朗聚合的相对大小用下面的比率表示：
Cc
3.湍流惯性聚合
粒子因空气介质的层流和湍流运动形式而产生速度切 变，从而引起聚合。如考虑到粒子与空气介质有相对运动 速度时，粒子与空气介质具有不同的惯性，使得不同尺度 的粒子之间产生相对运动而引起聚合。
湍流惯性聚合与湍流切变聚合的相对强度由比值得到：
气溶胶粒子
气溶胶粒子空气中的水蒸气在阳光照射下会变成小水滴，其实它们就是悬浮在我们周围、肉眼看不见的微小颗粒。
这种颗粒被称为气溶胶粒子。
科学家发现，它们能够穿透物体和墙壁而在人体内游走，因此有“隐形杀手”之称。
那么，究竟什么是气溶胶粒子呢？它们又怎样危害我们健康呢？首先让我来讲一个故事吧！一天，美国空军实验室正在进行一项研究工作：用高速摄像机拍下风洞实验模型中喷出的气溶胶粒子，然后将这些微粒放到一个金属罩内，使它们不受外界影响地在其中运动，结果令人惊讶：在金属罩内部的气溶胶粒子几乎没有任何运动迹象；但当金属罩向上抛起时，原本毫无生命迹象的气溶胶粒子突然改变了运动轨迹，朝着金属罩以外的方向冲去……显然，这说明，在很多情况下，即便你身处于安全场所，也可能遭遇到潜伏的威胁。
当太阳直射时，温度非常高，能达到300℃以上，这时水蒸汽会凝聚成小水滴，这就是气态水，它们会悬浮在周围空气中，就好比晴朗的夜晚看不到星星，可月亮却依旧挂在天上一般，而且数量还很多。
水蒸汽会逐渐凝结成雾状或薄膜状的液体，这就是液态水。
当这些液态水与周围环境接触后会迅速凝结并吸收热量，从而升华成细小的固态水滴，随着温度降低最终重新转化成水蒸气飘散到空中。
如此循环往复，水分子和氧分子就慢慢积累在大气中，组成云朵或者雾霭。
所谓“无规则性分布”指的就是这种分布特点。
要知道，液态水和固态水都含有丰富的水分子，而我们人类就生活在水的世界里。
可是对某些粒子来说，水已经不再是其必需条件了。
如果把这些微粒叫做“小水滴”，似乎更加合适，它们虽然比较小，但却拥有巨大的体积和质量，并且十分轻盈。
目前已知最轻的粒子只有0.000005毫克/立方厘米，比1个大头针还轻10万倍，甚至比一张纸还要轻。
通俗地讲，小水滴足够小了，甚至已经小到肉眼看不见，就像海洋、河流里漂浮的油花、浪花一样。
另外，小水滴在移动过程中基本保持球形，彼此间也难以撞击，因此没有办法产生破坏力。
由此推论，小水滴应该算是微小的，否则早已铺满地球表面了。
气溶胶粒子空气动力学粒径测量研究
气溶胶粒子空气动力学粒径测量研究引言：随着人们对大气环境污染的关注度不断提高，对于气溶胶粒子的研究也越来越深入。
作为一类广泛存在于空气中的微粒体，气溶胶粒子一方面是大气环境污染的重要成因，另一方面又与气候变化、区域空气质量等问题有着密切的关系。
因此，对于气溶胶粒子的研究已成为很多领域的共同关注。
一、气溶胶粒子的空气动力学特性气溶胶粒子的空气动力学特性直接关系到它在空气中的运动和沉降情况，从而影响到它对人体和环境的危害。
通过对不同粒径大小的气溶胶粒子的研究，科学家们发现，粒径较小的气溶胶粒子更加容易悬浮在空气中，其沉降速度较慢，更容易进入到人体的呼吸道并深入肺部。
而粒径较大的气溶胶粒子则会很快地沉降到地面上，对人体的危害相对较小。
二、气溶胶粒子粒径测量方法的研究粒径是气溶胶粒子的重要特征之一，因此研究气溶胶粒子大小的测量方法是气溶胶研究的重要内容之一。
近年来，针对气溶胶粒子测量的方法也得到了不断地完善和更新。
目前主要的测量方法有离线方法和在线方法两种。
离线方法：将气溶胶粒子样品在实验室中收集和分析，这种方法比较准确，但过程较为繁琐，需要样品的采集、处理、运输等多个环节，难以实现现场实时监测。
在线方法：这种方法可以实现对气溶胶粒子粒径的实时监测，在气溶胶研究中得到了广泛的应用。
其中，目前最常用的在线粒径测量方法是散射光谱法（DLS）和光学微粒子计数器（OPC）。
三、散射光谱法和光学微粒子计数器的优缺点散射光谱法是利用气溶胶粒子与激光光线相互作用而产生的散射光谱来研究气溶胶粒子的粒径分布。
这种方法的优点是可以对很小的粒径进行测量，并且没有粒子数量限制。
然而，它在大气环境中的应用受到光学复杂散射的影响，常常导致测量误差大。
光学微粒子计数器(OPC)是一种通过对光信号进行测量来确定气溶胶粒子的数量和粒径分布的仪器。
与DLS方法相比，OPC的优点在于其适用范围更广，可以测量粒径范围更大的气溶胶，而且在对大气环境中的粒子监测中已经得到了广泛的应用。
新型气溶胶发生器中的颗粒群和物质传输研究
新型气溶胶发生器中的颗粒群和物质传输研究气溶胶是指悬浮在气态媒介中的微观颗粒，由于其尺寸小、形态多样、作用复杂，因此受到广泛关注。
在纳米领域中，尤其需要研究气溶胶的产生机制及其可能的影响，以便更好地掌握其行为规律并加以利用。
气溶胶的形态多种多样，但大多包含一个或多个核心，一层或多层包覆结构以及在它们之间存在的一些物理、化学或其他过程，比如碰撞和化学反应。
其中，颗粒群是指所有颗粒的集合，是气溶胶的重要形式之一。
在新型气溶胶发生器中，控制颗粒群的物质传输是实现稳定和可控气溶胶生产的关键步骤。
制备气溶胶的基本方法之一是液相雾化，其原理是将高浓度的含颗粒的纯水或有机溶液雾化成粒径约为数纳米至数百纳米的微粒。
新型气溶胶发生器通常采用无噪声和稳定的高压液滴喷雾或洗涤室技术来生产液态气溶胶。
然后，通过气体扩散、湍流热扩散或声波扩散等方法将气溶胶送入体系中，然后通过吸附或凝结作用在基底物表面形成薄膜或其他结构。
一般来说，气溶胶的制备方法和条件会影响其颗粒群的结构和形态。
由于液相喷雾或洗涤室过程中的不稳定性和受损干扰的影响，颗粒群内部可能存在多种不均匀性。
因此，制备过程中必须对颗粒群进行控制和优化，以便在应用中获得合理和可控的结果。
在研究新型气溶胶发生器中的颗粒群和物质传输方面，有一些重要的研究方向。
一方面，研究颗粒群的核心、包覆物和内部组成，以更好地掌握其形态和性质。
另一方面，应关注气体过程、物理过程、化学过程和光学过程对颗粒群的影响，并找出控制和改进方法。
对此，有一些关键的研究问题需要解决。
比如，如何有效控制和调节颗粒群的分布和形态，在尽可能短的时间内达到最大的稳态？如何抑制或降低微观颗粒的不均匀性和聚集现象？如何对不同的气溶胶形态和压力变化做出反应，并保持它们在不同的温度下的稳定性？通过这样的研究，我们可以逐步更好地控制和利用气溶胶。
此外，还需要继续研究新型气溶胶发生器中颗粒群的物质传输特性，以更好地预测和设计各种气溶胶的应用。
大气气溶胶5-气溶胶质粒群动力学
dN 2N 2N dx r吸收球 2rp
（ 3）
联合（2）式和（3）式得到粒子1的碰撞率为：
dn 16 rp DN dt
（ 4）
单位体积中有N个粒子，单位体积的碰撞率：
dnc N 2 (16 rp DN ) 8 rp DN dt 2
（5）
聚合系数K0
dN 2 8 rp DN dt
第4章
大气气溶胶粒子群动力学
① 聚合方程
推导和求解聚合方程； 不同作用力下的聚合系数。
②一般动力学方程
主讲人：邱玉珺
主讲人：邱玉珺
k=1表示单个粒子，体积为v1；
k=i（i=2,3,4)表示由i个粒子组成。
聚合作用是小于次微米级粒子长大的主要机制。
对流层底各种气溶胶粒子典型尺度对应的数浓度和质量浓度
七、外力场对粒子聚合的作用
范德瓦耳斯力对聚合的作用
电力对聚合的作用
主讲人：邱玉珺
第二节 粒子一般动力学方程
n t
？ 1）水平和垂直输送、扩散
2）粒子新生 3）化学反应，凝结，蒸发 4）聚合 5）清除 6）源
主讲人：邱玉珺
n t
？
n u n D n t
1）水平和垂直输送、扩散 2）粒子新生 3）化学反应，凝结，蒸发 4）聚合
Nk Nik K (vi , vk ) Ni N k t 消失 i 1 i 1
消失率： J k 消失
变化率为：
N k 1 Jk Nij－ Nik t 2 i j k i 1
主讲人：邱玉珺
二、k个单体的聚合方程
主讲人：邱玉珺
粒子聚合过程中，质量守恒。质量浓度 Cm为：
气溶胶
气溶胶：体分散体系。
其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.001～100μm，分散介质为气体特性：1物理特性在动力性质方面，其布朗运动非常剧烈，当质点小时具有扩散性质；当质点大时，由于与介质的密度差大，沉降显著。
因介质是气体，这些动力性质与气体分子自由路程有关。
质点既可带正电也可带负电，说明其电性决定于外界条件。
在稳定性方面，气溶胶粒子没有溶胶粒子那样的溶剂化层和扩散双电层，相碰时即发生聚结，生成大液滴（雾）或聚集体（烟），此过程进展极其迅速，所以气溶胶是极不稳定的胶体分散体系，但由于布朗运动的存在，也具有一定的相对稳定性。
2光学特性主要从气溶胶光学厚度、Angstrom 波长指数、粒子尺度谱分布、单次散射反照率等参数反映气溶胶的光学特性。
受雾霾天气影响，这些参数都会出现相应的变化。
气溶胶光学厚度( aerosol optical depth，AOD) 是衡量气溶胶粒子对太阳辐射衰减强弱能力的一个重要参数，能够反映整个大气柱的气溶胶含量，是评价大气污染的一个关键指标．一般来讲，AOD 值越小，大气越清洁; 反之，AOD 越大，大气越浑浊。
雾霾天气条件下气溶胶光学厚度随波长增大而减小，说明污染事件期间气溶胶粒子对太阳光的衰减具有波长选择性。
Angstrom 波长指数( α) 是衡量气溶胶粒子大小的一个重要光学参数，其值越大，说明粒子越小，反之亦然。
雾霾天气时气溶胶主要以细的污染粒子为主．气溶胶粒子谱分布是计算气溶胶粒子辐射强迫和研究气溶胶气候效应的基本输入参数，不同类型的气溶胶具有不同的粒度分布特征。
雾霾天气下气溶胶体积谱表现出明显的双峰分布，对每一个模态可由以下对数正态分布描述:式中，dV/dlnr 为体积尺度谱分布; C v为体积浓度; r 为粒子半径; r v为粒子的几何平均半径; σ为标准偏差。
对于细模态来说，其平均峰值半径均随着AOD 增大而增大，具体表现为: 当AOD ＜0.5 时，细粒子的平均峰值半径主要集中在0.11 μm; 当0.5＜AOD ＜ 2.5 时，半径增大到0.15 ～0.19 μm 左右;而AOD ＞2.5 时，峰值半径上升到0. 25 μm 左右，这可能是由于雾霾天气期间较高的相对湿度导致吸湿性粒子增长加剧的结果。
气溶胶力学
课程名称：气溶胶力学一、绪论研究气溶胶粒子的形成、运动、沉降和凝并的科学成为气溶胶力学。
其研究内容对人类的生产和生活有着重大的影响。
自然界中云的形成对气候的影响；水蒸发凝结而降雨；风所造成的固体颗粒的迁移与沉积；风对植物花粉的传播以及空气中微生物的散布等都是气溶胶力学的研究内容。
气溶胶的形成对人们的生产和生活有着有害和有利的双面，如一些尘粒会造成呼吸性疾病，生产过程中尘粒的发散会对产品的质量造成影响；但是，液体燃料在燃烧前喷成雾状以及固体燃料在燃烧前磨成粉末可以提高燃烧效率。
目前，研究气溶胶粒子的沉降过程比研究粒子的形成更有意义。
控制粉尘污染的方法和手段是多样的，一般有重力式、惯性式、离心式、纤维过滤式、织物过滤式、静电式以及各种湿式除尘设备。
而气溶胶力学所研究的内容是他们手机气溶胶粒子的机理以及在收集过程中气流的流场和能量损失。
气溶胶力学的研究内容是气象、环境保护、劳动保护等科学的理论基础。
为除尘净化的目的，从气溶胶粒子的物理性质及其运动；气溶胶粒子的空气动力捕获、扩散运动与沉降；气溶胶粒子的凝并、经典沉降以及气溶胶粒子的其他沉降机理讲解。
二、当前气溶胶科学发展动向在应用方面,气溶胶工程技术发展很快。
首先,微电子这一尖端高技术的发展,要求超纯净的工作环境,例如,在大规模和超大规模集成电路超纯净工作室,要求空气中所含气溶胶粒子浓度低于每立方英尺个粒子。
因此,气溶胶粒子的过滤与分离的间题,以及超微量粒子浓度的测量问题,就成为当代气溶胶研究中的重大课题。
另外一个气溶胶工程技术的新发展,是利用气溶胶技术制备新材料。
这是一个引人注目的气溶胶科学与材料科学交叉的新发展。
按照人们预先规定好的力学性质、光学性质和电学性质来制备新材料,本来是材料科学的一个中心课题现在气溶胶科学深入到这一领域,与材料科学相互交叉、相互合作,就出现了一些技术上最激动人心、科学上最富挑战性的新的人工合成物。
例如氧化物与非氧化物,以及金属粉末等,被烧结成不同形状,不同大小的新的固休材料。
(整理)气溶胶动力学基础
气溶胶力学基础将颗粒污染物从气体中分离出来的基本理论是气溶胶力学。
所谓气溶胶是指气体介质中加入固态或液态粒子而形成的分散体系。
以分散相处于悬浮状态的粒子。
2.1气溶胶粒子的基本性质2.1.1 粒状污染物的来源空气污染包括两方面：室外大气污染和室内污染。
空气污染物的来源如图2.1所示。
图 2.1 空气污染源2.1.2粒状污染物的分类粒状污染物的分类方法有多种，在大气污染方面常用德林卡和哈奇德的分类方法［5］，见表2.1。
表2.1 德林卡和哈奇德粒状污染物分类方法不同粒径的粒子所服从德空气动力学规律是不同的，为了讨论在不同粒径范围内气溶胶粒子的空气动力学性能，在气溶胶力学研究方面，根据粒子的大小分4个区。
其分类见表2.2［6］。
还可以用克努森数Kn 作为分类依据2/p Kn d λ=（2.1）式中λ——气体分子平均自由程，m ；p d ——粒径，m 。
按Kn 的分类方法见表2.2。
由分子动力理论，气体分子平均自由程为λ=（2.2）式中 M ——气体分子的摩尔质量，kg ；R ——气体常数，()/J kg K ； T ——绝对温度，K ；μ——动力黏度，Pa s ； ρ——气体密度，kg/m 3。
表2.2 根据不同粒径范围定义的气溶胶力学分类方法2.1.3 气溶胶粒子的基本性质 2.1.3.1 粒子的密度由于颗粒表面不光滑和内部有空隙，所以颗粒表面和内部吸附着一定的空气。
设法将吸附在粒子表面内部的空气排出后测得的粒子自身的密度称为颗粒的真密度p ρ。
呈堆积状态存在的粒子，将包括颗粒之间气体空间在内的粉体密度称为堆积密度b ρ，若空隙率为ε，则真密度和堆积密度存在如下关系 ()1b p ρερ=-（2.3）ρ——粒子真密度，kg／m3；式中pρ——粒子堆积密度，kg／m3。
b颗粒的真密度用于研究粒子的运动行为等方面，堆积密度用于存仓或灰斗的容积确定等方面。
某些颗粒物的真密度和堆积密度列于表2.3中[7]。
气溶胶力学第五章
2v0 − 2v0 Fu
4 2
2
2 Fu + 3Fu + 3 + 4 ln Fu
C=
− 4v0 2 Fu + 3Fu + 3 + 4 ln Fu
4 2
D=
v0 Fu
4 2
2
2 Fu + 3Fu + 3 + 4 ln Fu
把式（5.24）、（5.25）、（5.26）、 （5.27）各式代入（5.19）并加以整理可得：
2 2
是柱坐标（ρ，θ）的拉普拉斯算子表达式。 设式（5.13）有下列形式的特征： ψ=f(ρ) sinθ （5.14） 那么从式（5.13）我们得：
d 2ϕ 1 dϕ 1 ∆∆ψ = ( 2 + + 2 ϕ ) sin θ = （5.15） 0 ρ dρ ρ dρ
这里
d 2 f 1 df 1 + − 2 f ϕ (ρ ) = 2 ρ dρ ρ dρ
a W = V0 ( Z + ) （5.4） Z 此时的势函数φ与流函数ψ分别为（见图4.4）： （5.5） 2
a ϕ = V0 x(1 + 2 ) 2 x +y
2
a2 ψ = V0 y (1 − 2 ) 2 x +y
（5.6）
图5.4 平行流与偶极子的叠加
若用极坐标表示： x=rcosθ y=rsinθ
（5.32）
公式中的β、Ku、b/a的数值见表4.1，其中
1 K u = (− ln β − C ) 2
对大多数纤维过滤器0.005<β<0.2 ,14.1 >2.24 。
表 5.1 β、Ku、b/a的数值关系
溶胶的动力学性质
1. 布朗运动 微粒在分散介质中呈现不规则的运动状态称之。
●若粒子较大，某瞬间液体分子从各方向对粒子的撞击可彼此抵 消； ●当粒子较小（胶粒），撞击可以是不均衡的。 ●某瞬间，粒子从某方向得到的冲量多些，粒子向某方向运动， ●另一时刻，从另一方向得到较多的冲量，粒子向另一方向运动。 布朗运动是分子热运动的必然结果。
1、布朗运动
斯威德伯格用超显微镜，对金溶胶作不同时间间隔 t 与平均 位移 x 测定的实验，验证爱因斯坦-布朗平均位移公式
说明：●爱因斯坦-布朗平均位移公式是准确的； ●分子运动论完全适用于溶胶分散系统。
§12.3 溶胶的动力学性质 2. 扩散
（1）扩散 有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动，发生宏观上的定 向迁移现象。 溶胶系统中，溶胶粒子因布朗运动由高“浓度” 向低“浓度” 的定向迁移过程——溶胶粒子的扩散 。 （2）菲克第一定律 说明 : ※负号表示扩散方向与浓度梯度方 向相反。 ※扩散系数D:单位浓度梯度下，单 位时间通过单位面积的物质的量。 D的大小可衡量扩散速率。
1/2
⎛ RTt x = ⎜ ⎜ 3 L π rη ⎝
RT t RT = × 2t = 2 D t 3 Lπrη 6 Lπrη
x2 D= 2t
3
爱因斯坦－布朗位移方程
测出D、介质的粘度η和分散 相粒子的密度ρ，计算球形 稀溶胶粒子的质量：
4 3 ρ ⎛ RT ⎞ ⎟ ⎜ m = πr ρ = 2 ⎜ 3 162 π ⎝ Lη D ⎟ ⎠
§12.3 溶胶的动力学性质
1. 布朗运动 微粒在分散介质中呈现不规则的运动状态称之。 1905年左右，爱因斯坦用几率的概念和分子运动论的观点，创 立了布朗运动的理论，推导出爱因斯坦一布朗平均位移公式。
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（Ⅲ）中粒子的化学反应，凝结、蒸发属于粒子数 浓度守恒过程，可表示为：
粒子中的化学组分i因化学反应导致其实际变化率为 Ri(g/s)，凝结－蒸发率为I(g/s)，即
即： （5.4）
机制（Ⅳ）可采用（5.2）式的形式；机制（V）包括 干沉降和湿沉降。
数值解一般动力学方程（GDE）的方法： 离散分解法以最小粒子体积v0为基本单位，并以其整数
第5节 粒子一般动力学方程
1.离散型聚合方程
Nk(t)表示含有k个单体（单个分子）的粒子的数浓度， Nk(t)变化的基本过程就是聚合和蒸发； Kij表示分别含有i和j个单体的粒子的收集核函数，则k 个单体粒子的形成率为：
因聚合引起的衰减率为：
因蒸发引起Nk的衰减率为：ekNk(t)
ek表示单体从含k个单体粒子的逃逸率
离散型一般动力学方程
（5.1） 红框内的方程表示离散型聚合方程 将收集核函数Kij假设为常数K，再对k求和，离散型 聚合方程就可以转化为聚合方程（7）
2.连续型聚合方程
n(v,t)dv表示粒子在体积v到v+dv范围内每立方厘米 的粒子数，n(v,t)（um3cm-3）是密度函数
将上面的聚合方程写成连续形式为：
湍流切变聚合与布朗聚合的相对大小用下面的比率表示：
Cc
3.湍流惯性聚合
粒子因空气介质的层流和湍流运动形式而产生速度切 变，从而引起聚合。如考虑到粒子与空气介质有相对运动 速度时，粒子与空气介质具有不同的惯性，使得不同尺度 的粒子之间产生相对运动而引起聚合。
湍流惯性聚合与湍流切变聚合的相对强度由比值得到：
其中：
p2 E (rp1 , rp 2 ) 2 2(1 p)
碰撞效率，描述空气动力偏转对收集效率的影响 定义为一对互相作用的质粒，其实际碰撞截面与 几何截面的比值
2.各种收集核函数的比较
第4节 外力场对粒子聚合的作用
1.粒子受到布朗扩散和外力场迁移影响时
K12=KB/β
K12表示纯布朗运动时的收集核常数，B表示粒子迁移率
kTCc Di＝ 3 di
收集核函数又可以表示为：
2kTCc 1 1 K12＝ (rp1 rp 2 )( ) 3 rp1 rp 2
不同粒子尺度的收集核函数K12为：
0.002 0.01 0.1 1.0 10 20
收集核与粒子的尺度有一定关系： 等尺度粒子间的最大收集核出现在粒径0.01um处； 尺度不等的粒子间的收集核总比等尺度粒子间大；
dN 2N 2N dx r 2rp
（3）
联合（2）式和（3）式得到粒子1的碰撞率为：
dn 16 rp DN dt
（4）
单位体积中有N个粒子，单位体积的碰撞率：
dnc N 2 (16 rp DN ) 8 rp DN dt 2
（5）
将数浓度梯度的变化方向考虑进去，得到碰撞率为：
解：已知 K0＝3.0×10-10(1.2)=3.6×10-10 (cm3/s) t=10×60=600s N0=108/cm3
N0 108 N (t ) ＝ ＝8.47 106 / cm3 1 1 1 N 0 K 0t 1 108 3.6 1010 600 2 2 1 1 1 1 r (t ) r0 (1 N 0 K 0t ) 3 0.8 (1 108 3.6 1010 600) 3＝ 1.82 m 2 2
称为科尔莫哥罗夫微尺度（粘性比较重要的微尺度）， 由量纲分析得到
＝
时间微尺度和速度 微尺度为：
不管是层流还是湍流，粒子间因为存在速度梯度有相对速 度，从而引起碰并，对于受到重力场影响的粒子来说，不 同尺度的粒子的沉降速度不同，产生重力沉降聚合。
x
y
第3节 重力沉降聚合
1.简化模式
a.只考虑到斯托克斯流型 b.小粒子绕大粒子附近的空气绕流运动 小粒子rp2相对于rp1的通量密度为：
dN 2 8 rp DN dt
（6）
将K0定义为收集核(coagulation coefficient)常数:
K0 16rp D
将K0代入（6）式得到聚合方程的常用形式：
K0 2 dN N dt 2
（7）
K0 2 dN N dt 2
对（7）式求积分得到：
K0 1 1 t N t N 0 2
第五章 气溶胶粒子群动力学
(b) 图(a) 中烟尘集合体的 局部放大，比例尺400um
(a) 燃煤源附近采集的烟 尘集合体，比例尺5um
(d) 桥状烟尘集合体，由 单个颗粒集合在一起形成， 比例尺100um (c) 柴油机车尾气颗粒物， 单颗粒粒度为10-50nm
(f) 密实状烟尘集合体 (e) 环境大气中的密实状烟尘集 合体，比例尺5um
VT,2（r）为小粒子孤立状态下的下落末速，UT,1（r） 为斯托克斯速度场，表示大粒子以孤立状态下的下落 末速所产生的速度场，n2表示rp2的浓度
重力沉降收集核的普遍形式：
其中：
p rp 2 rp1
从上式看到，在不考虑流体动力偏转的情况下， 收集效率由粒子的相对速度和几何碰撞截面决定
重力沉降收集核的另一种表达形式：
倍为粒子的半径值，对于粒径范围广的气溶胶系统，因分 割数过多而不大实用。
变换法以最小粒子体积v0为基本粒子单位，把i粒子的体
积v(i)表示成v0ab(i-1)（a,b为常数），即把n(v,t)变换成 n(i,t)的计算方法。
区间分割法把气溶胶粒子的范围分为L个区间，对各区
间把方程进行离散化处理，对含有k种化学成分的多组分 系统，将求解L×k个联立常微分方程式，该法是模拟多重 组分气溶胶动力学的适用方法。
气溶胶粒子的初始分布呈正态型时，聚合系数可表示为：
d gm : 质粒的几何平均直径
gm : 几何标准偏差
第2节
只要是流体，总会存在速度梯度而产生梯度力或切变
1.层流切变聚合
当空气中存在速度梯度时，可产生空气间的相对运动， 从而引起气溶胶质粒间的聚合。
层流切变的收集核函数为：
4 K LS rp1 , rp2 rp1 rp2 3 为速度梯度
4.3
e为电子电荷，ε为介质的介电常数，将4.3式代 入4.1式得到：
其中
k可以理解为两个荷电粒子接触时，其静电势能与热能 kT的比率
气溶胶粒子的平均荷电量表示为：
平均荷电量随粒子的尺度dp和k值变化
注：只有在粒子的荷电量远超过平均荷电量时，才
需要考虑电力聚合；另外，粒子还受到声场的影响 而产生聚合（略）。
(h) 大气中的密实状烟 尘集合体，比例尺2um (g) 燃煤源附近采集的密实 状烟尘集合体，比例尺10um
第五章 气溶胶粒子群动力学
第1节 布朗运动碰并
1.单分散球形粒子的布朗聚合 2.多分散粒子的布朗聚合
第2节 层流切变和湍流中的聚合
1.层流切变聚合 2.湍流切变聚合 3.湍流惯性聚合
第3节 重力沉降聚合 第4节 外力场对粒子聚合的作用 第5节 粒子一般动力学方程
6
p r0 N (t )
3
6
p (r(t ))3
（9） （10）
N r (t ) ( 0 )3 r0 N (t )
1
1 r (t ) r0 (1 N 0 K 0t ) 3 2
（9）－（11）式适用于所有粒径范围的气溶胶粒子
1
（11）
例题：标准状态下，具有相同粒径0.8um的单分散球形粒 子，初始数密度为108/cm3,问10min后粒子浓度和 粒径如何变化？(Cc=1.2)
例2：常用的一般动力学方程
N0 N (t ) 1 1 N 0 K 0t （8） 2
K0 16rp D
kTCc D＝ 3 d
将扩散系数D代入收集核常数K0中，得到(rp>0.1um)：
8 kT K0 Cc 3
K0可简化为K0＝3.0×10-10Cc (cm3/s)
质量浓度Cm为：
Cm N 0
（5.2）
聚合
粘附
发生
扩散 平流、对流输送
沉降 消失
凝结 增长
蒸发 缩减
气溶胶浓度n随时间变化的主要过程：
一般动力学方程（GDE）
（5.3）
u表示空气的运动速度，D表示扩散系数，v表示沉降速率； 方程5.3一般不存在分析解，其数值解据数值计算过程中对粒子 半径的分割方法不同，可分为分解法、变换法、区间分割法。
作业：由氧化镁组成的烟雾，其初始数密度为107/cm3,粒径 为0.2um，问经过多少时间后其数密度降到106/cm3？相应的 粒径为多少？（K0=5×10-10 cm3/s ）
2.两不同尺度粒子的布朗聚合
收集核函数为：
K12＝4 (rp1 rp2 )( D1 D2 )
扩散系数Stokes公式给出：
4.1
粒子间的力用势Ψ表示
2.范德瓦耳斯力对聚合的作用
由电子云脉动吸引其他分子产生引力势，半径为rp1和rp2 的两球形粒子距离中心距为r，其范德瓦耳斯势表示为：
4.2
将4.2代入4.1式得到：
3.电力对聚合的作用
带不同荷电量和符号的粒子可增强（或减弱） 粒子的聚合率。 含有Z1、Z2电量、中心距为r的两荷电粒子间的 电势为：
率，由Fick第一定律得到）：
y rp
dN J D dx
o
rp
x
（1）
球面通量（单位时间通过吸收球表面的粒子数）：
dn dN 2 As J 4 (2rp ) D dt dx
（2）
dn dN As J 16 rp 2 D dt dx （Fucks,1964)碰撞表面的浓度梯度表示为：
第1节 布朗运动碰并
气溶胶粒子之间：布朗运动——碰撞——粘并