剪切流中納米顆粒的凝并和彌散機(jī)理及相關(guān)的實驗技術(shù)研究.pdf

1、亞微米及納米顆粒兩相流是自然界的普遍現(xiàn)象，并且在大氣環(huán)境科學(xué)、現(xiàn)代納米材料制備、工程熱物理、化工合成、吸入毒理學(xué)及醫(yī)療制藥等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是目前流體力學(xué)的研究熱點。作為亞微米及納米顆粒兩相流的分支之一，剪切流中的納米顆粒運動學(xué)行為及其分布特性因其有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景與科學(xué)研究價值而日益得到關(guān)注。納米顆粒在剪切流中的動力學(xué)過程可以概括為納米顆粒的凝并與彌散，這兩個過程實際上在粒子群的微觀運動中是同時發(fā)生的，但在宏觀上則在一定時間尺

2、度內(nèi)具體表現(xiàn)為凝并或彌散。本文的研究圍繞剪切流中的納米顆粒凝并與彌散展開。
　　對于剪切流中的顆粒凝并，我們對圓柱繞流場的納米顆粒分布特性進(jìn)行了實驗研究，而利用矩方法對有限邊界的平面射流進(jìn)行了數(shù)值模擬。實驗研究表明，因為圓柱對來流顆粒的捕獲或改變其運動方向、小顆粒(Dp≤200nm)間的凝并，所以相比于來流的總數(shù)濃度，尾流的總數(shù)濃度要小。尾流區(qū)域小顆粒的凝并與圓柱壁面的捕獲直接導(dǎo)致了，尾流的幾何平均直徑GMD要明顯大于來流的GMD

3、。尾流總濃度的減小與GMD的增大都是顆粒群發(fā)生凝并的宏觀表現(xiàn)，這表明此時顆粒在圓柱繞流中的凝并相比破碎或分散要更強(qiáng)。由于顆粒的凝并與積聚，來流與尾流的GMD總體上都隨時間逐漸增加，并且具有相似的時間演化規(guī)律。不同的是兩者隨時間的演化規(guī)律在時間上存在一個明顯時間延遲，尾流的變化滯后于來流的變化，并且該延遲隨著Re數(shù)的增大而增大。有限邊界的平面射流數(shù)值結(jié)果則顯示顆粒總數(shù)濃度的分布同時受射流卷吸層和顆粒凝并與擴(kuò)散的影響。顆粒的總濃度沿射流方向

4、逐漸減小，而顆粒的分布區(qū)域則隨湍流擴(kuò)散而逐漸擴(kuò)大。射流的擬序結(jié)構(gòu)對顆粒的總質(zhì)量濃度分布特性有重要影響。由于顆粒的凝并，粒子平均中徑越下游逐漸增大，最大的中值粒徑分布在射流中心區(qū)域。
　　對于剪切流中的納米顆粒彌散，本文主要對連續(xù)噴射彌散的實現(xiàn)及其過程機(jī)理開展實驗研究與理論分析。構(gòu)建了由定量精密粉末給料器精確控制工業(yè)納米顆粒(ENPs)給料的連續(xù)噴射彌散系統(tǒng)，解決ENPs的連續(xù)噴射彌散。針對給料器剩料容器內(nèi)部壓力與噴射器真空端的壓力

5、不平衡問題，首次給出了一種新型的壓力平衡裝置。對給料器與壓力平衡單元的協(xié)同給料特性進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)協(xié)同給料時，給料速率的穩(wěn)定性仍然保持在較高水平。限于多數(shù)噴射彌散得到ENPs粒徑分布都超出SMPS的掃描上限，SMPS自帶的Hoppel多電荷修正(H-MCC)已不能適用，根據(jù)HeM.L.(2013)提出的擬合多電荷修正(f-MCC)思想結(jié)合本實驗，獨立開發(fā)了適用于本文噴射彌散實驗結(jié)果的f-MCC算法。通過濕式噴霧彌散TiO2得到適用于

6、H-MCC的粒徑分布，分別由f-MCC與H-MCC處理該原始粒徑分布。結(jié)果表明，除了峰值粒徑附近的數(shù)密度兩者的偏差約為10％以外，其它分布特征參數(shù)的相對偏差都小于1％。粒徑分布超出掃描上限的范圍越大，H-MCC誤差越大，而f-MCC的修正效果越明顯。采用SMPS測量不同材料、給料速率Dr及噴射器入口壓力Pj下的噴射彌散結(jié)果，并由f-MCC進(jìn)行多電荷修正，獲取準(zhǔn)確的粒徑分布。結(jié)果表明彌散ENPs粒徑分布受初始粒徑影響較大，初始粒徑越小，所

7、得分布的峰值粒徑、中值粒徑及GMD則越大。由于多數(shù)ENPs的初始粒徑正好處于過渡區(qū)，顆粒受到的Stokes力因邊界層出現(xiàn)滑移而減小，范德華引力與靜電力等則隨初始粒徑的減小而得到加強(qiáng)，通過空氣動力彌散的難度則倍增。隨著給料速率的增加，噴射彌散的難度增大。噴射器入口壓力Pj增大時，總數(shù)濃度隨之增加，而峰值粒徑、中值粒徑、GMD等隨之減小，顯然，噴射彌散效果因此得到加強(qiáng)。通過不同材料、給料速率Dr及噴射器入口壓力Pj及Qv對粒徑分布的影響及其