室内细颗粒物热泳效应研究

发布时间：2017-05-17 03:05

  本文关键词：室内细颗粒物热泳效应研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：室内环境是人类生活和工作的主要地点,因此室内空气品质已经成为全球关注的一大问题。较小粒径的颗粒物可以进入人体内部,干扰人体器官的正常运行,进而引发一系列疾病。同时,细颗粒物沉降到工业产品、电子设备等表面,还能引起产品表面的腐蚀以及设备的损坏。因此展开对室内细颗粒物动力行为的研究具有重要现实意义。目前为止,国内外关于细颗粒物的动力学、不同室内环境下颗粒物运动特性以及热泳效应对于室内颗粒物运动特性影响的研究都已经有了一定发展,但是对于不同粒径以及不同温度梯度下热泳效应的大小以及热泳效应对于颗粒沉降的具体影响程度的相关研究还很少。本文对室内空间流场特征及近壁面的高温度梯度区域内单个颗粒的受力进行了理论分析及数值模拟,对比了重力、阻力、热泳力及Saffman力的大小,同时讨论了不同温度梯度情况下不同粒径颗粒的受力情况以及热泳效应对颗粒物沉降速度的影响,得到了热泳效应的初步规律。主要研究内容有以下几点:首先,从体积分数与松弛时间两个方面进行了理论分析,判定室内的空气-颗粒两相流属于稀疏两相流,从而为对室内流场中颗粒物热泳效应影响下运动的数值模拟确定了条件;环境中温度梯度的存在会进而导致颗粒的不均匀分布,而亚微米颗粒物的碰撞凝并概率与浓度分布之间有着密切的联系,因此为了对考虑热泳效应情况下颗粒物的运动模型进行一定的完善,本文建立了颗粒物碰壁数及颗粒之间碰撞的概率模型,并对碰撞结果进行了分析,得出随着碰撞初速度以及颗粒数密度的增加,亚微米颗粒碰撞后发生凝并的可能性也会增加,因此热泳存在下,在数密度及速度较大的情况下,亚微米颗粒的运动需要适当考虑颗粒间的碰撞;为确定室内细颗粒物的计算粒径,通过实验得出室内颗粒物主要分布在5~500nm的粒径范围,因此选取1?m以内的粒径范围进行受力计算与热泳效应分析。其次,为研究室内流场下细颗粒物的热泳效应,运用数值模拟方法对室内气相流场进行了分析,选取典型的机械送风会议室作为计算模型,假设室内放置一温度高于室内气流的壁面,在流场计算结果的基础上,计算与验证了近壁面区域的温度梯度与速度梯度,确定了热壁面存在下对附近流场造成影响的范围。第三,在气相流场的模拟结果基础上对近热壁面区域内单个颗粒的受力的相对大小进行了具体计算及大小量级的对比,得出结论:粒径?0.1?m的亚微米颗粒受到热泳力的作用较强。热泳的存在会降低亚微米大小的颗粒在热壁面上的沉积量;而对于较大粒径的颗粒,其受到的重力较大,相比于小粒径颗粒更易发生沉积;第四,为了了解不同温度场下颗粒物的运动情况,对热壁面及冷壁面存在下颗粒的运动分布进行了数值模拟,得出:在热泳效应的影响下,在热壁面上部高温度梯度区,颗粒浓度较低,远离此区域一定位置处,颗粒出现高浓度聚集分布的现象;在近冷壁面的高温度梯度区,颗粒呈现较高浓度分布的现象,远离此区域的位置,颗粒呈现低浓度的分布现象;最后,建立了不同粒径颗粒物在不同方向平面上的沉积速度模型,并考虑热泳效应造成的颗粒局部高浓度聚集现象,提出在模型中添加颗粒碰撞因素的方法,以水平向上壁面上颗粒的沉积为例进行了验证。研究表明:不考虑热泳力影响时,粒径?0.1?m的颗粒物的沉积受到湍流和布朗扩散的主导作用;粒径?0.1?m的颗粒,其受到的重力的作用更加明显,随着粒径的增加,相应的沉降速度持续增长;考虑热泳力的作用时,粒径?0.3?m颗粒受到热泳效应的影响较为显著,热颗粒在水平冷壁面上的沉积速度明显增大,在水平热壁面上的沉积速度明显减小;当壁面温度高于流体温度达到20℃的量级时,粒径?0.3?m的颗粒在水平热壁面上的沉积速度小于1010-数量级,几乎很难在壁面上形成沉积。
【关键词】：细颗粒物 热泳效应 数值模拟 沉积速度
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X513;TU83
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 室内细颗粒物的来源及分类12-13
• 1.3 室内细颗粒物热泳效应国内外研究现状13-16
• 1.4 本课题的研究目的及创新点16-17
• 1.4.1 研究目的16
• 1.4.2 创新点16-17
• 第二章 室内细颗粒物运动特性分析17-38
• 2.1 单个颗粒的受力方程17-23
• 2.2 室内气固稀疏两相流的动力学判定23-26
• 2.2.1 体积分数判定法23-25
• 2.2.2 松弛时间判定法25-26
• 2.3 细颗粒物碰撞模型26-34
• 2.3.1 建立碰撞模型的前提假设26-27
• 2.3.2 细颗粒物碰壁数模型27-28
• 2.3.3 颗粒-颗粒间碰撞概率模型28-29
• 2.3.4 细颗粒物间碰撞结果分析29-34
• 2.4 室内颗粒物粒径分布特征实验34-36
• 2.4.1 实验仪器34-35
• 2.4.2 实验过程35
• 2.4.3 实验结果35-36
• 2.5 本章小结36-38
• 第三章 室内气相流场的数值计算及颗粒受力分析38-58
• 3.1 室内通风形式及各种通风形式下的流场分布38-39
• 3.2 流场数值计算理论基础39-43
• 3.2.1 湍流的数值计算方法40-41
• 3.2.2 室内气流组织的控制方程组模型41-42
• 3.2.3 壁面函数42-43
• 3.3 研究对象及模拟结果43-48
• 3.3.1 研究对象43-44
• 3.3.2 湍流模型的选择44
• 3.3.3 计算前处理及条件设置44-46
• 3.3.4 模拟结果及分析46-48
• 3.4 近壁边界层的计算与验证48-52
• 3.4.1 边界层的定义48-49
• 3.4.2 边界层的计算与验证49-52
• 3.5 近热壁单个颗粒受力大小的分析52-56
• 3.5.1 近壁面处力的量级分析52-56
• 3.5.2 结果分析56
• 3.6 本章小结56-58
• 第四章 壁面温度对颗粒物运动影响的数值模拟58-63
• 4.1 颗粒运动数值模拟理论基础58-59
• 4.2 模型的选取59-60
• 4.3 模拟计算结果分析60-61
• 4.3.1 热壁面时颗粒浓度分布60-61
• 4.3.2 冷壁面时颗粒浓度分布61
• 4.4 本章小结61-63
• 第五章 颗粒物在壁面上的沉积63-74
• 5.1 颗粒的扩散模型63-67
• 5.1.1 湍流扩散64-66
• 5.1.2 重力、热泳与布朗扩散66-67
• 5.2 摩擦速度及颗粒的浓度边界层67-68
• 5.3 颗粒的沉积速度68-70
• 5.3.1 垂直表面上颗粒的沉积速度69
• 5.3.2 水平表面上颗粒的沉积速度69-70
• 5.4 实例验证70-72
• 5.5 本章小结72-74
• 第六章 结论与展望74-76
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-80
• 攻读学位期间主要成果80-81
• 致谢81-82

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