根據(jù)圖6(a)所示，隨著表面張力的增加，液橋的最大高度和顆粒聚并時間呈現(xiàn)出遞減趨勢。液膜表面張力系數(shù)為0.030N/m時，液橋最大高度為0.109μm，液膜表面張力系數(shù)為0.072N/m時，液橋最大高度為0.081μm，降低了24.7%。這是因為表面張力的增加導致液體表面趨于收縮，分子之間更加緊密地排列，從而使液橋的高度減小。同時，表面張力系數(shù)較大的液橋對顆粒有更強的吸引力，使顆粒更快被拉回液膜表面，加快了濕顆粒的聚并過程。圖6(b)顯示了表面張力變化對各能量損耗部分的影響。非彈性碰撞引起的能量損失Ec對表面張力的變化不敏感，大約占初始動能的30%。由壓差阻力引起的能量損失Ep是主要損耗部分，并且隨著表面張力系數(shù)的增加而顯著增加，當液膜表面張力系數(shù)為0.072N/m時，Ep占比總動能損失的47.9%。表面張力系數(shù)更大的液膜表面更加穩(wěn)定，需要更大的力來改變表面形狀或面積，這種力的存在引起了表面附近的壓力差異，形成壓差阻力。隨著表面張力增大，壓差阻力迅速增加，導致顆粒速度減慢和反彈高度減少，液橋力的作用距離也隨之縮短。

圖6   液橋行為特性及表面張力對能量損失的影響分析

3.2 液膜厚度的影響

液膜厚度是影響濕顆粒黏附的關鍵參數(shù)之一。在初始釋放速度設為10m/s、液體表面張力系數(shù)固定為0.072N/m的模擬條件下，液膜厚度從0.05Rp增加至0.25Rp時濕顆粒碰撞過程的變化。根據(jù)模擬結果，不同液膜厚度的濕顆粒都均遵循類似的運動模式：液膜變形、反彈和聚并或分離。在所有情況下，顆粒1在最高點處的動能都完全耗盡，隨后在液橋力和重力的共同作用下被拉回液膜表面，與顆粒2聚并在一起。整個碰撞過程中液橋保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生破裂。值得注意的是，隨著液膜厚度的增加，液體體積相應增加，但處于相同運動階段的液橋高度卻逐漸降低。

液膜直徑對液橋最大高度，顆粒與液膜接觸至發(fā)生碰撞所需時間的影響。當液膜厚度為0.05Rp時，液橋最大高度為0.34μm，隨著液膜厚度的增加，液橋高度迅速減小，液膜厚度為0.25Rp時，液橋最大高度僅為0.34μm。液膜厚度為0.05Rp時兩顆粒在0.006μs發(fā)生碰撞，隨著厚度的增加，顆粒在接觸液膜后需要進一步下降以克服更大的阻力，導致其速度迅速減小，從而延長了從接觸液膜到發(fā)生碰撞的時間，當液膜厚度為0.05Rp時，碰撞時間延長至0.06μs。液膜厚度對能量耗散的影響，由壓差阻力引起的能量損失Ep是主要損耗部分，隨著液膜厚度增加，Ep顯著增加。當液膜厚度達到0.25Rp時，壓差阻力損失占比達到57.4%。此外，液膜增加也導致液橋變寬，液橋高度更低，表面張力做功的范圍增大，但作用距離減小，Esf變化較小，約占總能量損失的22%。黏性阻力引起的能量損失最少，占總能量損失的10%以下，因此可以忽略其影響。

3.3 碰撞前相對速度的影響

在顆粒碰撞過程中，撞擊速度是影響其反彈和黏附行為的關鍵因素之一。在顆粒法向碰撞過程中，改變碰撞前相對速度顯著地影響了液橋的形態(tài)。模擬中液膜厚度被控制為0.05Rp，液體的表面張力系數(shù)為0.072N/m。顆粒1的初始釋放速度在10~20m/s之間變化。結果顯示，當釋放初速度達到10m/s時，濕顆粒經歷了接近、碰撞和聚并的三個明顯階段。然而，隨著顆粒的初速度升至15m/s和20m/s，顆粒1在碰撞反彈，液橋也變得更長更細，最終導致液橋斷裂。此外，初速度更高的濕顆粒在拉伸過程中形成的液橋也相應地達到了更高的高度。

撞擊速度對液橋最大高度和碰撞時間的影響。碰撞前相對速度從10m/s增加至20m/s，濕顆粒碰撞時間從0.006μs縮短至0.002μs。由于速度更高的顆粒具有更高的初始動能，使得顆粒更能抵抗表面張力束縛，實現(xiàn)更顯著的液橋拉伸，碰撞前相對速度為20m/s時，液橋最大高度能達到0.757μm，較10m/s時增加了0.417μm。碰撞前相對速度對能量耗散的影響，隨著撞擊速度的提高，耗散能量占初始動能的比例由100%減少到73.6%，顆粒分離時總動能并未被完全消耗。在較低初始速度時，顆粒最終發(fā)生聚并，壓差阻力引起的Ep是最主要的能量損耗，占總動能損失的41.2%；而初始速度增大后，顆粒最終分離，表面張力成為主要的能量耗損部分，Esf最高占總動能損失的39.1%。

4 結論

通過耦合VOF模型、CSF模型和重疊網(wǎng)格模型，對微米級濕顆粒的法向碰撞過程進行了直接數(shù)值模擬。分析了表面張力、液滴直徑和碰撞前相對速度對顆粒運動行為及其動能耗散的影響，為提升濕顆粒聚合效率，進而設計更高效的除塵系統(tǒng)提供了理論支持。得出以下主要結論。

（1）濕顆粒法向碰撞過程通常包括液膜變形、反彈和聚并或分離等運動模式，并且相對速度在15m/s以下時，顆粒更可能發(fā)生聚并現(xiàn)象。相對速度大于15m/s時，顆粒發(fā)生碰撞分離，此時動能損失主要是由表面張力引起的。

（2）表面張力增加會提高液橋對顆粒的吸引力，加速顆粒的聚并過程。壓差阻力造成的能量損失是動能耗散的主要來源，當液膜表面張力系數(shù)為0.072N/m時，壓差阻力占總動能損失的47.9%。

（3）隨著液膜厚度增加，顆粒速度減小、反彈高度降低，同時液橋寬度增加，擴大了表面張力的作用面積，加強了液橋橫向收縮，反彈高度從而進一步降低。