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象為直徑在1nm-1μm范圍內(nèi)的顆粒在流場中的動力學(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)動介于分子運(yùn)動理論和連續(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大過程的所有機(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、湍動剪切破碎以及顆粒在流場中的輸運(yùn)等。目前,國際上眾多的研究集中在對絕對稀相納米粒子多相流動的研究,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SE方程進(jìn)行處理,然后通

3、過泰勒展開技術(shù)對所得方程進(jìn)行封閉,得到了兼顧精度和效率的泰勒展開矩方法數(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,可以對全尺度范圍顆粒的碰撞問題進(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)重問題。由于顆粒形成過程中的較小時(shí)間尺度和顆粒體積的較小空間尺度等問題,在實(shí)驗(yàn)和理論研究方面,至今都沒有很大的突破。 本文把TEMOM模型應(yīng)用于對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、相對濕度和排氣管出口湍流強(qiáng)度對顆粒生成和增長特性的影響,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)。通過改變流場或者前驅(qū)物的濃度對納米顆粒生成

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,對由鈦氧化物(TTIP)分解產(chǎn)生的TiO2納米顆粒凝并體的生成過程進(jìn)行研究。這一部分的工作加深了人們對于燃燒流場中納米粒子動力學(xué)特性變化的了解,對實(shí)際工業(yè)過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)是研究過程中必需考慮的一