基于“相变-凝并-冷凝”过程的大气气溶胶细微颗粒两相湍流研究

The effect of turbulent fluctuation in the evolution of "nucleation-coagulation-condensation" multi-dyanmical processes remains unclear today in the turbulent fine particle-laden atmoshperic aerosol two-phase flow due to the multi-scale characteristices in turbulence and particle size distribution, making it difficult to establish precise and reasonable numerical models in this research field. Based on this, the project aims to reveal the interaction between the turbulence and the above dynamical processes at microscopic scale, and further to establish the general models for systems involving the dispersed and multi-dynamics processes for atmospheric aerosols. Three main aspects are expected to be achieved (1) the establishment of a pseudo Particle Point Approach (PPA) suiting for "nucleation-coagulation-condensation" multi-dyanmical processes, the application of digital holography technique, making to reveal the mechanism of the effect of turbulence on various dynamic processes; (2) the establishment of the mesoscopic Eulerian model for multi-scale, phase-space coupling, and four-way coupling processes; (3) improve the study on CFD-PBE related to LES and RANS turbulent method, reveal the physical meaning of the additional fluctuation term due to the averaged solution for PBE equation, and establish the corresponding closure mode. The above research is expected to broaden the range of two-phase flow study of atmospheric aerosols of fine particles, and to provide a reasonable basis for practical applications.

大气气溶胶细微颗粒两相湍流中由于并存"相变-凝并-冷凝"多动力学过程，且湍流空间结构和颗粒大小分布呈现多尺度性特征，导致湍流脉动在上述动力学过程演变中的作用机制至今仍不明确，从而难以建立精确合理的数值计算模型。基于此，本项目拟通过在湍流微观尺度揭示湍流与上述动力学过程之间的作用关系，建立适用于多分散、多动力学过程的普适计算模型，重点完成如下三方面工作： ①建立适用于"相变-凝并-冷凝"机制的拟PPA直接数值模拟计算方法，并联合数值全息实验测量技术，揭示湍流对各动力学过程的影响作用机制；②建立基于泰勒展开矩方法封闭、并考虑Phase-Space耦合模式的多尺度、四向耦合介观欧拉模型；③完善基于LES和RANS的CFD-PBE研究方法，揭示由于平均化处理PBE方程产生的附加脉动项的物理意义，并建立相应的封闭模式。通过以上研究，拓宽气溶胶细微颗粒两相湍流研究范围，并为实际应用提供理论依据。

本项目基于目前在大气气溶胶细微颗粒系统研究中，湍流脉动在“相变-凝 并-冷凝”多动力学过程中的作用不明确，以及本领域中 CFD-PBE 研究方法和模型存在缺陷性问题，拟通过在湍流微观尺度揭示两相动力学演化机理，建立适用于大气气溶胶多分散、多动力学过程的普适计算矩方法模型。在项目执行过程中，项目组严格按照项目计划执行，根据4个年度，分期完成了预期目标。截止目前，受本项目资助，共正式或者在线发表SCI论文11篇，其中在知名评述性期刊Reviews in Chemical Engineering一篇，在世界最权威气溶胶力学期刊Journal of Aerosol Science 和Aerosol Science and Technology发表4篇，目前在审稿阶段2篇。受本项目资助，项目申请人作为第一作者发表SCI论文10篇。以本项目研究目标作为主要研究方向，项目负责人申请并获批建设浙江省省财政“气溶胶科学与技术实验室”，受省财政资助额度100万元，有力的支撑了本项目实验部分的工作。目前，已经建成包括颗粒生成、颗粒粒径谱测量、均匀各向同性实验腔等系统，用以气溶胶动力学问题的研究。