納米顆粒在流場(chǎng)中的形成和演變過程研究.pdf

1、納米顆粒動(dòng)力學(xué)研究的是直徑在50nm以下的顆粒在各種物理場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)特性的演變過程以及納米顆粒和物理場(chǎng)的相互影響。納米顆粒的動(dòng)力學(xué)通常包括擴(kuò)散、成核、凝并（布朗凝并和湍流凝并）、團(tuán)聚或融合、破碎，凝結(jié)和蒸發(fā)、沉降、熱泳、電泳等。其中，成核、凝并和破碎現(xiàn)象更為常見，是工程應(yīng)用和日常生活涉及最廣的問題。
　　 納米顆粒懸浮系統(tǒng)中，由于顆粒數(shù)量巨大，即使是稀相狀態(tài)，也不可能對(duì)其中的每個(gè)顆粒進(jìn)行研究；從科研和工程應(yīng)用的角度看，人們也更加

2、關(guān)注納米顆粒的分布模式、濃度、顆粒粒徑、表面積等統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)。因此，研究納米顆粒懸浮系統(tǒng)一般并不關(guān)注單個(gè)顆粒的個(gè)體行為，而對(duì)顆粒群整體表現(xiàn)出來的性質(zhì)更為感興趣，這就決定了采用歐拉或場(chǎng)模型來描述納米顆粒的數(shù)學(xué)物理模型更為合適。格子玻爾茲曼方法(LBM)作為基于顆粒群描述的一種數(shù)值方法，具有天然的優(yōu)勢(shì)。本文初步研究了LBM的邊界條件，提出一種新的基于插值方法的邊界條件提法，并證明其具有空間二階精度。
　　 起源于Smoluchows

3、ki平均場(chǎng)理論的通用動(dòng)力學(xué)方程(GDE)是目前研究最多、應(yīng)用最廣的控制方程。由于GDE的強(qiáng)非線性的特征，很難得到一般意義的解析解，甚至直接數(shù)值求解GDE也因?yàn)槠湫蔬^低而很少被采用。將GDE轉(zhuǎn)化成矩方程是一個(gè)理想的選擇，但也會(huì)因此引出矩方程的封閉性問題。本文從該角度研究了直接積分矩方法封閉矩方程的理論和實(shí)踐過程，以此研究了若干凝并和破碎的典型問題，給出了直接積分矩方法和積分矩方法以及GDE精確解之間的精度和效率以及穩(wěn)定性比較。
　

4、　 成核作用和凝并作用是納米顆粒動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)最重要的課題，兩者往往同時(shí)發(fā)生又相互影響。一個(gè)典型的范例就是硫酸和水蒸汽二元體系中納米顆粒的生成和生長(zhǎng)過程。在該系統(tǒng)中，水蒸汽的存在會(huì)導(dǎo)致硫酸蒸汽發(fā)生成核作用，形成主要成分為硫酸稀溶液的納米小顆粒，且顆粒的生成率并不遵循純物質(zhì)成核規(guī)律。同時(shí)成核作用產(chǎn)生的大量納米顆粒隨后會(huì)由于相互碰撞而發(fā)生凝并現(xiàn)象。多種物質(zhì)成核是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，很難通過解析直接給出相應(yīng)的表達(dá)式。對(duì)于硫酸蒸汽和水蒸汽二元體

5、系而言，采用參數(shù)化方程刻畫其成核過程是一個(gè)簡(jiǎn)單而又高效的辦法。參數(shù)化方程根據(jù)硫酸蒸汽的濃度、空氣的濕度和溫度給出當(dāng)?shù)氐募{米顆粒相應(yīng)的成核率和臨界半徑，它在大氣污染和柴油動(dòng)力汽車尾氣排放問題有廣泛的應(yīng)用。
　　 顆粒和流場(chǎng)的相互作用長(zhǎng)久以來一直是多相流問題研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。通常納米顆粒的濃度呈現(xiàn)稀相狀態(tài)，因此往往采用單向耦合模型而忽略納米顆粒對(duì)流場(chǎng)的影響。納米顆粒的尺寸特性又決定了流動(dòng)的Stokes數(shù)較小，顆粒對(duì)流動(dòng)具有很好的跟隨

6、特性，因此納米顆粒更容易受到流場(chǎng)以及由流動(dòng)產(chǎn)生的其他物理場(chǎng)梯度的影響。本文研究了自由剪切流中的擬序渦結(jié)構(gòu)對(duì)納米顆粒生成過程、生長(zhǎng)過程以及擴(kuò)散過程的影響，得出了湍流場(chǎng)中的顆粒數(shù)密度、體積密度和平均粒徑等重要參數(shù)的分布特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，又研究了公路上行駛的柴油動(dòng)力汽車尾氣排放過程中，納米顆粒的生成、生長(zhǎng)和稀釋擴(kuò)散過程，給出了不同駕駛模式下顆粒的相關(guān)參數(shù)的分布和發(fā)展，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 本文的研究成果，為L(zhǎng)BM研究