納米顆粒在流場中的形成和演變過程研究.pdf

1、納米顆粒動(dòng)力學(xué)研究的是直徑在50nm以下的顆粒在各種物理場中的動(dòng)力學(xué)特性的演變過程以及納米顆粒和物理場的相互影響。納米顆粒的動(dòng)力學(xué)通常包括擴(kuò)散、成核、凝并（布朗凝并和湍流凝并）、團(tuán)聚或融合、破碎，凝結(jié)和蒸發(fā)、沉降、熱泳、電泳等。其中，成核、凝并和破碎現(xiàn)象更為常見，是工程應(yīng)用和日常生活涉及最廣的問題。
　　 納米顆粒懸浮系統(tǒng)中，由于顆粒數(shù)量巨大，即使是稀相狀態(tài)，也不可能對其中的每個(gè)顆粒進(jìn)行研究；從科研和工程應(yīng)用的角度看，人們也更加

2、關(guān)注納米顆粒的分布模式、濃度、顆粒粒徑、表面積等統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)。因此，研究納米顆粒懸浮系統(tǒng)一般并不關(guān)注單個(gè)顆粒的個(gè)體行為，而對顆粒群整體表現(xiàn)出來的性質(zhì)更為感興趣，這就決定了采用歐拉或場模型來描述納米顆粒的數(shù)學(xué)物理模型更為合適。格子玻爾茲曼方法(LBM)作為基于顆粒群描述的一種數(shù)值方法，具有天然的優(yōu)勢。本文初步研究了LBM的邊界條件，提出一種新的基于插值方法的邊界條件提法，并證明其具有空間二階精度。
　　 起源于Smoluchows

3、ki平均場理論的通用動(dòng)力學(xué)方程(GDE)是目前研究最多、應(yīng)用最廣的控制方程。由于GDE的強(qiáng)非線性的特征，很難得到一般意義的解析解，甚至直接數(shù)值求解GDE也因?yàn)槠湫蔬^低而很少被采用。將GDE轉(zhuǎn)化成矩方程是一個(gè)理想的選擇，但也會(huì)因此引出矩方程的封閉性問題。本文從該角度研究了直接積分矩方法封閉矩方程的理論和實(shí)踐過程，以此研究了若干凝并和破碎的典型問題，給出了直接積分矩方法和積分矩方法以及GDE精確解之間的精度和效率以及穩(wěn)定性比較。
　

4、　 成核作用和凝并作用是納米顆粒動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)最重要的課題，兩者往往同時(shí)發(fā)生又相互影響。一個(gè)典型的范例就是硫酸和水蒸汽二元體系中納米顆粒的生成和生長過程。在該系統(tǒng)中，水蒸汽的存在會(huì)導(dǎo)致硫酸蒸汽發(fā)生成核作用，形成主要成分為硫酸稀溶液的納米小顆粒，且顆粒的生成率并不遵循純物質(zhì)成核規(guī)律。同時(shí)成核作用產(chǎn)生的大量納米顆粒隨后會(huì)由于相互碰撞而發(fā)生凝并現(xiàn)象。多種物質(zhì)成核是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，很難通過解析直接給出相應(yīng)的表達(dá)式。對于硫酸蒸汽和水蒸汽二元體

5、系而言，采用參數(shù)化方程刻畫其成核過程是一個(gè)簡單而又高效的辦法。參數(shù)化方程根據(jù)硫酸蒸汽的濃度、空氣的濕度和溫度給出當(dāng)?shù)氐募{米顆粒相應(yīng)的成核率和臨界半徑，它在大氣污染和柴油動(dòng)力汽車尾氣排放問題有廣泛的應(yīng)用。
　　 顆粒和流場的相互作用長久以來一直是多相流問題研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。通常納米顆粒的濃度呈現(xiàn)稀相狀態(tài)，因此往往采用單向耦合模型而忽略納米顆粒對流場的影響。納米顆粒的尺寸特性又決定了流動(dòng)的Stokes數(shù)較小，顆粒對流動(dòng)具有很好的跟隨

6、特性，因此納米顆粒更容易受到流場以及由流動(dòng)產(chǎn)生的其他物理場梯度的影響。本文研究了自由剪切流中的擬序渦結(jié)構(gòu)對納米顆粒生成過程、生長過程以及擴(kuò)散過程的影響，得出了湍流場中的顆粒數(shù)密度、體積密度和平均粒徑等重要參數(shù)的分布特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，又研究了公路上行駛的柴油動(dòng)力汽車尾氣排放過程中，納米顆粒的生成、生長和稀釋擴(kuò)散過程，給出了不同駕駛模式下顆粒的相關(guān)參數(shù)的分布和發(fā)展，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 本文的研究成果，為LBM研究