气溶胶力学第一章1-5

气溶胶力学气溶胶力学•气溶胶：气体介质中加入固态或液态粒子而形成的分散体系。•气溶胶力学：研究气溶胶粒子的形成.运动.沉降.飞扬.扩散和凝并的科学。第一章气溶胶粒子的物理性质•一气溶胶粒子的形态与分类•二气溶胶粒子的大小•三气溶胶粒子的形状•四气溶胶粒子的密度•五气溶胶粒子的其他性质•六气溶胶粒子的粒径分布•七气溶胶粒子的粒径分布函数•八气溶胶粒子的表面积•九气溶胶粒子的光学性质•十气溶胶粒子的电学性质•十一气溶胶粒子粒径范围的分类一气溶胶粒子的形态与分类•粒状污染物的分类方法有多种，在大气污染方面常用德林卡和哈奇德的分类方法，见下表。表1.1德林卡和哈奇德粒状污染物分类方法分类名称粒径生成方式固体粒子粉尘1～100破碎、筛分、运输、机械加工、扬尘凝结固体烟雾0.1～1燃烧焊接、金属冶炼、熔解、蒸发、升华、凝聚烟0.001～0.3木材、纸、布、油、煤、香烟等燃烧而形成液体粒子霭1～100蒸汽的凝结、化学反应、液体喷雾等雾5～50水蒸气的凝结二气溶胶粒子的大小•建立粒子粒径的概念是为了对固体或液体分散相进行分类,仅在球形粒子的特殊情况下才可用直径唯一的加以规定.对非球形粒子的一般情况,可用等效直径来规定粒子的大小.不规则粒子的大小可用等效径，又称当量径表示。表1.2列出了一些主要等效径的表示方法。表1.2不规则形状粒子的等效直径等效直径定义数学表达式长度直径直径在一给定方向上测量平均直径在多个方向上测量后取平均投影－周长直径有与粒子同样周长的圆的直径投影－面积直径有与粒子同样投影面积的圆的直径表面积直径有与粒子同样表面积的圆的直径体积直径与粒子同体积的球的直径斯托克斯直径与粒子同密度和同沉降速度的球的直径dl/dP4/pdA/sdA36/dVnidnd11gvdfp)(18•P－粒子的投影周长；•－粒子的投影面积；•－粒子的表面积；•－粒子的体积；•－粒子的沉降速度；•－粒子的密度；•－空气的密度；•－空气的动力学黏度；•－重力加速度。sAVpgf三气溶胶粒子的形状粒子的不规则形状可概括为三大类：•近似立方体——粒子的三个方向的尺寸有大致相同的大小；•板状——在两个方向上有比第三个方向上更大的长度；•针状——在一个方向上有比另两个方向上更大的长度。在等效概念下，不规则几何形状的粒子可以用球，立方体，圆柱体，回转椭圆体等规则几何形状来近似的描述：•球体：直径=d；•立方体：边长=a；•圆柱体：长=ﺎ；直径=d；•回转椭圆体：极半径=b，赤道半径=r，若β=b/r，对于球体β=1，对于长椭圆β〉1，对于扁椭圆β〈1。•球形度φ：同体积的球形粒子表面积与粒子实际表面积之比。φ值小于1。立方体φ=0.806圆柱体φ=2.62（ﺎ/d）²/³（1+2ℓ/d）•动力形状系数k：k=(de/ds)²（1-1）de表示等效直径；ds表示沉降直径对于球体k=1.0，对于非球体粒子，等效直径总是大于沉降直径的，所以k值总是大于1.0。•球形度φ和动力形状系数k的关系：k=(0.834㏒φ/0.065)ˉ¹（1-2）如果确定了粒子的球形度，就可以利用（1-1）和（1-2）式进行等效直径之间的换算。四气溶胶粒子的密度•气溶胶粒子的密度是影响粒子运动的重要因素，重力作为粒子所受的一种外力，与粒子的密度成正比，粒子的密度越大，则粒子运动的惯性力也越大。•颗粒真密度：将吸附在粒子表面内部的空气排出后测得的粒子自身的密度。•堆积密度：呈堆积状态存在的粒子，将包括颗粒之间气体空间在内的粉体密度。•颗粒的真密度用于研究粒子的运动行为等方面，堆积密度用于存仓或灰斗的容积确定等方面。pb•空隙率：1bp五气溶胶粒子的其他性质1润湿性•尘粒与液体附着的难易程度称为粉尘的润湿性。•根据颗粒能被水润湿的程度，一般分为亲水性粉尘和疏水性粉尘。•粉体的润湿性可以用液体对试管中粒子的润湿速度来表征。通常，取润湿时间为20min，测出此时间的润湿高度L20(mm)，于是润湿速度为202020L按作为评定粒子的润湿性的指标，可将颗粒物分为4类，见表1.320粉尘类型ⅠⅡⅢⅣ润湿性绝对憎水憎水中等亲水强亲水υ20/mm•min-10.50.5～2.52.5～8.08.0颗粒物举例石蜡、沥青石墨、煤、硫玻璃微珠、石英锅炉飞灰、钙•在除尘技术中，粉尘的润湿性是设计或选用除尘设备的主要依据之一。•对于润湿性好的亲水性颗粒物，可考虑湿式净化。2安息角和滑动角•安息角：尘粒自漏斗连续落到水平板上，堆积成圆锥体。圆锥体的母体线同水平面的夹角。•滑动角：指光滑平板倾斜时粉尘开始滑移的倾斜角。•通常滑动角比安息角略大。•安息角与滑动角是设计除尘器灰斗(或粉料仓)锥度、粉体输送管道倾斜度的主要依据。•影响粉尘安息角与滑动角的因素有：粒径、含水率、粒子形状、粒子表面光洁度、粉尘黏性等。一般粉体的安息角为35゜～55゜，滑动角为40゜～55゜。因此，除尘设备的灰斗倾斜角不应小于55゜。3粒子的磨损性•固体颗粒物的磨损性是气溶胶粒子在流动过程中对器壁或管壁的磨损性能。•对刚性壁表现为碰撞磨损，对塑性壁表现为切削磨损。•在粒子净化或输运中，经常遇到的是对塑性材料的磨损，其磨损率与粉尘入射角、入射速度、粉尘硬度、粒径、球形度和浓度等因素有关，如下图所示。•Zhu等人曾在的粉尘硬度范围内对7种不同塑性材料做了大量研究试验，得出磨损率的经验计算公式：1.52.321.040.448cos1pEkMdv•式中•——磨损率，μm/100h；•——系数，对于235钢（A3钢），k＝1.5；•——粒径，mm；•——入射速度，m/s；•——球形度；•——向被磨损材料冲击的粒子通量，kg/(m2•s)EkpdvM4粒子的电性•气溶胶粒子通常都带有电荷，这是由于碰撞、摩擦、放射性照射、电晕放电等原因而荷电的。•粒子的电性对净化设备的捕集和清灰都有很大的影响。物质都有较固定的介电率(相对介电常数)。•粉尘的导电性与金属的导电性类似，也用电阻率表示。但粉尘层的导电不仅靠粉尘颗粒本体内的电子或离子产生的所谓体积导电，还靠颗粒表面吸附的水分和化学膜发生的所谓表面导电。•对于电阻率较高的粉尘，温度较低时（100℃以下）主要是表面导电；温度较高时（约200℃以上）主要是体积导电。•粉尘的电阻率与测定时的条件有关，如气体温度、湿度和成分，粉尘的粒径、成分和堆积的松散度等，所以，粉尘的电阻率仅是一种可以互相比较的表观电阻率，通常称为比电阻。5粒子的光学性质•由于大气中气溶胶粒子对光的散射，使可见度大为降低，这也是一种空气污染现象，城市中这种污染最强烈。粒子对光的散射是测定气溶胶粒子的浓度、大小和决定气溶胶云的光行为的主要方法之一。•概括地说，单个粒子对光的散射与其粒径、折射指数、粒子形状和入射光的波长有关。空间中任何一点的辐射强度是由光源和汇的布置、气溶胶的空间分布、粒径分布和组成决定的。•光线射到气溶胶粒子上以后，有两个不同过程发生：粒子接受到的能量可被粒子以相同的波长再辐射，再辐射可发生在所有方向上，但不同方向上有不同的强度，这个过程称为散射。另一方面，辐射到粒子上面的辐射能可变为其他形式的能，如热能，化学能或不同波长的辐射，这个过程称作吸收。在可见光范围内，光的衰减对黑烟是吸收占优势，而对水滴，散射占优势。气溶胶粒子对光的吸收和散射机理较为复杂。实际中，常利用光强衰减特性来测定烟尘的浓度。下图所示为一种较先进的烟尘浓度一种较为先进的烟尘浓度测定系统。红外光烟尘浓度自动测定系统（ICMS）•其工作原理是：红外光通过烟流时，光强发生变化，光敏传感器的光电流将随之变化，通过放大器将这个较弱的电流增强并变为计算机中A/D卡接口所能接受的±5V范围内的电压。显然，计算机显示的是电压值。如果烟气的浓度变化与电压值的变化是线性相关的，其电压值就可表示浓度的大小。•因此，为较精确地进行烟尘浓度测定，测试系统的标定是重要的。•5气溶胶力学范围分类•不同粒径的粒子所服从的空气动力学规律是不同的，为了讨论在不同粒径范围内气溶胶粒子的空气动力学性能，在气溶胶力学研究方面，根据粒子的大小分4个区。其分类见表2.2。用克努森数Kn作为分类依据表1.4根据不同粒径范围定义的气溶胶力学分类方法名称粒径范围自由分子区过渡区滑动区连续区Kn1010～0.30.30.1dp/um0.010.01～0.40.41.3•式中——气体分子平均自由程，m；••——粒径，m。2/pKndpd式中——气体分子的摩尔质量，kg；•——气体常数，；•——绝对温度，K；•——动力黏度，Pa·s；•——气体密度，kg/m3。0.4998MRTMRT