气溶胶力学

一、绪论

研究气溶胶粒子的形成、运动、沉降和凝并的科学成为气溶胶力学。其研究

内容对人类的生产和生活有着重大的影响。自然界中云的形成对气候的影响；水

蒸发凝结而降雨；风所造成的固体颗粒的迁移与沉积；风对植物花粉的传播以及

空气中微生物的散布等都是气溶胶力学的研究内容。气溶胶的形成对人们的生产

和生活有着有害和有利的双面，如一些尘粒会造成呼吸性疾病，生产过程中尘粒

的发散会对产品的质量造成影响；但是，液体燃料在燃烧前喷成雾状以及固体燃

料在燃烧前磨成粉末可以提高燃烧效率。

目前，研究气溶胶粒子的沉降过程比研究粒子的形成更有意义。控制粉尘污

染的方法和手段是多样的，一般有重力式、惯性式、离心式、纤维过滤式、织物

过滤式、静电式以及各种湿式除尘设备。而气溶胶力学所研究的内容是他们手机

气溶胶粒子的机理以及在收集过程中气流的流场和能量损失。气溶胶力学的研究

内容是气象、环境保护、劳动保护等科学的理论基础。为除尘净化的目的，从气

溶胶粒子的物理性质及其运动；气溶胶粒子的空气动力捕获、扩散运动与沉降；

气溶胶粒子的凝并、经典沉降以及气溶胶粒子的其他沉降机理讲解。

二、当前气溶胶科学发展动向

在应 用方面,气溶胶工程技术发展很快。首先,微 电子这一尖端高技术的发

展,要求超纯 净的工作环境,例如,在大规模和超大规模集成电路超纯净工作室,

要求空气中所 含气溶胶粒子浓度低 于每立方英尺个粒子。因此,气溶胶粒子的

过滤 与分离的间题,以及超微量粒子浓度的测量问题,就成为当代气溶胶研究

中的重大课题。另外一个气溶胶工程技 术的新发展,是利用气溶胶技术制备新材

料。这是一个引人注目的气溶胶科学与材料科学交叉的新发展。按照人们预先规

定好的力学性质、光学性质和 电学性质来制备新材料,本来是材料科学的一个中

心课题 现在气溶胶科学深入到这一领域,与材料科学相互交叉、相互合作,就出

现了一些技术上最激动人心、科学上最 富挑战性的新的人工合成物。例如氧化

物与非氧化物,以及金属 粉末等,被烧结成不同形状,不同大小的新的固休材料。

这之中有低温超导体材料,人造金刚石薄膜、碳黑、二氧化硅、二氧化铁、硅、

碳化硅、光导纤维、汽车钢材、磁带与录相带上的薄膜、感光片薄膜等。这些新

材料正以其高纯度、低成本而令人瞩目。

其次,随着空气污染日趋严重,气溶胶对人类健康的危害日益为气溶胶研究

工作者所关注。人体对不同大小的气溶胶粒子的吸入效率以及粒子在呼吸道中的

沉淀问题,成为当前气溶胶热门课题 之一。近年来在空气 污染间题上也有 厂新

的发展,除户外的大气污染测 量外,室内空气质量的研究正日益成为新的重要课

题。随之而来的是在气溶胶对人体危害研究的新发展。由于室内空气普遍 含有

带放射性的氧,氧在衰变过程中产生了大量的分子团,其大小远远小于过去所研

究的粒子。以往研究的大气气溶胶粒子往往是半径大于拼的粒子,正处于 布朗沉

淀与惯性沉淀效率的低谷处。这种粒子就大多能 顺利地通过人体头部鼻腔系统,

最终在肺部沉淀 下来。这就是以往对气溶胶 的肺部沉 淀问题研究 较多的原

故。现在氧的分子团大小远远小于。正处在布朗沉淀 效率的峰值之处。

于是这种粒子在人体头部鼻腔系统中的沉淀问题就突出起来。

第三,气溶胶对全球气候变化的影响也是当前气溶胶科学中的一个重大课

题。整个大气就是一个气溶胶系统。其中有来自少、类活动所产生的气溶胶,占

总质量的一。因此,在讨论 当代重大的全球气候变化的模式中就不能不把气溶

胶的影响包括在内。然而,气溶胶的气候效应，目前研究水平还很低远不是像温

室气体那样其影响已搞得很清楚气溶胶粒子究竟对全球气候起增温作用、还是冷

却作用,目前仍模糊不清,也缺少全球范围的大气气溶胶监测资料。加强对全球

范围大气气溶胶的探测,并加强对其气候效应的研究是目前的一个紧迫任务。

三、气溶胶粒子的物理性质

1、粒子的分类：粉尘——固体物质的细小微粒。烟——由燃烧和凝结生成

的细小微粒。烟雾——是烟的一个类型，由升华，凝结，氧化而形成。雾——由

水蒸气及其他气体凝结而成的悬浮液滴。

2、粒子的形状：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尺寸；针状——在一个方向上有

比其他方向更大的长度。

3、粒径分布：通过直方图、频率和累计百分数、密度函数来估算粒径分布，

有时也利用单一粒径来描述气溶胶的粒子分布，如形态直径、中位直径和平均直

径。

粒径分布函数：正态分布——符合正态分布的气溶胶是极少见的，但它是各

种分布的基础；对数正态分布——是广泛使用的分布，可用来描述大气中气溶胶

及生产过程中的粉尘；具有尘粒上限的对数正态分布——描述最大粒径适用，如

喷雾的粒径分布；韦布尔分布——适用生产过程中的粉尘，具有一极限最小粒径

的气溶胶分布；洛森-莱姆莱尔分布——用来描述比较粗的粉尘和雾是韦布尔分

布的特殊情况；洛莱尔分布——描述粉状工业材料；贯山-棚泽分布——雾化产

生的气溶胶。

4、气溶胶粒子粒径范围的分类：自由分子区、过渡区、滑动区、连续区。

四、气溶胶粒子的空气动力捕获——纤维过滤理论

1、过滤就是借助于多孔介质从分散介质中分离分散粒子的过程。对于气溶

胶粒子的纤维过滤，参与过滤的因素为分散介质、分散粒子和纤维材料。

分散粒子以以下因素决定其特征：粒子的大小，粒子的粒径分布，粒子形状、

密度，电荷、粒子的化学组成和浓度。

分散介质的因素：气流速度，气体密度，绝对温度、压力、粘性和湿度。

纤维材料的因素：几何尺寸——过滤面积和厚度、纤维的直径、组成过滤器

的纤维结构、过滤器的孔隙率和荷电情况。

过滤过程的基本参数是收集效率、过滤阻力和容尘特性（更换与再生的时

间）。分为稳定过滤和非稳定过滤两个状态。初期属于稳定过滤，随着容尘量的

增加，逐渐进入非稳定过滤状态。

2、纤维过滤器分为充填过滤器和单层过滤器，后者又称为袋式过滤器，

纤维过滤器的捕尘机理是截留——粒子到纤维的距离小于粒子的半径时，被

捕获。

惯性沉降——纤维大多垂直放置在气流方向上，在纤维附近气流流线发生弯

曲，由于粒子的惯性，粒子将不随流线的弯曲而射向纤维并沉降到纤维表面。随

着粒子直径的增大和气流流速的增加，惯性沉降作用也随之增大。

扩散沉降——由于布朗运动，粒子的运动轨迹不予气体流线一致，粒子从气

流中可以扩散到纤维上并沉降到纤维的表面，直径越小，布朗运动越明显，扩散

沉降越显著增加。

重力沉降——由于重力作用，粒子有一定的沉降速度，将从而是粒子的轨迹

偏离流线轨迹接触到纤维表面而沉降。

静电沉降——过滤器中的纤维和流经过滤器的粒子都有可能带电，由于库仑

力的作用，也同样可以发生粒子在纤维上的沉降。

总之，粒子在纤维上的沉降室几个捕获机理共同作用的结果，其中有一两个

占优势，而总的沉降效率是单一沉降机理沉降效率的函数。

3、纤维的收集效率依赖于粒子性质的量、过滤器性质的量、气体的性质。

其中，最重要的是收集效率依赖于粒子的直径，叫做纤维过滤器的“选择特征”。

选择特征——随着纤维直径的增加，选择性最小的位置向粒径增大的方向移动；

最小效率值降低；在最小值附近选择性曲线加宽；

速度特征——随着粒径的增大，最小的位置向速度较低方向移动；收集效率的最

小值随粒径的增大而增高；最小位置向宿舍较高的方向移动；效率在最小值处移

动。

五、水滴捕尘理论

水滴捕尘理论是湿式除尘器的理论基础，所谓湿式除尘就是由洗涤介质形成

的粒子或液滴穿过需要净化的空气而清除固体粒子的过程。对洗涤器，其净化过

程包括粒子与水滴的接触；收集捕获粉尘后的水滴；排走并清除水中的污泥。

洗涤器包括：喷雾室、旋风洗涤器、引射喷雾洗涤器、填充层洗涤器、雾化洗涤

器和文丘里洗涤器。其捕尘机理也可以分为截留作用、惯性沉降、扩散沉降、重

力沉降和静电沉降等。

六、气溶胶粒子的扩散与沉降

气溶胶粒子的扩散是由于气体分子随机运动，碰撞粒子并使其内系统的一部

分输到另一部分的过程。随机运动的结果是粒子总是有高浓度区域向低浓度区域

扩散。

七、气溶胶粒子的凝并

气溶胶粒子的凝并是指气溶胶粒子由于相对运动彼此间发生碰撞、接触而粘

着和融合成较大粒子的过程。是发生于气溶胶粒子间的重要现象。其结果是粒子

的数目减少，而粒子直径增大。由于布朗运动导致气溶胶粒子互相接触而合并的

过程叫做凝并。在内力作用下也能引起气溶胶粒子的凝并，如 由范德华力、荷

电粒子、电偶极子和磁极子等所引起的。在外力作用下也可以引起凝并，如电场

和磁场中的凝并、重力场和离心场中的凝并、声场中的凝并以及层流和紊流中的

凝并等。

在气溶胶粒子凝并理论中，一般都假设粒子的每一次接触均导致凝并，凝并

理论的目标是描述粒子的数目浓度及粒径大小随时间的变化。

八、静电沉降

静电除尘器的工作原理是以高压电流在两极间产生电晕放电，含尘气流通过

该空间时，粉尘粒子被强制荷电，荷电粒子在库仑力作用下向极板运动被极板捕

集。在电晕放电极的窄小区域内气体分子被电离而离子化，正离子向电晕极运动

而被中和，负离子在向集尘极运动过程中撞击粉尘粒子而使其荷电，荷电粒子在

电场作用下向集尘极运动而被收集，失去电荷，经振打脱离集尘极。

九、气溶胶力学进展

气溶胶力学在气溶胶科学中有突出的重要性。这集中地表现在1990年京都

会议决定设立的特别奖金问题上。前苏联学者中是现代气溶胶力学的奠基少、他

在年发表的《气溶胶力学 》——奠定了现代气溶胶力学发展的基础。以他的名

字命名气溶胶科学国际最高荣誉奖,说明了气溶胶力学在整个气溶胶科学发展中

的极为重要的主导地位。京都会议还把第一个中奖奖给了美国著名学者。他在获

奖演说中提到了他的第一个代表作一一对大气气溶胶的Junge谱的理论解释,这

个理论是气溶胶力学的一次重要进展。而生长就离不开凝结与碰并这两个气溶胶

粒子动力学的基本过程。

《气溶胶力学》奠定了气溶胶力学的基础,但并不是气溶胶力学的终结。三

十多年来的研究进展,已经把气溶胶力学从中的以孤粒子观点进行研究的阶段,

发展到多粒子相互作用研究的阶段。这主要表现在和温景篙开展的一系列研究

上。当体系极端稀释时孤粒子近似能够成立。但小的某些观点却井不妥当，例如

他认为粒子间势力，如分子引力等，是短程力在大多数情况下都可忽略,因而中

认为可以把气溶胶力学归结为对孤粒子运动的研究。但是,粒子间的相互作用并

不仅仅限于势力,更重要的还有粒子间流体动力相互作用这种作用是长程的。因

此在一些情况下,体系即使稀释到体积浓度时,这种作用也不应被忽略。否则，就

无法解释无界空间中粒子云的增速沉降与有界空间中粒子的阻滞沉降。正是当人

们在研究了多粒子间比如粒子对流体动力相互作用并克服了由此而产生的积分。

发散困难以及求解粒子对统计分布的困难后人们才能较深刻地理解气溶胶与水

溶胶粒子的阻滞沉降过程在研究粒子碰并过程中粒子间的流体动力相互作用就

尤其重要。忽略了这个作用就不会认识到由流体动力相互作用产生的润滑膜阻对

碰并的阻尼作用。由于这个膜阻粒子间的相对布朗运动和对流运动将衰减到零凝

并过程将无法实现。