异质凝结的动理论研究及在细颗粒物清除中的应用

Heterogeneous condensation is a very common phenomenon in atmospheric physics, gas cleaning technology, and multiphase flow, which is determined by a complicated microphysical process. Especially in the separation of submicron particle from gas, the heterogeneous condensation as a preconditioning technique can improve the particle removal efficiency substantially. In this proposal, we shall study the complex mechanism of heterogeneous condensation by means of theory, computation and experiment, and optimize the particle removal technology which uses heterogeneous condensation. Firstly, a new kinetic model for heterogeneous condensation is proposed and is used to revise the formula of steady-state nucleation rate, to simulate the start-up process of condensation, and to calculate the growth rate of the droplet on particle. The new kinetic model can also be used to develop the physical model in the numerical simulation of multiphase flow. Then, for the technical optimization, we shall use the numerical simulation and experimental observation to investigate the effects of the ambient conditions and the particle properties on the particle removal efficiency. Finally, an optimized scheme for the particle removal technology using heterogeneous condensation will be developed. It is expected that our study will give a deep insight into the mechanism of heterogeneous condensation, and also provide a theoretical basis for the technical optimization in the practical particle removal.

异质凝结是一种常见的相变过程，而这种常见的宏观现象却由复杂的微观物理过程决定。异质凝结在自然环境和工业生产中十分普遍，特别是近年来随着大气细颗粒物污染日益严重，异质凝结在工业细颗粒物去除中已成为一种新型有效的预处理手段。本申请拟从理论、数值和实验三方面来研究异质凝结的复杂机理，进而优化异质凝结促进细颗粒物清除的技术。首先，通过构建异质凝结的动理论模型，修正稳态成核率公式，发展多相流数值模拟方法，从微观上研究凝结的启动过程，计算液滴在颗粒表面的增长率，并模拟颗粒上凝结的完整过程。其次，采用数值方法，从宏观上系统研究外界条件对凝结的影响，进而考察对颗粒清除效率的影响。最后，结合机理性和系统性实验，模拟利用异质凝结促进细颗粒物清除过程，提出优化方案。通过该研究，可以揭示异质凝结的现象和规律，也可为实际清除细颗粒物技术发展与优化提供理论基础。

异质凝结是一种常见的相变过程，而这种常见的宏观现象却由复杂的微观物理过程决定。异质凝结在自然环境和工业生产中十分普遍，特别是近年来随着大气细颗粒物污染日益严重，异质凝结在工业细颗粒物去除中已成为一种新型有效的预处理手段。本项目采用理论、数值和实验结合的办法研究了异质凝结的复杂机理，发展了相应的物理模型和数值方法，搭建了系列实验平台，为优化异质凝结促进细颗粒物清除的技术提供了理论基础。.首先建立了一套更加完善准确的异质凝结动理论。从相变物理和热力学出发，综合文献数据，对已有的异质凝结动理论模型进行考察和评估，综合考虑异质凝结中的多种机制和线张力的影响，考虑颗粒的不同性质对凝结的影响，建立了一套适用于不同系统的、更加完善准确的异质凝结动理论模型；利用新建的动理论模型考察异质凝结的一般规律，结合分子动力学方法，模拟了异质凝结的完整过程（启动、成核、增长）；修正了异质凝结中的稳态成核率公式，计算了小液滴在固体颗粒表面的增长率。.其次，发展了模拟伴随相变的多相流动的物理模型和数值方法。将经典矩方法推广到了异质凝结，并考虑了相间的滑移，实现了考虑相间滑移的矩方法；将异质凝结理论模型、矩方法与多相流耦合，构建一套完整控制方程，在保证计算的精度和速度的同时，提出合理的数值计算方法；模拟伴随异质凝结的多相流动过程，系统考察外界参数和颗粒性质对异质凝结的影响，并与实验进行了对比验证。 .最后，搭建了研究细颗粒物增长的实验平台：设计了一套高效荷电装置，搭建颗粒物带电的实验平台，实现大气细颗粒物的高效荷电，以便对大气细颗粒物的尺寸和浓度进行检测；设计出一套参数可控颗粒物吸湿长大系统，针对不同工作液（水、正丁醇等），实现颗粒物在过饱和蒸汽条件下的吸湿长大；初步完成一套可控的利用异质凝结促进细颗粒物清除的实验平台，包括粒子发生系统、吸湿长大系统、粒子清除及检测系统三部分；初步开展利用异质凝结促进细颗粒物清除的系统性实验。