近壁热源空气对流产生的颗粒沉积机理研究

发布时间：2020-07-15 14:34

【摘要】：近壁热源空气对流产生的颗粒沉积在电子设备、机械设备、化工设备、文物保护及人居环境等领域中产生的危害引起了人们的广泛关注。但是，近壁热源空气对流对颗粒物的分布、沉积机理及沉积过程影响的研究尚不多见。本文采用试验、数值模拟和实测等方法研究了近壁热源上方空气对流影响下的颗粒沉积机理。主要内容有以下几点：首先，试验研究了近壁热源上方颗粒物的无因次浓度及粒径分布随时间的变化。在量化、参数可控的条件下，查明颗粒物在热气流影响下与等温气流影响时的沉积机理差异。分析了不同热源温度下、不同距墙距离及不同高度处的颗粒衰减率损失系数。研究表明在近壁热源上方的颗粒物沉积速度及悬浮态的颗粒粒径分布均有其特殊性。其次，利用CFD技术深入研究了不同近壁热源参数下形成的热气流对颗粒沉积数量及位置的影响，采用离散相模型（DPM）计算了粒径为2.5-10.0μm的颗粒物在不同工况下的沉积分数、沉积速度以及沉积数量。结果表明近壁热源的温度、长度及距墙距离均会不同程度地影响颗粒沉积。颗粒物在近壁热源上方后墙上的沉积数量因颗粒粒径及沉积位置的不同而有所不同。第三，以散热器为例，探索了环境中的颗粒物浓度、温度、相对湿度及风速等因素与热源上方颗粒物浓度之间的关系。基于实测数据，对近壁热源上方PM10、PM2.5和PM1的浓度与环境中的PM10、PM2.5和PM1的浓度、温度、相对湿度及风速之间的相关性进行了统计分析，以环境因素为自变量建立了多元线性回归方程。最后，探讨了近壁热源上方设置导流板对颗粒沉积的控制效果。采用数值模拟的方法研究了导流板对颗粒在热源后墙沉积的阻挡效果，并就导流板的宽度和所处位置对颗粒沉积的影响进行了研究，以寻求最佳的导流板宽度和导流板位置。结果表明，在近壁热源上方设置导流板是一种行之有效的减少颗粒物在热源上方后墙沉积的方法，导流板的宽度及导流板距热源上表面的距离对颗粒沉积的控制效果均有显著影响。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X513
【图文】：

颗粒沉积

（d）（e）（f）图 1.1 颗粒沉积的不良影响（a）电脑主机内的颗粒沉积，（b）换热器的颗粒沉积（摘自谷歌图片），（c）文物上的颗粒沉积（摘自谷歌图片），（d）教堂蜡烛后墙的颗粒沉积（摘自谷歌图片），（e）壁灯后墙的颗粒沉积，（f）散热器后墙的颗粒沉积颗粒沉积在其他一些领域也同样存在负面作用，图 1.1 中示出了颗粒沉积不良影响的实例。影响颗粒分布及沉积的因素很多，每种机理对颗粒物状态的形成、维持或者改变所起的作用也有所不同。在 20 世纪 80 年代末，一种被称作“BlackMagic Dust”的奇妙现象引起了人们的注意。“Black Magic Dust”是指在室内环境中的竖直或水平表面上，短时间内就出现污点的现象[29]。这种现象刚被注意到的一段时间内，仅在德国就有数千个关于“Black Magic Dust”现象的案例被报道。人们发现，受影响住宅的墙壁、天花板及家具的表面在采暖期会突然出现黑色污点[30-31]。类似的例子也出现在德国以外的地方。经调查发现，92%的“Black Magic

技术参数,外形,热源,试验装置

图 2.1 试验热源表 2.1 试验装置外形及技术参数外形技术参数尺寸：300mm×170mm×1mm加热功率：300W显示误差：≤1.0%FS±1 字或≤0设定点偏差：≤1.0%FS输出触点容量：交流 220V 7A（工作电源：90VAC~242VAC 或50Hz/60Hz工作环境：温度 0~50℃，相对无腐蚀性气体场所接触器线圈工作电压 U 为：交

粒径分布,正视图,俯视图,粒度分级器

西安建筑科技大学博士学位论文2）试验仪器在本次试验中，颗粒物的浓度及粒径分布均是由 Grimm1.109 系列粉尘监测器测量的。此仪器进行实时测量时共有 31 个粒径通道，粒径范围为 0.25~32μm。仪器外形参见图 2.2。Grimm1.109 系列粉尘监测器采用光散射技术原理进行单颗粒计数。将半导体激光器作为光源，颗粒的散射信号通过激光束，被大约 90°的镜子采集后传输至接收二极管，见图 2.3。增强后的二极管信号通过一个多通道粒度分级器，多通道粒度分级器对各个通道传输的信号进行分级。所得结果既可显示在屏幕上，也可在数据存储卡中存储，还可以通过 RS232 接口传输，以便进行其他分析。

【参考文献】