氣溶膠布朗凝并過程及其矩方法研究.pdf

1、地球外面覆蓋著厚厚的大氣層，大氣之于人類就如水之于魚，它提供了人們賴以生存的氧氣。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量的工業(yè)廢氣和汽車尾氣等富含微小顆粒物質(zhì)的污染氣體被排入大氣中，導致大氣中的顆粒物不斷增加。一旦顆粒物數(shù)量超出了環(huán)境的自凈能力，就會產(chǎn)生霧霾等環(huán)境問題，影響人們的生產(chǎn)生活和身體健康。
　　大氣和其所包含的微小顆粒物一起組成了被我們稱為氣溶膠的系統(tǒng)，理解氣溶膠系統(tǒng)中顆粒物的動力學行為有助于我們更好地理解大氣污染物的產(chǎn)生、傳播及演變

2、過程，也有助于我們更好地解決大氣污染問題。布朗凝并是顆粒間由于布朗運動而導致的碰撞粘著過程，它是氣溶膠顆粒諸多動力學過程中較為重要的一種。
　　本文的全部內(nèi)容都是圍繞著氣溶膠布朗凝并展開的，我們可以把這些研究內(nèi)容分成兩部分，一部分是關(guān)于氣溶膠布朗凝并效率函數(shù)的理論研究，另一部分是關(guān)于布朗凝并動力學過程數(shù)值求解方法的研究。本文首先考慮了近連續(xù)區(qū)布朗凝并中顆粒相互靠近時流體阻力改變和顆粒間范德華力對凝并效率的影響。本文假設(shè)在計算氣體中

3、顆粒的阻力系數(shù)時，可以認為其周圍作布朗運動的其他顆粒都是靜止的。當顆粒相互靠近時，本文考慮了氣體在顆粒表面的滑移作用和顆粒間的范德華力相互作用。利用經(jīng)典的布朗凝并效率計算模型，可以通過數(shù)值積分方法求得不同條件下的凝并效率。
　　對于連續(xù)區(qū)和自由分子區(qū)氣溶膠系統(tǒng)，即當氣溶膠顆粒尺寸遠遠大于和遠遠小于氣體分子平均自由程時，布朗凝并效率分別可以利用擴散理論和分子運動論給出。然而，當顆粒尺寸和氣體分子平均自由程相當時，即對于過渡區(qū)氣溶膠系

4、統(tǒng)來說，這兩種理論便雙雙失效。在這種情況下，研究者通常會把顆粒輸運過程分成擴散過程和自由分子運動過程兩個階段。本文把原來的自由分子運動過程替換成了受切向相對運動影響的擴散過程。該模型的基本思想是:顆粒間的切向相對運動會導致兩顆粒相互遠離，從而減小顆粒間的碰撞概率。在給定的邊界條件下同時求解兩個過程的微分方程，并匹配自由分子區(qū)的布朗凝并效率，最終可以導出計算過渡區(qū)凝并效率的表達式。利用該表達式，可以求出近連續(xù)區(qū)凝并效率理論失效時所對應的顆

5、粒尺寸。
　　在氣溶膠布朗凝并過程的數(shù)值求解方面，本文主要涉及了兩種常用的方法，即分區(qū)方法和矩方法。在分區(qū)方法方面，本文通過在傳統(tǒng)分區(qū)方法中引入分區(qū)近似因子的方式推導了不同的分區(qū)近似模型，并對不同近似模型的計算精度做了比較。在矩方法方面，本文在泰勒展開矩方法的基礎(chǔ)上給出了氣溶膠達到自保持分布后的漸近行為，同時也推導了氣溶膠系統(tǒng)達到自保持分布所需的時間?；谔├照归_矩方法同時利用分區(qū)方法的計算結(jié)果，本文又提出了一種能準確預測“真實”

6、氣溶膠漸近行為的修正型矩方法，即當氣溶膠系統(tǒng)達到自保持分布后，該矩方法可以準確預測其尺寸演變情況。通過量綱分析，本文還得出了只包含前三階矩量的矩方法導出的矩量演化方程所應滿足的一般表達式。該表達式中包含一個和特定矩方法有關(guān)的系數(shù)，不同的矩方法對應了不同的系數(shù)形式，在此基礎(chǔ)上，本文提出了矩方法的圖像表示法。利用泰勒展開矩方法的思想，本文提出了一種新的利用泰勒級數(shù)展開方法來封閉矩量演化方程的直接展開矩方法。通過變量替換，可以在矩量演化方程中