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温度场中气溶胶颗粒运动与传热传质研究

作　者: 陈治良
导　师: 朱家骅
学　校: 四川大学
专　业: 化学工程
关键词: 气溶胶颗粒不均匀温度场热泳力浮力液滴传热传质扩散
分类号: O648.18
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

气溶胶颗粒在温度场中的运动与传热传质研究,对了解大气中水份蒸发、凝结和PM2.5迁移机理以及多相化学反应过程均有重要意义,国内外对此进行了大量研究,对温度梯度作用于颗粒产生的热泳力、温度梯度对传热传质的影响提出了多种模型。本文在前人工作基础上,采用理论分析、计算及数值模拟方法,分析研究了温度梯度条件下气溶胶颗粒与气相介质的传热传质及运动受力。首先研究了温度场中水蒸汽的扩散,表明温度变化和组分扩散对气体性质产生影响。温度梯度又影响气体组分扩散,对气体性质产生影响。重力场中,热浮力与soret效应产生的浮力的相对大小决定了体系的稳定性。当热浮力小于soret效应产生的浮力,即soret效应使较轻的分子富积在下部,而这种因素又占主导的话,上部空气较重而沉积,原有的温度梯度就会被破坏,原来的热泳力转变成湍流作用对颗粒产生的作用力。这种效果能增强热量传递和使体系温度均匀当下部冷端的水蒸汽浓度超过饱和水蒸汽浓度时,水蒸汽开始凝结,凝结的结果使水蒸汽不断由高温向低温扩散,从而加强了水蒸汽扩散与热流的传递。温度梯度不但影响各类气体分子组分浓度的重新分布,还影响气体分子的扩散,即温度梯度下的扩散系数与均匀温度条件下的扩散系数是有差别的。采用化学势为推动力,推导出了在对流存在情况下,温度梯度对于水蒸汽扩散影响作用的公式：方程式中,xA为水汽的摩尔分数,D为扩散系数,c为水蒸汽的浓度,S为水汽的摩尔熵,Cp为摩尔热容,R为气体常数。该方程式计算表明温度梯度能在较大程度上减缓水汽由高温向低温的扩散,但能增强由低温向高温的扩散。采用直接对扩散通量求导的方法,推导出的温度梯度对于水蒸汽扩散影响作用的公式：以上方程式中D0为298K时的扩散系数,T为温度,c为浓度,△I为温度梯度对扩散通量的影响。以上两个温度梯度对扩散影响的公式计算结果一致。水蒸汽在空气中,质量较轻,还会产生浮力,这种浮力既影响气体浓度分布,又影响组分扩散。不少研究者都指出了这种影响,但尚未有定量研究的报道。本文采用Nikolai Kocherginsky方法,并将各种影响因素归结到化学势中,定量表达水汽比空气轻的浮力因素对水蒸汽浓度分布及其扩散的影响。当温度恒定,除浮力(重力)外其它因素都相同的情况下,考虑浮力(重力)因素对扩散的影响时,推导出的重力因素对扩散的影响：D为扩散系数,c为混合气体摩尔密度,Mig为空气对水汽的浮力。当浮力方向与扩散方向一致时,浮力的效果是增强扩散；反之则反。在本研究中,热浮力、soret效应及水汽重力因素产生的浮力效应,都使气体上部密度低而下部密度高,阻止了上部空气沉降,从而形成稳定的浓度梯度。对各种颗粒与介质的传热传质模型进行了比较研究,从中选择了合适的颗粒传热传质方程,并表达为努塞尔数Nu和舍伍德数Sh与雷诺数Re准数关联式,Re由颗粒与空气相对运动速度计算。水滴(液态颗粒)与气相介质的传热包括水汽蒸发或凝结所吸收或释放的热量、颗粒与介质间的导热、介质温度与颗粒温度差异所携带的热量。计算这些不同形式的热量,颗粒表面与环境介质的温度差及水汽含量差有重要影响。当颗粒与环境温度相差不大,而水汽含量差较大时,水滴蒸发或凝结所释放热量占主导地位；当颗粒与环境温度相差较大,而水汽含量差较小时,颗粒与介质间的对流传热或导热占主导地位。通常情况下,水蒸汽由于介质温度与颗粒温度差异所携带的热量相对于其它两种热量较小,但当颗粒表面与环境气体温度相差较大时,水蒸汽由于介质温度与颗粒温度差异所携带的热量变得较大,忽略这种热量会造成误差。在饱和情况下,颗粒与介质物质能量交换达到动态平衡,物质和能量净的交换量为0。对于不饱和空气,水滴在空气中蒸发使温度降低。随着空气相对湿度降低,颗粒吸收热量与释放热量相等、与介质达到平衡时温度相差越大,平衡时交换的热量越多。在颗粒与气体没有相对速度的情况下,达到平衡的温度几乎与颗粒大小无关。除非是直径小到10-8m左右的颗粒,颗粒大小对饱和蒸汽压的影响一般不太明显。当颗粒相对于气体运动时,颗粒吸收和释放的热量相等时的平衡温度随颗粒大小的变化,主要是由于颗粒大小影响Nu与Sh值(影响其计算式中Re值)。即使颗粒与空气有相对运动速度,如果为饱和空气,颗粒与环境气体达到平衡时仍然没有净的物质和能量传递。不饱和空气在与颗粒有相对运动速度时,相对运动速度能增加颗粒与气体的物质和能量传递,但对达到平衡的温度影响很小,因为这种相对速度促进了颗粒蒸发、吸收较多能量,也能促进空气能量向颗粒的传递。当相对速度较大时,蒸汽扩散量显著增加,忽略扩散气体由于颗粒与介质气体间温差传递的热量可能会导致较大的误差,这种形式的能量在颗粒与气体没有相对速度时,相对于其它能量传递形式往往是非常小的,可以忽略。对不均匀温度场中惰性颗粒（与周围气体没有物质交换）及活性颗粒（颗粒蒸发或凝结）的受力运动进行了研究。静止在气体中的颗粒（或相对运动速度非常小的情况下）的受力主要包括重力、热泳力、saffman升力等。热泳力是温度梯度环境中才存在的力，是由于温度梯度造成颗粒受到不均匀碰撞动量引起。研究表明，对极小颗粒，布郎力起决定性作用；对较大颗粒，重力起决定性作用。大颗粒不必考虑布郎力和热泳力，对于10-9m以下的细小水珠，重力和热泳力也不必考虑。研究表明，不均匀温度条件下运动的水滴,由于水滴的蒸发或凝结,颗粒温度变化是使各处颗粒温度趋于相互接近。高温处颗粒要么蒸发较多，吸收较多热量，要么凝聚较少，释放较少热量。低温处颗粒要么蒸发较少，吸收较少热量，要么凝聚较多，释放较多热量。

全文目录

摘要  3-6
Abstract  6-10
目录  10-14
第一章大气中的颗粒物  14-18
  1.1 大气中的颗粒物  14-15
  1.2 研究大气中颗粒物的重要意义  15-18
    1.2.1 在环境保护、污染防治方面的重要意义  15-16
    1.2.2 对于气候的影响  16
    1.2.3 在化学反应中的作用  16
    1.2.4 在其它方面的重要意义  16-18
第二章空气温度场中颗粒运动及物质能量传递研究进展  18-48
  2.1 介质气体的物质和能量传递  18-23
    2.1.1 扩散概述  18-19
    2.1.2 分子扩散与热扩散  19-21
    2.1.3 气体扩散及温度变化对气体性质的影响  21
    2.1.4 组分重力因素对扩散的影响  21-22
    2.1.5 温度梯度下的质量、动量、能量方程  22-23
  2.2 大气中颗粒受力研究进展  23-33
    2.2.1 拉力、浮力与重力  23-24
    2.2.2 虚拟质量力、magnus力、压力梯度力、Basset力  24-25
    2.2.3 布郎力、Saffman 升力  25-26
    2.2.4 热泳力  26-32
    2.2.5 扩散作用产生的力  32
    2.2.6 尚需研究的方面  32-33
  2.3 大气中颗粒与气体物质和能量交换的研究进展  33-42
    2.3.1 通常的方法  34-37
    2.3.2 Yong 模型  37-38
    2.3.3 Gyarmathy 模型  38-39
    2.3.4 Mason 方程 (MAS)  39-40
    2.3.5 CLP 模型  40
    2.3.6 严格数值解模型（DEQ）  40-41
    2.3.7 过渡区传热传质方程的系数校正模式  41
    2.3.8 其它方面  41-42
    2.3.9 颗粒传热传质尚需研究的方面  42
  2.4 气体颗粒两相流的性质  42-48
    2.4.1 两相浓度  42-43
    2.4.2 两相密度  43-44
    2.4.3 两相流体的比热与导热系数  44-45
    2.4.4 两相流体的粘度  45-48
第三章研究问题的提出与模型选用  48-68
  3.1 温度梯度条件下体系物质和能量传递  48-58
    3.1.1 参数与温度变化的问题  48-49
    3.1.2 湿空气的参数设置  49-58
  3.2 大气中的颗粒受力  58
  3.3 大气中颗粒与气体的物质能量交换  58-60
  3.4 数值模拟模型的选取  60-61
    3.4.1 VOF 模型  60
    3.4.2 Mixture 模型  60
    3.4.3 Eulerian 模型  60-61
    3.4.4 离散相模型  61
  3.5 数值模拟的空间模型与边界条件  61-63
    3.5.1 计算空间与参数设置  61-63
    3.5.2 边界条件与分散相模型设置  63
  3.6 离散相模型  63-64
  3.7 采用 P1 辐射模型  64-68
    3.7.1 P-1 模型简介  64-65
    3.7.2 P-1 模型各相异性散射  65
    3.7.3 P-1 模型中颗粒的影响  65-66
    3.7.4 P-1 模型的壁面边界条件处理  66-67
    3.7.5 P-1 辐射模型的流动入（出）口处边界条件的处理  67-68
第四章空气温度场中物质和能量传递的理论分析  68-80
  4.1 概述  68-69
  4.2 水蒸汽的扩散  69-73
  4.3 采用非平衡态理论对体系的研究  73-77
  4.4 结论  77-80
第五章颗粒与环境气体的传热传质  80-116
  5.1 各种颗粒传热传质模型计算比较  80-86
    5.1.1 根据一般扩散公式进行的计算  80-82
    5.1.2 Vesala et al 公式  82-83
    5.1.3 根据扩散方程推导的公式计算  83-86
    5.1.4 当颗粒与空气有相对流动速度情况下的计算  86
  5.2 颗粒各种传递热量计算  86-104
    5.2.1 颗粒与气体热量传递的三种形式  86-90
    5.2.2 颗粒与介质气体没有相对速度的情况  90-93
    5.2.3 颗粒与介质气体有相对速度的情况  93-104
  5.3 颗粒与环境气体的传热传质过程  104-114
    5.3.1 颗粒与气体物质能量交换的初始阶段  105-107
    5.3.2 颗粒与气体达到温度平衡  107-114
  5.4 结论  114-116
第六章颗粒与空气两相流动的数值模拟  116-168
  6.1 颗粒在空气中的受力  116-145
    6.1.1 相关计算介绍  116
    6.1.2 热泳力对管中各部位颗粒运动作用的比较  116-122
    6.1.3 热泳沉积与颗粒直径、浓度、Kn 的关系  122-123
    6.1.4 各种受力比较及其影响  123-124
    6.1.5 各种受力作用下的颗粒温度与速度变化  124-145
    6.1.6 颗粒沉积率与 Kn 的关系  145
  6.2 颗粒与环境气体间的辐射传热  145-158
    6.2.1 辐射模型与数据设置  145-147
    6.2.2 数值模拟的结果  147-157
    6.2.3 结论  157-158
  6.3 水蒸汽颗粒的传热与传质  158-166
  6.4 总结  166-168
第七章结语和创新点  168-174
  7.1 结语  168-172
  7.2 本文创新点  172-174
符号说明  174-176
参考文献  176-186
附录  186-193
博士学习期间取得的成果  193-195
致谢  195-196

温度场中气溶胶颗粒运动与传热传质研究

内容摘要

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