1、由NordriDesign提供暨南大学暨南大学 环境工程系环境工程系 张春林张春林现代污染现代污染控制理论与技术控制理论与技术第三篇第三篇 大气污染控制理论与技术大气污染控制理论与技术LOGOPage 2主要内容主要内容气溶胶基本理论气溶胶基本理论大气污染物控制实例大气污染物控制实例-以电厂为例以电厂为例由NordriDesign提供01 01 气溶胶基本理论气溶胶基本理论参考书目：参考书目：1、气溶胶科学引论气溶胶科学引论，卢正永，卢正永2、现代除尘理论与技术现代除尘理论与技术，向晓东，向晓东LOGOPage 4n 气溶胶气溶胶(aerosols)u任何物质的固体微粒或（和）液体微粒悬浮于气
2、体介质（通常指空气）中所形成的，具有特定运动规律的整个分散体系。u包括两个部分组成：其一，被悬浮的微粒物，称为分散相；其二，承载微粒物的气体，称为分散介质。u微粒物悬浮于气体或液体分散介质中时，将受到气体或液体介质粘滞力的作用，具有一定的稳定性，此时的粒子类似于“溶胶”状。u简单的说，悬浮于空气中的微粒物。可以是固态，也可以是液态，更多的则是固态和液态两者的混合物。1.1 基本概念基本概念LOGOPage 5气溶胶的来源气溶胶的来源大气气溶胶的来源复杂，按照产生的过程分为大气气溶胶的来源复杂，按照产生的过程分为自然源和人为源。自然源和人为源。自然源主要来自于洋面气泡的破裂、土壤的风自然源主要来
3、自于洋面气泡的破裂、土壤的风蚀、生物的孢子花粉以及火山爆发、森林火灾蚀、生物的孢子花粉以及火山爆发、森林火灾等。等。人为源主要来自化石燃料燃烧、工农业生产活人为源主要来自化石燃料燃烧、工农业生产活动等；人为排放气态污染物在一定条件下的气动等；人为排放气态污染物在一定条件下的气粒转化过程也是大气气溶胶的一个重要来源。粒转化过程也是大气气溶胶的一个重要来源。LOGOPage 6n 粉尘（粉尘（dust）：悬浮于空气中的固体微粒：悬浮于空气中的固体微粒u最为通常的一种气溶胶。通常由粉碎、碾磨、爆破等各种机械作用形成。一般来说粒径都较大（1100m）。在静态空气条件下，一般没有再悬浮，粉尘在空气中的停
4、留时间不长。n 烟（烟（smoke）：有机性的可燃物质：有机性的可燃物质u由不完全燃烧而形成的固体粒子云，粒径一般较小，约在1m以下。在空气中沉降很慢或基本不沉降，在空气中停留时间长。u飞灰（fly ash）：有机物燃烧的残留物中的细微颗粒形成的气溶胶，粒径一般在10m以下，它们总是随烟一起弥散于大气之中。1.1.1气溶胶的形成与分类气溶胶的形成与分类LOGOPage 7n 烟尘（烟尘（fume）：非有机物的固体或液体物质在燃烧过程：非有机物的固体或液体物质在燃烧过程中形成的固体气溶胶中形成的固体气溶胶u通常在金属冶炼、焊接以及液体的蒸发、升华、溶解等过程中形成u在都市地区尤其突出n 雾（雾（
5、fog）u由液体（主要指水）喷射、蒸发、雾化、蒸汽冷凝等过程而形成的高浓度的液体气溶胶u雾是一种液滴，其形状为球形，粒径小，通常在1m以下u低浓度的微小雾滴均匀分布在空气汇总个，对太阳光发生闪射时会凸显特有的光学现象，即霾（haze）气溶胶的形成与分类气溶胶的形成与分类LOGOPage 8n 烟雾（烟雾（smog）：u烟（包括烟尘）与雾的混合体，是液体 气溶胶和固体气溶胶的混合物。u是大气污染的主要来源，特别是城市地区大气环境空气质量的主要障碍。气溶胶的形成与分类气溶胶的形成与分类LOGOPage 9德林卡和哈奇德粒状污染物分类方法德林卡和哈奇德粒状污染物分类方法分类名称粒径生成方式固体粒子粉
6、尘1100破碎、筛分、运输、机械加工、扬尘凝结固体烟雾0.11燃烧焊接、金属冶炼、熔解、蒸发、升华、凝聚烟0.0010.3木材、纸、布、油、煤、香烟等燃烧而形成液体粒子霭1100蒸汽的凝结、化学反应、液体喷雾等雾550水蒸气的凝结LOGOPage 10n 按气溶胶动力学性能分类按气溶胶动力学性能分类气溶胶的形成与分类气溶胶的形成与分类2/pKnd名称名称粒径范围粒径范围自由分子区自由分子区过渡区过渡区滑动区滑动区连续区连续区Kn10100.30.30.1dp/m0.41.3LOGOPage 11气溶胶的形成与分类气溶胶的形成与分类n 按粒径的大小：按粒径的大小：u总总悬浮颗粒物悬浮颗粒物(TS
7、P)：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集用标准大容量颗粒采样器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。到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。Dp(粒径粒径)在在100 m以下，其中多数在以下，其中多数在10 m以下，是分散在大气中的各种粒以下，是分散在大气中的各种粒子的总称子的总称。u飘尘飘尘：Dp 10 m能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如煤烟、烟能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。气、雾等。u降尘降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物。在能用采样罐采集到的大气颗粒物。在TSP中直径大于中直径大于30 m的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来，这部分颗粒物的粒子
8、由于自身的重力作用会很快沉降下来，这部分颗粒物称为降尘称为降尘。u可可吸入粒子：吸入粒子：易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。目前国际易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。目前国际标准化组织标准化组织(ISO)建议将其定为建议将其定为Dp10 m。u细细粒子：粒子：其粒径小于其粒径小于2.5 m，记为：，记为：PM2.5LOGOPage 12中国环境空气质量标准中中国环境空气质量标准中PM10、PM2.5的的相关相关标准标准 GB3905-2012美国环保局美国环保局1997年提出、年提出、2003年通过了年通过了PM2.5国家环境空气质量国家环境空气质量标准，规定标准，规定PM2.5的年均浓度
9、和日均浓度限值分别为的年均浓度和日均浓度限值分别为15和和65 g/m3。LOGOPage 13n 按颗粒物成因分按颗粒物成因分:分散性气溶胶分散性气溶胶：指固态或液态物质经粉碎、喷射形成微指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，如海浪分溅、农药喷小粒子分散在大气中形成的气溶胶，如海浪分溅、农药喷洒等。洒等。凝聚性气溶胶凝聚性气溶胶：由气体或蒸汽遇冷凝聚成液态或固态微由气体或蒸汽遇冷凝聚成液态或固态微粒而形成的气溶胶。粒而形成的气溶胶。气溶胶的形成与分类气溶胶的形成与分类LOGOPage 14n 气溶胶浓度气溶胶浓度u气溶胶浓度是指单位空气体积中气溶胶的某一物理量的量
10、值的大小u在不同的情况下，相对于不同的物理量则有不同的“浓度”粒子数浓度（l/m3）：单位空气体积中气溶胶粒子数质量浓度（kg/m3)：单位空气体积中气溶胶粒子的质量量活度浓度（Bq/m3）：放射性活度用所关注的某些特定物质（例如各种化学有毒物质）和微量元素（例如砷、硅等）的含量表征浓度值。u泛泛地说气溶胶溶度没有意义，必须指出是什么浓度气溶胶的表征量气溶胶的表征量LOGOPage 15n 气溶胶的粒度气溶胶的粒度u单分散度气溶胶u多分散度气溶胶：不同粒径大小，且具有一定分布规律u气溶胶的粒度分布：是指气溶胶的某一物理量相对于粒子大小的分布关系指明什么量与粒子大小的关系1.1.2 气溶胶的表征
11、量气溶胶的表征量气溶胶研究气溶胶研究：（1）气溶胶的形成和产生）气溶胶的形成和产生（2）气溶胶的各种运动规律）气溶胶的各种运动规律（3）气溶胶的各种基本技术（采样技术、测量技术、净化技术、通风）气溶胶的各种基本技术（采样技术、测量技术、净化技术、通风防尘技术等等）防尘技术等等）（4）气溶胶的各种效应（生物效应、大气环境影响效应等等）气溶胶的各种效应（生物效应、大气环境影响效应等等）LOGOPage 161.1.3 气溶胶粒子的粒径分布气溶胶粒子的粒径分布等效直径等效直径定义定义数学表达式数学表达式长度径长度径直径在一给定方向上测量直径在一给定方向上测量平均径平均径在多个方向上测量后取平均在多个
12、方向上测量后取平均投影周长投影周长径径有与粒子同样周长的圆的直径有与粒子同样周长的圆的直径投影面积投影面积径径有与粒子同样投影面积的圆的直径有与粒子同样投影面积的圆的直径表面积径表面积径有与粒子同样表面积的圆的直径有与粒子同样表面积的圆的直径体积径体积径与粒子同体积的球的直径与粒子同体积的球的直径斯托克斯径斯托克斯径与粒子同密度和同沉降速度的球的与粒子同密度和同沉降速度的球的直径直径dl112niidd/dP4/pdA/sdA36/dV18padgLOGOPage 171.1.4 气溶胶粒子的分形几何特征气溶胶粒子的分形几何特征对于形状不规则的尘粒，如何描述其大小和群体几何特征呢？对于形状不规
13、则的尘粒，如何描述其大小和群体几何特征呢？提出了平均径、等效径、球形度、形状系数等概念，提出了平均径、等效径、球形度、形状系数等概念，其中等效径用得最普遍。其中等效径用得最普遍。这种等效径是粗糙的，有条件的。这种等效径是粗糙的，有条件的。例如用空气动力分离机理除尘时，同等密度得球形尘粒比等效体积相例如用空气动力分离机理除尘时，同等密度得球形尘粒比等效体积相同的扁平或条形尘粒易分离；同的扁平或条形尘粒易分离；在静电及过滤分离机理中，无论用空气动力径，还是等效体积径，不在静电及过滤分离机理中，无论用空气动力径，还是等效体积径，不规则尘粒比接近球形的尘粒易捕集。规则尘粒比接近球形的尘粒易捕集。某种除
14、尘器，其分级效率随产尘的生产工艺不同而不同，即与产尘的某种除尘器，其分级效率随产尘的生产工艺不同而不同，即与产尘的物理、化学过程有关。物理、化学过程有关。对于多个尘粒凝聚在一起所形成的对于多个尘粒凝聚在一起所形成的“松而不散松而不散”的链状粉尘团，似乎的链状粉尘团，似乎引入任何概念都失去了效力。引入任何概念都失去了效力。用分形几何来描述某一粉尘群的几何特征用分形几何来描述某一粉尘群的几何特征LOGOPage 18n 自相似和分维自相似和分维分形理论简介分形理论简介由分割尺度比为由分割尺度比为r的的 个相似图形构成，指数个相似图形构成，指数D称为相似维数称为相似维数1/DNrlog/log 1/
15、DNr Koch曲线的构造曲线的构造由全体缩小由全体缩小1/3的的4个相似形构个相似形构成的：成的：N=4，r=1/3其维数为其维数为D=lg4/lg3=1.2618LOGOPage 19粉尘的分形几何特征粉尘的分形几何特征描述某一类粉尘的分形几何特征的前提是：描述某一类粉尘的分形几何特征的前提是：(1)对于凝聚尘，若组成该尘团的颗粒数超过数十个，无论多少，满足近似对于凝聚尘，若组成该尘团的颗粒数超过数十个，无论多少，满足近似自相似；自相似；(2)对于单一尘，无论大小，满足统计自相似。对于单一尘，无论大小，满足统计自相似。凝聚尘的分形几何特征凝聚尘的分形几何特征:研究者讨论了凝聚尘的某些等效径
16、和分维的关系研究者讨论了凝聚尘的某些等效径和分维的关系1/32123,DoptbadsbabdC ddC d dC d 迁移率等效径，即其沉降速度与球形尘粒相同的粒径迁移率等效径，即其沉降速度与球形尘粒相同的粒径(如如Stokes径径)，m；投影等效径，投影等效径，m；吸附等效径，吸附等效径，m；空气动力等效径，空气动力等效径，m；常数。常数。bdoptdadsdad1,23,C C C对于单体布朗扩散凝聚，凝聚尘的对于单体布朗扩散凝聚，凝聚尘的三维空间分维三维空间分维D=2.102.18。LOGOPage 20n 粉尘的粒度和形态是除尘技术的主要研究内容之一，而粉尘几乎不存在完全粉尘的粒度和
17、形态是除尘技术的主要研究内容之一，而粉尘几乎不存在完全规则的几何形状。规则的几何形状。n 为描述粉尘的粒度和形态，人们引入了等效径、形状系数、球形度等概念。为描述粉尘的粒度和形态，人们引入了等效径、形状系数、球形度等概念。这些概念都是与规则球体相比较来定义的，因此，无法反映出粉尘粒子复杂这些概念都是与规则球体相比较来定义的，因此，无法反映出粉尘粒子复杂多变的几何特征。多变的几何特征。粉尘的分形几何特征粉尘的分形几何特征单一尘的分形几何特征单一尘的分形几何特征:1pDppd2ADpSd1APDD p颗粒周长，颗粒周长，m；S颗粒表面积，颗粒表面积，m2；与虽小自相似结构有关的常数；与虽小自相似结
18、构有关的常数；D周边分维数；周边分维数；DA表面积分维数。表面积分维数。1,2 LOGOPage 21用吸附参数计算分形维数用吸附参数计算分形维数在吸附实验中，当被吸附气体的相对压力在在吸附实验中，当被吸附气体的相对压力在P/P00.37范围以内，可以认为气体范围以内，可以认为气体分子主要在微孔内发生单分子层吸附，其吸附情况能够完全反映固体的表面结分子主要在微孔内发生单分子层吸附，其吸附情况能够完全反映固体的表面结构特征。构特征。rPPlnK0式中，式中，为相对吸附量，为相对吸附量，Vm为为BET计算得到的单层吸附容积计算得到的单层吸附容积(ccg)，V为在相对吸附压力为在相对吸附压力P/P0
19、时的时的N2吸附容积（吸附容积（cc/g）；）；r3D，D为气体吸附的表面分形维数。为气体吸附的表面分形维数。mV/VLOGOPage 22 粉尘分形几何特征在除尘技术中的应用探讨粉尘分形几何特征在除尘技术中的应用探讨采用分维可以更科学地描述粉尘的几何特征，主要用于以下几方面采用分维可以更科学地描述粉尘的几何特征，主要用于以下几方面:分维数的不同表征了粉尘表面曲折变化的复杂程度。如周边分维分维数的不同表征了粉尘表面曲折变化的复杂程度。如周边分维Dp或表或表面积分维面积分维DA越大，表示周边越曲折多变或表面积越大；如果二维平面分维越大，表示周边越曲折多变或表面积越大；如果二维平面分维DS或三维空
20、间分维或三维空间分维D越小，表示粉尘越不规则。越小，表示粉尘越不规则。引入分维的粉尘粒度分布函数更能从数学上精确严格地反映实际粉尘的引入分维的粉尘粒度分布函数更能从数学上精确严格地反映实际粉尘的分布特征。分布特征。对于不同类型的粉尘，只要分维数相同，在相同的运行条件下，某种除对于不同类型的粉尘，只要分维数相同，在相同的运行条件下，某种除尘设备对它们的收尘性能相同，这样，就增强了不同除尘设备之间的可比尘设备对它们的收尘性能相同，这样，就增强了不同除尘设备之间的可比性。性。周边分维周边分维表面积分维表面积分维二维平面分维二维平面分维三维空间分维三维空间分维12PD23AD12SD13D各种分维数及
21、变化范围各种分维数及变化范围LOGOPage 23气溶胶粒子的分形几何特征气溶胶粒子的分形几何特征工业生产过程中产生的烟尘和颗粒物具有分形结构，采用传统的颗粒学中的工业生产过程中产生的烟尘和颗粒物具有分形结构，采用传统的颗粒学中的粒度定义是有条件的，分维数能更合理地表示粉尘的几何特征，如粉尘的粒粒度定义是有条件的，分维数能更合理地表示粉尘的几何特征，如粉尘的粒度及分布；度及分布；对某一类粉尘，因无论大小，满足统计自相似，则整个粉尘群的分维近似为一对某一类粉尘，因无论大小，满足统计自相似，则整个粉尘群的分维近似为一常数，因此，只要测取若干个常数，因此，只要测取若干个(最好不少于最好不少于20个个
22、)大小不同的单一尘的分维，取大小不同的单一尘的分维，取其平均值即代表整个粉尘群的分维。若有多个尘粒胶结在一起，仍可当单一尘其平均值即代表整个粉尘群的分维。若有多个尘粒胶结在一起，仍可当单一尘处理，这不会影响其统计结果：处理，这不会影响其统计结果：在确定粉尘分维时，测量码尺在确定粉尘分维时，测量码尺 存在一个合理的取值范围，对于凝聚尘，测存在一个合理的取值范围，对于凝聚尘，测量码尺量码尺 可取单体直径的可取单体直径的0.11；对于单一尘，；对于单一尘，可取颗粒直径可取颗粒直径 的的12015；表面积分维表面积分维DA和三维空间分维和三维空间分维D对描述粉尘的几何特征尤为重要对描述粉尘的几何特征尤
23、为重要在除尘技术中，确定单一尘分维是重要的，但关于单一尘的分形几何特征研在除尘技术中，确定单一尘分维是重要的，但关于单一尘的分形几何特征研究还处在刚起步阶段，所以，在单一尘分维的测试方法上，在不同种类粉尘究还处在刚起步阶段，所以，在单一尘分维的测试方法上，在不同种类粉尘的最小自相似结构的确定及各类粉尘的分维数数据库的建立等方面有着广泛的最小自相似结构的确定及各类粉尘的分维数数据库的建立等方面有着广泛的研究课题。的研究课题。LOGOPage 241.2 气溶胶的动力学特性气溶胶的动力学特性LOGOPage 25气溶胶动力学特性气溶胶动力学特性处于悬浮状态的气载性微粒物质处于悬浮状态的气载性微粒物
24、质-气溶胶气溶胶粒子粒子使粒子处于悬浮状态的气体介质使粒子处于悬浮状态的气体介质抑制粒子的随机运动抑制粒子的随机运动支撑粒子反抗其重力影响，在粒子支撑粒子反抗其重力影响，在粒子之间起缓冲衰减作用。之间起缓冲衰减作用。气溶胶的动力学特性涉及气载粒子及气溶胶的动力学特性涉及气载粒子及气体介质两部分的各自特性及其相互气体介质两部分的各自特性及其相互间的相关特性间的相关特性LOGOPage 261.2.1空气的性质空气的性质微观：微观：从分子运动学的观点，空气可以被视为由许多被此间处于随机运从分子运动学的观点，空气可以被视为由许多被此间处于随机运动的小球（分子动的小球（分子)、而在整体上又处于有规律的
25、约束中的一个无限、而在整体上又处于有规律的约束中的一个无限整体所组成整体所组成u在所研究的空气中具有无限大量的气体分子；在所研究的空气中具有无限大量的气体分子；u每个空气分子的大小与其分子间的间距相比是很小的，而且彼每个空气分子的大小与其分子间的间距相比是很小的，而且彼此在每次碰撞前一直处于连续的直线运动状态；此在每次碰撞前一直处于连续的直线运动状态；u空气分子是球形，除了弹性碰撞以外彼此间不发生有能量交换空气分子是球形，除了弹性碰撞以外彼此间不发生有能量交换的其它相互作用。的其它相互作用。宏观：宏观：从空气动力学的观点，空气可以被视为一种累不有其约束力的、从空气动力学的观点，空气可以被视为一
26、种累不有其约束力的、像水一样不可分的连续流体介质。像水一样不可分的连续流体介质。LOGOPage 27空气的性质空气的性质摩尔体积：摩尔体积：u1mol空气在非标准条件下的体积空气在非标准条件下的体积u标态下：标态下：24.02L分子数及分子间距：分子数及分子间距：在任何温度与压力下，每升空气中的分子数为：在任何温度与压力下，每升空气中的分子数为：n=Va/Vm标标态下，态下，1cm3空气中的分子数为空气中的分子数为2.51019分子之间的间距为：分子之间的间距为：s=（Vm/NA)1/2标标态下：态下：s=3.410-7（cm）空气分子的运动速度空气分子的运动速度:各空气分子的运动速度不同，
27、相对于平均速度的分布遵从麦克斯韦各空气分子的运动速度不同，相对于平均速度的分布遵从麦克斯韦尔尔-波厄兹曼分布波厄兹曼分布 算术平均速度：算术平均速度：均方根速度均方根速度已知空气压力已知空气压力p和空气密度和空气密度g，可简化估算式：，可简化估算式：LOGOPage 28空气的性质空气的性质空气的平均动能：空气的平均动能：20时，时，1m球形粒子所获得的平均能量为球形粒子所获得的平均能量为 6.07X10-21J空气的平均自由能空气的平均自由能20时，时，=6.9510-6cmLOGOPage 29空气的性质空气的性质空气的粘滞特性：空气的粘滞特性：表示气体分子或气溶胶粒子在空气中运动时所受到
28、的粘滞表示气体分子或气溶胶粒子在空气中运动时所受到的粘滞阻力或摩擦阻力阻力或摩擦阻力动力粘度：动力粘度：代表气体分子动量转移的规律代表气体分子动量转移的规律u动力粘度与空气温度有关，且随温度的升高而粘滞阻力增大。动力粘度与空气温度有关，且随温度的升高而粘滞阻力增大。u一般情况下，动力粘度与空气压力无关。一般情况下，动力粘度与空气压力无关。u气体的动力粘度与温度和压力的关系与液体介质的粘度和温度的关系正气体的动力粘度与温度和压力的关系与液体介质的粘度和温度的关系正好相反。好相反。空气的扩散特性空气的扩散特性:气体分子的扩散运动使得分子从高浓度向低浓度转移。气体分子的扩散运动使得分子从高浓度向低浓
29、度转移。空气分子扩散用扩散系数空气分子扩散用扩散系数D表征表征:LOGOPage 30空气动力学理论空气动力学理论-雷诺数雷诺数从宏观看，空气可以视为一种不可分的，不可压缩而又具有重力的连续流体介从宏观看，空气可以视为一种不可分的，不可压缩而又具有重力的连续流体介质，其运动模式可以用雷诺数质，其运动模式可以用雷诺数Re来表征：来表征：Re定义为：物体周围的空气（流体）介质由于加速或减速而引起的惯性力定义为：物体周围的空气（流体）介质由于加速或减速而引起的惯性力与由于空气（流体）粘滞特性而引起的粘滞摩擦力之比：与由于空气（流体）粘滞特性而引起的粘滞摩擦力之比：1/运动粘度运动粘度Re是一个无量纲
30、参数，其大小直接描述了流体介质（如空气）在一个物体是一个无量纲参数，其大小直接描述了流体介质（如空气）在一个物体（如气溶胶粒子）周围的流动模式：（如气溶胶粒子）周围的流动模式：高高Re，说明流动以惯性力为主，此时的流动属于，说明流动以惯性力为主，此时的流动属于湍流湍流；低低Re，说明运动以粘滞力为主，此时的流动属于，说明运动以粘滞力为主，此时的流动属于层流运动层流运动；居间的居间的Re，运动呈湍流和层流之间的，运动呈湍流和层流之间的过渡过渡性不稳定状性不稳定状LOGOPage 31Re例，估算由例，估算由1m的粒子组成的气溶胶在一内径为的粒子组成的气溶胶在一内径为25cm的管道内以的管道内以2
31、.5m/s的速度运动时气溶胶流的流动模式的速度运动时气溶胶流的流动模式空气在管道内运动的空气在管道内运动的Re：气溶胶粒子相对于空气或空气相对于气溶胶的运动：气溶胶粒子相对于空气或空气相对于气溶胶的运动：流动条件流动条件物体（粒子）在静止流体中运动的物体（粒子）在静止流体中运动的Re流体在管道内流动的流体在管道内流动的Re层流110004000载带气溶胶粒子的空气流相对于管壁面而言是湍流运动，而气溶胶粒子与空气载带气溶胶粒子的空气流相对于管壁面而言是湍流运动，而气溶胶粒子与空气之间则是一种层流运动。之间则是一种层流运动。LOGOPage 321.2.2 气溶胶粒子的沉降运动气溶胶粒子的沉降运动
32、Stocks定律：定律：Stocks假设：假设：（1）空气是一种连续、不可压缩、只具有粘滞特性的无限流体介质；）空气是一种连续、不可压缩、只具有粘滞特性的无限流体介质；（2）所载带的粒子为球形的刚性粒子）所载带的粒子为球形的刚性粒子2242pSdfC斯托克斯斯托克斯(Stokes)区区 =24Re Re1 得著名的斯托克斯阻力公式得著名的斯托克斯阻力公式 SC3pfdLOGOPage 33n 滑移修正滑移修正气溶胶粒子的沉降运动气溶胶粒子的沉降运动颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动坎宁汉修正坎宁汉修正pDp31.1011.2570.400e
33、xp()2/8 (m),(m/s)0.499 其中努森数d uFCCKnKndKnRTvMv进一步可简化：进一步可简化：LOGOPage 34n 滑移修正滑移修正气溶胶粒子的沉降运动气溶胶粒子的沉降运动坎宁汉修正因子坎宁汉修正因子粒子直径粒子直径d（m）100101.00.10.010.001C1.0011.1081.1763.01523.776232.54对对1m以下的粒子，修正是很明显的，以下的粒子，修正是很明显的，对对10m以上的粒子，以上的粒子，C1，可以不用修正，可以不用修正LOGOPage 35不同不同Kn数范围流体及颗粒特点数范围流体及颗粒特点区区 域域Kn数的范围数的范围 特特
34、 点点 dp（m）连续介连续介质区质区 1.3滑流区滑流区 103101 速度滑移和温度跳跃区，速度滑移和温度跳跃区，0.4过渡区过渡区 10110 区域中的气体平均自由程区域中的气体平均自由程与特征长度与特征长度dp 同一量级，气体分子之间的碰撞和同一量级，气体分子之间的碰撞和气体分子与壁面之间的碰撞对气体同气体分子与壁面之间的碰撞对气体同等重要，连续介质不成立。等重要，连续介质不成立。0.010.4自由分自由分子流区子流区 10 气体分子平均自由行程气体分子平均自由行程远大于特征长远大于特征长度度dp，分子对壁面的碰撞占主导，可，分子对壁面的碰撞占主导，可忽略分子间的碰撞忽略分子间的碰撞
35、0.01LOGOPage 36n 惯性力影响的修正惯性力影响的修正气溶胶粒子的沉降运动气溶胶粒子的沉降运动Stock定律假定空气介质只具有粘滞特性，意味着粒子运动只受粘滞力，定律假定空气介质只具有粘滞特性，意味着粒子运动只受粘滞力，而没有考虑惯性力。而没有考虑惯性力。粒子在运动速度增大或粒子直径增大是，粒子具有明显的惯性力，粒子在运动速度增大或粒子直径增大是，粒子具有明显的惯性力，stock定律不能成立。定律不能成立。一般在一般在Re4283.512ka0.70.740.680.680.660.620.63不规则形状粒子的动力学形状因子不规则形状粒子的动力学形状因子LOGOPage 40空气动
36、力学当量直径空气动力学当量直径Def：空气动力学当量直径：空气动力学当量直径dae即一个任意密度和形状的气溶胶粒子，若即一个任意密度和形状的气溶胶粒子，若与一个单位密度（与一个单位密度（1g/cm3）的球形粒子具有相同的空气动力学特征时）的球形粒子具有相同的空气动力学特征时（具体说就是在静止空气中具有相同的沉降速度时），这个球形粒子的（具体说就是在静止空气中具有相同的沉降速度时），这个球形粒子的直径就是该气溶胶粒子所具有的空气动力学当量直径。直径就是该气溶胶粒子所具有的空气动力学当量直径。相比斯托克斯直径，空气动力学直径不仅强调了形状等效，还强调了相比斯托克斯直径，空气动力学直径不仅强调了形状
37、等效，还强调了密度等效。密度等效。已知：气溶胶粒子的几何直径已知：气溶胶粒子的几何直径dg，密度和表示不规则形状特征的形状，密度和表示不规则形状特征的形状因子，可换算出气溶胶粒子的空气动力学直径因子，可换算出气溶胶粒子的空气动力学直径daeLOGOPage 41空气动力学当量直径空气动力学当量直径已知一个密度为已知一个密度为的非球形粒子，可将其几何直径的非球形粒子，可将其几何直径dg等效为空气动力学直径。等效为空气动力学直径。例：一个几何直径例：一个几何直径dg=2.5m的煤尘粒子，计算其空气动力学直径的煤尘粒子，计算其空气动力学直径首先，需要知道煤尘粒子的密度，假定煤尘粒子密度按其母体物质煤
38、估首先，需要知道煤尘粒子的密度，假定煤尘粒子密度按其母体物质煤估算，为算，为=2.25g/cm3，其次，空气动力学形状因子其次，空气动力学形状因子ka为为0.7LOGOPage 42n 非刚性粒子的修正非刚性粒子的修正气溶胶粒子的沉降运动气溶胶粒子的沉降运动非固体物质形成的粒子（如液滴）为非刚性粒子；非固体物质形成的粒子（如液滴）为非刚性粒子；其运动特点是：在其内部产生自循环运动而减少其粒子表面的摩擦力，因而要其运动特点是：在其内部产生自循环运动而减少其粒子表面的摩擦力，因而要减少气体介质所施加给粒子的阻力。减少气体介质所施加给粒子的阻力。当当p远小于远小于p为形成粒子的母体物质的为形成粒子的
39、母体物质的动力粘度；动力粘度；为空气介质的动力粘度。为空气介质的动力粘度。LOGOPage 43气溶胶粒子的沉降气溶胶粒子的沉降空气中的粒子只受自身的重力和空气的粘滞阻力作用而无其他外力作用时将空气中的粒子只受自身的重力和空气的粘滞阻力作用而无其他外力作用时将发生沉降运动：发生沉降运动：3366ppppdvddgfdt经过一段时间后，阻力最终会等于重力，粒子保持匀速运动。此时的速度经过一段时间后，阻力最终会等于重力，粒子保持匀速运动。此时的速度称为最终沉降速度。将阻力代入上式，得最终沉降速度称为最终沉降速度。将阻力代入上式，得最终沉降速度43pptSgdC如在斯托克斯区，粒子的最终沉降速度为如
40、在斯托克斯区，粒子的最终沉降速度为218pptdgg驰豫时间驰豫时间218ppd物理意义：在空气中作自然沉物理意义：在空气中作自然沉降的粒子，无论其初始速度如降的粒子，无论其初始速度如何，终将达到一个稳定的沉降何，终将达到一个稳定的沉降速度，在达到这个恒定的沉降速度，在达到这个恒定的沉降速度之前所经历的时间速度之前所经历的时间即为即为粒粒子的弛豫时间子的弛豫时间截止距离截止距离 LOGOPage 44气溶胶的几个特性运动参数气溶胶的几个特性运动参数LOGOPage 45牛顿阻力定律牛顿阻力定律在高在高Re情况下，气溶胶粒子在气体介质中运动时会受到气体介质所施加的情况下，气溶胶粒子在气体介质中运
41、动时会受到气体介质所施加的阻力，这种阻力通常称为曳力（阻力，这种阻力通常称为曳力（drag）对于直径为对于直径为d，以速度，以速度运动的球形粒子所受到的阻力为：运动的球形粒子所受到的阻力为：pDpDp241 Stokes3 (N)ReCReFd u（层流）时 得到公式：当当1Re1000时，时，CD=0.44LOGOPage 46阻力系数阻力系数CD与与Re的关系的关系LOGOPage 47沉降末速度的估算沉降末速度的估算CD=f（Re）当当Re1000,当当1Re1000,如果已知粒子直径如果已知粒子直径d和颗粒密度和颗粒密度p，有，有查图，获得查图，获得Re值，由值，由 计算末计算末端沉降
42、速度端沉降速度LOGOPage 48沉降末速度的估算沉降末速度的估算当当1Re1000,如果已知末端沉降速度如果已知末端沉降速度vt和颗粒密度和颗粒密度p，有，有查图，获得查图，获得Re值，由值，由 计算末计算末端沉降速度端沉降速度LOGOPage 49粒子的曲线运动粒子的曲线运动气溶胶粒子作曲线运动的原因：气溶胶粒子作曲线运动的原因：u在静止的或是匀速运动的空气中，沿某一轴线运动的粒子受到在静止的或是匀速运动的空气中，沿某一轴线运动的粒子受到其它轴向外力的作用，或是外力随时间或位置改变而发生变化时，其它轴向外力的作用，或是外力随时间或位置改变而发生变化时，可能使粒子产生曲线运动；可能使粒子产
43、生曲线运动；u在流动的空气中，当流动空气流发生收缩、改变方向或是绕过在流动的空气中，当流动空气流发生收缩、改变方向或是绕过障碍物运动时，气体流线会发生弯曲，从而引起其中载带的粒子障碍物运动时，气体流线会发生弯曲，从而引起其中载带的粒子作曲线运动。作曲线运动。粒子受到的外力可分解为粒子受到的外力可分解为X方向和方向和Y方向。如果方向。如果Re1，则两方向上的力彼此，则两方向上的力彼此不受影响，可独立求解。不受影响，可独立求解。在静止空气中，以初始速度在静止空气中，以初始速度u0抛射出的粒子运动轨迹：抛射出的粒子运动轨迹：LOGOPage 50粒子的曲线运动粒子的曲线运动u在流动的空气中，当流动空
44、气流发生收缩、改变方向或是绕过在流动的空气中，当流动空气流发生收缩、改变方向或是绕过障碍物运动时，气体流线会发生弯曲，从而引起其中载带的粒子障碍物运动时，气体流线会发生弯曲，从而引起其中载带的粒子作曲线运动。作曲线运动。如粒子绕过障碍物运动时的曲线运动，其运动轨迹与粒子大小有关。粒子愈大，如粒子绕过障碍物运动时的曲线运动，其运动轨迹与粒子大小有关。粒子愈大，抗拒气流作曲线运动而继续维持原运动方向能力愈强。抗拒气流作曲线运动而继续维持原运动方向能力愈强。Stocks数数：粒子的截止距离同障碍物的特征长度之比：粒子的截止距离同障碍物的特征长度之比其物理意义：其物理意义：stocks数越小，粒子跟踪
45、空气流流线运动的情况越好；数越小，粒子跟踪空气流流线运动的情况越好；stocks数越大，粒子抗拒随流线运动的能力越强，即越能脱离流线而数越大，粒子抗拒随流线运动的能力越强，即越能脱离流线而维持原运动方向继续运动。维持原运动方向继续运动。LOGOPage 511.2.3气溶胶粒子的扩散气溶胶粒子的扩散气溶胶粒子的扩散是由于气体分子的随机热运动，碰撞粒子并使其内气溶胶粒子的扩散是由于气体分子的随机热运动，碰撞粒子并使其内系统的一部分输到另一部分的过程。在这一过程中，粒子没有特定的系统的一部分输到另一部分的过程。在这一过程中，粒子没有特定的运动方向。随机运动的结果使粒子总是由较高浓度的区域向较低浓度
46、运动方向。随机运动的结果使粒子总是由较高浓度的区域向较低浓度的区域扩散。的区域扩散。应用：应用：根据扩散理论所建立的浓度分布规律数学模型对通风工程、空气净化根据扩散理论所建立的浓度分布规律数学模型对通风工程、空气净化和空气质量评价等方面都具有十分重要的实用价值，和空气质量评价等方面都具有十分重要的实用价值，吸收壁扩散模型对于粒子输运与沉降过程的研究，以及用多孔填料吸吸收壁扩散模型对于粒子输运与沉降过程的研究，以及用多孔填料吸收污染物的净化机理研究均具有重要指导意义。收污染物的净化机理研究均具有重要指导意义。一些推导方法对建立有外力作用下气溶胶粒子的浓度分布表达式提供一些推导方法对建立有外力作用
47、下气溶胶粒子的浓度分布表达式提供了有用的参考。了有用的参考。LOGOPage 52扩散的基本定律扩散的基本定律费克费克(Fick)第一扩散定律第一扩散定律在各向同性的物质中，单位时间内通过单位面积的扩散物质的量在各向同性的物质中，单位时间内通过单位面积的扩散物质的量(又称通量又称通量)与与浓度梯度成正比，即浓度梯度成正比，即cFDx F通量，通量，kgm2s；D一一扩散系数，一一扩散系数，m2s；C质量浓度，质量浓度，kgm3。其扩散系数其扩散系数D由斯托克斯一爱因斯坦公式给出：由斯托克斯一爱因斯坦公式给出：/3BpDk TCud玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数，=1.3810-23 JK；T绝对温度
48、，绝对温度，K；BkBkLOGOPage 53扩散的基本定律扩散的基本定律费克费克(Fick)第二扩散定律第二扩散定律由于扩散作用，任何一点的气溶胶浓度还将随时间发生变化。对于各由于扩散作用，任何一点的气溶胶浓度还将随时间发生变化。对于各向同性的介质向同性的介质222222ccccDtxyz当在当在z方向上有速度为方向上有速度为u的介质运动时，流动项通常远大于在该方向上的的介质运动时，流动项通常远大于在该方向上的扩散项，有扩散项，有2222uccccDtyzx对于柱坐标，上式为对于柱坐标，上式为221uccccDtrrrx费克第二定律揭示了空间中某费克第二定律揭示了空间中某一点的气溶胶粒子由于
49、扩散所一点的气溶胶粒子由于扩散所引起的浓度随时间变化关系。引起的浓度随时间变化关系。LOGOPage 54粒子的平均自由程粒子的平均自由程气体分子与气溶胶粒子运动轨迹的比较气体分子与气溶胶粒子运动轨迹的比较气体分子做布朗运动的运气体分子做布朗运动的运动轨迹是首尾相接的折线，动轨迹是首尾相接的折线，折线的长短代表气体分子折线的长短代表气体分子的平均自由程的平均自由程气溶胶粒子的布朗运动轨气溶胶粒子的布朗运动轨迹则是连续的光滑曲线，迹则是连续的光滑曲线，因为光滑曲线，其平均自因为光滑曲线，其平均自由程为一种表观的平均自由程为一种表观的平均自由程由程气溶胶粒子的平均自由程定义为粒子在其运动中运动方向
50、每改变气溶胶粒子的平均自由程定义为粒子在其运动中运动方向每改变90o移动的相移动的相对距离。对距离。LOGOPage 55布朗旋转运动布朗旋转运动气溶胶粒子应受气体分子的随机碰撞可能发生旋转运动气溶胶粒子应受气体分子的随机碰撞可能发生旋转运动在时间在时间t内，直径为内，直径为d的粒子围绕一给定的旋转轴发生的旋转运动用均方旋的粒子围绕一给定的旋转轴发生的旋转运动用均方旋转角表示：转角表示：光柱中看到的微粒闪动即非规则形状的气溶胶粒子布朗旋转的结果。光柱中看到的微粒闪动即非规则形状的气溶胶粒子布朗旋转的结果。布朗旋转运动随粒径减小而剧烈加快布朗旋转运动随粒径减小而剧烈加快20m以上的粒子，其旋转频
