摘要

微細(xì)顆粒不僅是造成霧霾的主要原因，還會(huì)攜帶可吸附有毒物質(zhì)進(jìn)入人體肺部，危害人體健康。異質(zhì)凝結(jié)技術(shù)作為最有前景的除塵技術(shù)之一，通過在顆粒表面形成液膜有效提高了氣固分離效率。然而，目前對(duì)微米級(jí)濕顆粒的碰撞和聚并機(jī)制尚未完全明確。本文針對(duì)微米級(jí)可凝結(jié)濕顆粒，基于Fluent軟件構(gòu)建了耦合兩相流動(dòng)、連續(xù)表面張力模型和重疊網(wǎng)格的模型，研究微米級(jí)濕顆粒碰撞過程中顆粒和液橋的動(dòng)態(tài)變化過程。通過分析表面張力系數(shù)、液膜厚度和碰撞前相對(duì)速度對(duì)顆粒碰撞行為的影響，總結(jié)了碰撞過程顆粒動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律及能量耗散情況，為改善濕顆粒的聚合效果和提升除塵性能提供了理論基礎(chǔ)。結(jié)果表明，濕顆粒在法向碰撞中遵循液膜變形、反彈和聚并或分離的運(yùn)動(dòng)模式。同時(shí)，減小液膜表面張力系數(shù)、減小液膜厚度、提高碰撞前相對(duì)速度都會(huì)使液橋高度增加。在動(dòng)能耗散方面，壓差阻力和表面張力引起的能量損失是主導(dǎo)因素，而黏性阻力的能量損失可忽略不計(jì)。

空氣污染被認(rèn)為是對(duì)人類健康最大的環(huán)境威脅，可凝結(jié)顆粒和可過濾細(xì)顆粒物（PM10）的過量排放是形成霧霾天氣的重要原因。PM2.5細(xì)顆粒物通過呼吸道被人體吸入后可深入至細(xì)支氣管和肺泡，進(jìn)而引發(fā)呼吸疾病，危害身體健康。目前工業(yè)上針對(duì)可凝結(jié)顆粒和可過濾細(xì)顆粒的排放控制手段主要以靜電除塵和濕式洗滌為主，但這些方法對(duì)微細(xì)顆粒的脫除效率并不理想，且除塵能耗和成本較高。近年來，異質(zhì)凝結(jié)技術(shù)因其低成本、高效率的特點(diǎn)成為脫除細(xì)微顆粒最有前景的技術(shù)之一。該技術(shù)利用蒸汽相變凝結(jié)原理，使得細(xì)微顆粒被液膜包裹，增加了顆粒慣性，提高了顆粒碰撞聚并效率，從而大幅提升了除塵裝置性能。

不同于干燥顆粒間的碰撞，濕顆粒碰撞涉及氣-液-固三相的復(fù)雜過程，不僅與顆粒表面物性參數(shù)有關(guān)，還受到液膜性質(zhì)和相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。在潮濕環(huán)境下，顆粒接觸表面間形成的液橋會(huì)增加毛細(xì)力進(jìn)而引起額外的能量損失和質(zhì)量傳遞。目前，由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)困難和機(jī)理復(fù)雜，微米級(jí)濕顆粒的碰撞聚并過程研究較少。且多數(shù)研究中為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略了顆粒之間的碰撞聚并。為了研究濕顆粒碰撞過程中顆粒間隙液體的影響機(jī)制，有關(guān)學(xué)者開展了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究來理解其表面的固液相互作用關(guān)系。

早在1988年，Barnocky等通過實(shí)驗(yàn)研究了在覆蓋黏性流體的光滑石英表面上小球的反彈條件，確定了使球反彈的最小下落高度。此后Davis等、Crüger等、Gollwitzer等、Müller等又針對(duì)碰撞濕恢復(fù)系數(shù)與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Ma等將研究擴(kuò)展至切向碰撞，并比較了法向和切向碰撞恢復(fù)系數(shù)以及液橋破裂時(shí)間的差異性。與以往干顆粒與覆蓋液體層的平板的碰撞實(shí)驗(yàn)不同，Buck等對(duì)顆粒進(jìn)行濕潤處理，研究了毛細(xì)效應(yīng)對(duì)反彈結(jié)果的影響，更真實(shí)地反映了濕顆粒碰撞的過程。國內(nèi)李素芬教授團(tuán)隊(duì)通過改變不同變量研究了微米級(jí)顆粒在撞擊壁面時(shí)的反彈特性作用規(guī)律。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為了擺脫微觀實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)象表征時(shí)所面臨的局限性，在濕顆粒的碰撞過程中直接應(yīng)用數(shù)值模擬（direct numerical simulation，DNS）技術(shù)，有助于深入探究碰撞過程中的固液影響機(jī)制。在數(shù)值模擬方面，為了詳細(xì)描述顆粒沉降過程，Zhang等通過建格子玻爾茲曼-浸入邊界-離散單元方法描述氣固兩相運(yùn)動(dòng)，格子玻爾茲曼方法用于描述氣固兩相流體運(yùn)動(dòng)，顆粒運(yùn)動(dòng)通過浸入邊界法求解，顆粒間碰撞通過離散單元求解，并應(yīng)用該數(shù)學(xué)模型描述了顆粒沉降過程。Wu等則利用DNS研究了動(dòng)態(tài)液橋的形成，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了一種新的液橋形成模型，為理解與預(yù)測(cè)實(shí)際濕顆粒行為提供了重要工具。Fan等進(jìn)一步擴(kuò)展了這一領(lǐng)域研究，通過DNS方法研究了空氣中液滴和顆粒間的碰撞過程。他們發(fā)現(xiàn)碰撞過程中的動(dòng)能耗散主要是受到壓差阻力的影響，為理解氣-固兩相流提供了指導(dǎo)。

綜上所述，盡管在顆粒碰撞和濕顆粒聚并沉積過程的研究方面取得了一定的進(jìn)展，但關(guān)于濕顆粒的研究大多集中在“顆粒-平板”碰撞過程，這些研究往往只關(guān)注毫米級(jí)或更大尺寸球形顆粒。然而，隨著粒徑減小到微米級(jí)時(shí)，撞擊過程中顆粒重力可以忽略不計(jì)，表面張力將成為主導(dǎo)力之一，由于受力機(jī)制轉(zhuǎn)變，不同尺度濕顆粒碰撞聚并過程差異明顯。Wang等為了揭示顆粒速度與運(yùn)動(dòng)模式之間的關(guān)系，研究了疏水性微米顆粒撞擊液滴表面的行為，發(fā)現(xiàn)隨顆粒初速度的增加，粒子有浸沒、振蕩和反彈三種運(yùn)動(dòng)模式；Ji等進(jìn)一步探討了疏水性微米顆粒在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)特征以及氣液界面的變化情況；在此基礎(chǔ)上，Zhu等通過實(shí)驗(yàn)研究了微米顆粒撞擊液面后的穿透時(shí)間，并發(fā)現(xiàn)穿透時(shí)間隨撞擊速度變化而受到不同主導(dǎo)力的影響。這些研究主要集中在疏水性微米顆粒與液滴表面的相互作用，但對(duì)于包裹液膜的濕顆粒在碰撞過程中的動(dòng)態(tài)液橋形態(tài)、液橋力以及能量損耗的變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)較為局限。此外，由于針對(duì)微米級(jí)顆粒的實(shí)驗(yàn)研究較少，目前與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同行的模型驗(yàn)證也相對(duì)匱乏，還有待進(jìn)一步開展研究。

為揭示微米級(jí)濕顆粒碰撞的行為演化過程，本文從微觀層面研究凝結(jié)顆粒的法向動(dòng)態(tài)碰撞和聚并沉積機(jī)制，采用直接數(shù)值模擬方法通過重疊網(wǎng)格耦合求解流體體積、連續(xù)表面張力模型，建立了微米級(jí)凝結(jié)顆粒的碰撞動(dòng)力學(xué)模型并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，考察了微細(xì)凝結(jié)顆粒碰撞過程中氣液固界面的演化過程，探究了表面張力、液膜厚度、碰撞前相對(duì)速度對(duì)顆粒動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律及能量耗散的影響，為抑制凝結(jié)除塵技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用提供了一定的理論指導(dǎo)。