亚微米及纳米颗粒两相湍流的研究

亚微米及纳米颗粒两相湍流具有普遍性、特殊性、复杂性和重要性，但仍存在尚未弄清的问题。本项目建立考虑湍流脉动对颗粒凝并、破碎、晶核化或化学反应成核等影响的双向耦合模型，揭示颗粒与湍动的相互作用，给出较完善的颗粒凝并率表达式和决定颗粒最终尺度谱分布的参数。建立颗粒朗之万动力学方程和新生成颗粒浓度方程并探索数值模拟方法，揭示湍流脉动与颗粒生成之间的相互影响。建立包含湍动作用和颗粒对流体反作用项的混合方程模型，探索多松弛时间的格子Boltzmann计算方法及流固运动边界的处理方法，给出在湍流和布朗运动作用下的颗粒碰撞率。揭示球形颗粒消光效率与颗粒动力学之间的关系，给出颗粒瞬时动态消光效率的计算方法。建立非球形颗粒动力学演变方程及相应的颗粒动态消光效率数学模型，获得非球形颗粒在不相关散射条件下的消光效率。建立基于矩方法动力学演变的球形颗粒消光效率数学模型，给出矩方法下颗粒动力学演变过程中的消光效率。

亚微米及纳米颗粒两相湍流广泛存在于自然界且具有重要的实际应用。本项目1）建立了将凝并系数用泰勒级数展开的矩方法，求解对象从圆球拓展到具有分数维的聚集体，适用于颗粒因湍流而产生凝并、破碎、凝结和晶核化的流场和多种动力过程和多模式情形；用该方法求解得到的结果，不仅与原有方法给出的结果有相同的精度，而且大大减少了计算量。2）提出了在Smoluchowski平均场理论框架内采用双变量模型对颗粒数浓度以及颗粒表面积浓度同时追踪描述的新方法；揭示了在结晶成核、凝并以及浓缩存在条件下的连续相以及离散相间的传质机理。3）揭示了由凝并-沉降-注射机理主导下的颗粒尺度谱演变机理，研究了纳米颗粒双峰分布的变化特征和控制机制，更正了以单纯总颗粒数为标准的判定方法，为解决纳米颗粒环境标准的制定问题提供了依据。4）获得100至800纳米的颗粒在弹性力、范德华力和阻力作用情况下，撞击平板后的附着效率，给出了表征附着效率与粒径、撞击角关系的新表达式。5）对两个椭圆形颗粒沉降时的相互作用进行了研究，发现颗粒沉降时经历从稳定状态到混沌状态的转变，且存在两个不同的混沌状态，研究结果给出了区别两种状态的临界点。6）研究了圆管中颗粒对于流场稳定性和湍流转捩的影响，发现在压力梯度不变且雷诺数为1500时，流场失去其稳定性。当流量保持不变时，在低颗粒体积分数情况下，较大颗粒容易引发湍流的转捩，但是当颗粒体积分数超过一临界值时，较大颗粒却会延迟转捩。7）对圆柱状纳米颗粒在圆管中的流动进行数值模拟，说明摩擦因子随Re数增加而减小，Nusselt数正比于Re数和颗粒浓度及长径比；给出了摩擦因子、Nusselt数作为Re数、颗粒浓度和长径比函数的表达式。8）用FMPS对煤燃烧排放的超细颗粒粒径进行测量，说明超细颗粒数浓度粒径谱呈对数双峰分布，燃烧时超细颗粒数浓度随时间呈指数增长，各模态颗粒数浓度与煤粉量呈线性关系。