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。这之中有低温超导体材料,人造金刚石薄膜、碳黑、二氧化硅、二氧化铁、硅、碳化硅、光导纤维、汽车钢材、磁带与录相带上的薄膜、感光片薄膜等。这些新材料正以其高纯度、低成本而令人瞩目。

其次,随着空气污染日趋严重,气溶胶对人类健康的危害日益为气溶胶研究工作者所关注。人体对不同大小的气溶胶粒子的吸入效率以及粒子在呼吸道中的沉淀问题,成为当前气溶胶热门课题之一。近年来在空气污染间题上也有厂新的发展,除户外的大气污染测量外,室内空气质量的研究正日益成为新的重要课题。随之而来的是在气溶胶对人体危害研究的新发展。由于室内空气普遍含有带放射性的氧,氧在衰变过程中产生了大量的分子团,其大小远远小于过去所研究的粒子。以往研究的大气气溶胶粒子往往是半径大于拼的粒子,正处于布朗沉淀与惯性沉淀效率的低谷处。这种粒子就大多能顺利地通过人体头部鼻腔系统,最终在肺部沉淀下来。这就是以往对气溶胶的肺部沉淀问题研究较多的原故。现在氧的分子团大小远远小于。正处在布朗沉淀效率的峰值之处。

于是这种粒子在人体头部鼻腔系统中的沉淀问题就突出起来。

第三,气溶胶对全球气候变化的影响也是当前气溶胶科学中的一个重大课题。整个大气就是一个气溶胶系统。其中有来自少、类活动所产生的气溶胶,占总质量的一。因此,在讨论当代重大的全球气候变化的模式中就不能不把气溶胶的影响包括在内。然而,气溶胶的气候效应，目前研究水平还很低远不是像温室气体那样其影响已搞得很清楚气溶胶粒子究竟对全球气候起增温作用、还是冷却作用,目前仍模糊不清,也缺少全球范围的大气气溶胶监测资料。加强对全球范围大气气溶胶的探测,并加强对其气候效应的研究是目前的一个紧迫任务。

三、气溶胶粒子的物理性质

1、粒子的分类：粉尘——固体物质的细小微粒。烟——由燃烧和凝结生成的细小微粒。烟雾——是烟的一个类型，由升华，凝结，氧化而形成。雾——由水蒸气及其他气体凝结而成的悬浮液滴。

2、粒子的形状：近似立方体——粒子的三个方向的尺寸有大致相同的大小；板状——在两个方向上有比第三个方向上更大的尺寸；针状——在一个方向上有比其他方向更大的长度。

3、粒径分布：通过直方图、频率和累计百分数、密度函数来估算粒径分布，有时也利用单一粒径来描述气溶胶的粒子分布，如形态直径、中位直径和平均直径。

粒径分布函数：正态分布——符合正态分布的气溶胶是极少见的，但它是各

种分布的基础；对数正态分布——是广泛使用的分布，可用来描述大气中气溶胶及生产过程中的粉尘；具有尘粒上限的对数正态分布——描述最大粒径适用，如喷雾的粒径分布；韦布尔分布——适用生产过程中的粉尘，具有一极限最小粒径的气溶胶分布；洛森-莱姆莱尔分布——用来描述比较粗的粉尘和雾是韦布尔分布的特殊情况；洛莱尔分布——描述粉状工业材料；贯山-棚泽分布——雾化产生的气溶胶。

4、气溶胶粒子粒径范围的分类：自由分子区、过渡区、滑动区、连续区。

四、气溶胶粒子的空气动力捕获——纤维过滤理论

1、过滤就是借助于多孔介质从分散介质中分离分散粒子的过程。对于气溶胶粒子的纤维过滤，参与过滤的因素为分散介质、分散粒子和纤维材料。

分散粒子以以下因素决定其特征：粒子的大小，粒子的粒径分布，粒子形状、密度，电荷、粒子的化学组成和浓度。

分散介质的因素：气流速度，气体密度，绝对温度、压力、粘性和湿度。

纤维材料的因素：几何尺寸——过滤面积和厚度、纤维的直径、组成过滤器的纤维结构、过滤器的孔隙率和荷电情况。

过滤过程的基本参数是收集效率、过滤阻力和容尘特性（更换与再生的时间）。分为稳定过滤和非稳定过滤两个状态。初期属于稳定过滤，随着容尘量的增加，逐渐进入非稳定过滤状态。

2、纤维过滤器分为充填过滤器和单层过滤器，后者又称为袋式过滤器，

纤维过滤器的捕尘机理是截留——粒子到纤维的距离小于粒子的半径时，被捕获。

惯性沉降——纤维大多垂直放置在气流方向上，在纤维附近气流流线发生弯曲，由于粒子的惯性，粒子将不随流线的弯曲而射向纤维并沉降到纤维表面。随着粒子直径的增大和气流流速的增加，惯性沉降作用也随之增大。

扩散沉降——由于布朗运动，粒子的运动轨迹不予气体流线一致，粒子从气流中可以扩散到纤维上并沉降到纤维的表面，直径越小，布朗运动越明显，扩散沉降越显著增加。

重力沉降——由于重力作用，粒子有一定的沉降速度，将从而是粒子的轨迹偏离流线轨迹接触到纤维表面而沉降。