氣溶膠力學

一、緒論

研究氣溶膠粒子的形成、運動、沉降和凝并的科學成為氣溶膠力學。其研究

內容對人類的生產和生活有著重大的影響。自然界中云的形成對氣候的影響；水

蒸發凝結而降雨；風所造成的固體顆粒的遷移與沉積；風對植物花粉的傳播以及

空氣中微生物的散布等都是氣溶膠力學的研究內容。氣溶膠的形成對人們的生產

和生活有著有害和有利的雙面，如一些塵粒會造成呼吸性疾病，生產過程中塵粒

的發散會對產品的質量造成影響；但是，液體燃料在燃燒前噴成霧狀以及固體燃

料在燃燒前磨成粉末可以提高燃燒效率。

目前，研究氣溶膠粒子的沉降過程比研究粒子的形成更有意義。控制粉塵污

染的方法和手段是多樣的，一般有重力式、慣性式、離心式、纖維過濾式、織物

過濾式、靜電式以及各種濕式除塵設備。而氣溶膠力學所研究的內容是他們手機

氣溶膠粒子的機理以及在收集過程中氣流的流場和能量損失。氣溶膠力學的研究

內容是氣象、環境保護、勞動保護等科學的理論基礎。為除塵凈化的目的，從氣

溶膠粒子的物理性質及其運動；氣溶膠粒子的空氣動力捕獲、擴散運動與沉降；

氣溶膠粒子的凝并、經典沉降以及氣溶膠粒子的其他沉降機理講解。

二、當前氣溶膠科學發展動向

在應 用方面,氣溶膠工程技術發展很快。首先,微 電子這一尖端高技術的發

展,要求超純 凈的工作環境,例如,在大規模和超大規模集成電路超純凈工作室,

要求空氣中所 含氣溶膠粒子濃度低 于每立方英尺個粒子。因此,氣溶膠粒子的

過濾 與分離的間題,以及超微量粒子濃度的測量問題,就成為當代氣溶膠研究

中的重大課題。另外一個氣溶膠工程技 術的新發展,是利用氣溶膠技術制備新材

料。這是一個引人注目的氣溶膠科學與材料科學交叉的新發展。按照人們預先規

定好的力學性質、光學性質和 電學性質來制備新材料,本來是材料科學的一個中

心課題 現在氣溶膠科學深入到這一領域,與材料科學相互交叉、相互合作,就出

現了一些技術上最激動人心、科學上最 富挑戰性的新的人工合成物。例如氧化

物與非氧化物,以及金屬 粉末等,被燒結成不同形狀,不同大小的新的固休材料。

這之中有低溫超導體材料,人造金剛石薄膜、碳黑、二氧化硅、二氧化鐵、硅、

碳化硅、光導纖維、汽車鋼材、磁帶與錄相帶上的薄膜、感光片薄膜等。這些新

材料正以其高純度、低成本而令人矚目。

其次,隨著空氣污染日趨嚴重,氣溶膠對人類健康的危害日益為氣溶膠研究

工作者所關注。人體對不同大小的氣溶膠粒子的吸入效率以及粒子在呼吸道中的

沉淀問題,成為當前氣溶膠熱門課題 之一。近年來在空氣 污染間題上也有 廠新

的發展,除戶外的大氣污染測 量外,室內空氣質量的研究正日益成為新的重要課

題。隨之而來的是在氣溶膠對人體危害研究的新發展。由于室內空氣普遍 含有

帶放射性的氧,氧在衰變過程中產生了大量的分子團,其大小遠遠小于過去所研

究的粒子。以往研究的大氣氣溶膠粒子往往是半徑大于拼的粒子,正處于 布朗沉

淀與慣性沉淀效率的低谷處。這種粒子就大多能 順利地通過人體頭部鼻腔系統,

最終在肺部沉淀 下來。這就是以往對氣溶膠 的肺部沉 淀問題研究 較多的原

故。現在氧的分子團大小遠遠小于。正處在布朗沉淀 效率的峰值之處。

于是這種粒子在人體頭部鼻腔系統中的沉淀問題就突出起來。

第三,氣溶膠對全球氣候變化的影響也是當前氣溶膠科學中的一個重大課

題。整個大氣就是一個氣溶膠系統。其中有來自少、類活動所產生的氣溶膠,占

總質量的一。因此,在討論 當代重大的全球氣候變化的模式中就不能不把氣溶

膠的影響包括在內。然而,氣溶膠的氣候效應，目前研究水平還很低遠不是像溫

室氣體那樣其影響已搞得很清楚氣溶膠粒子究竟對全球氣候起增溫作用、還是冷

卻作用,目前仍模糊不清,也缺少全球范圍的大氣氣溶膠監測資料。加強對全球

范圍大氣氣溶膠的探測,并加強對其氣候效應的研究是目前的一個緊迫任務。

三、氣溶膠粒子的物理性質

1、粒子的分類：粉塵——固體物質的細小微粒。煙——由燃燒和凝結生成

的細小微粒。煙霧——是煙的一個類型，由升華，凝結，氧化而形成。霧——由

水蒸氣及其他氣體凝結而成的懸浮液滴。

2、粒子的形狀：近似立方體——粒子的三個方向的尺寸有大致相同的大小；

板狀——在兩個方向上有比第三個方向上更大的尺寸；針狀——在一個方向上有

比其他方向更大的長度。

3、粒徑分布：通過直方圖、頻率和累計百分數、密度函數來估算粒徑分布，

有時也利用單一粒徑來描述氣溶膠的粒子分布，如形態直徑、中位直徑和平均直

徑。

粒徑分布函數：正態分布——符合正態分布的氣溶膠是極少見的，但它是各

種分布的基礎；對數正態分布——是廣泛使用的分布，可用來描述大氣中氣溶膠

及生產過程中的粉塵；具有塵粒上限的對數正態分布——描述最大粒徑適用，如

噴霧的粒徑分布；韋布爾分布——適用生產過程中的粉塵，具有一極限最小粒徑

的氣溶膠分布；洛森-萊姆萊爾分布——用來描述比較粗的粉塵和霧是韋布爾分

布的特殊情況；洛萊爾分布——描述粉狀工業材料；貫山-棚澤分布——霧化產

生的氣溶膠。

4、氣溶膠粒子粒徑范圍的分類：自由分子區、過渡區、滑動區、連續區。

四、氣溶膠粒子的空氣動力捕獲——纖維過濾理論

1、過濾就是借助于多孔介質從分散介質中分離分散粒子的過程。對于氣溶

膠粒子的纖維過濾，參與過濾的因素為分散介質、分散粒子和纖維材料。

分散粒子以以下因素決定其特征：粒子的大小，粒子的粒徑分布，粒子形狀、

密度，電荷、粒子的化學組成和濃度。

分散介質的因素：氣流速度，氣體密度，絕對溫度、壓力、粘性和濕度。

纖維材料的因素：幾何尺寸——過濾面積和厚度、纖維的直徑、組成過濾器

的纖維結構、過濾器的孔隙率和荷電情況。

過濾過程的基本參數是收集效率、過濾阻力和容塵特性（更換與再生的時

間）。分為穩定過濾和非穩定過濾兩個狀態。初期屬于穩定過濾，隨著容塵量的

增加，逐漸進入非穩定過濾狀態。

2、纖維過濾器分為充填過濾器和單層過濾器，后者又稱為袋式過濾器，

纖維過濾器的捕塵機理是截留——粒子到纖維的距離小于粒子的半徑時，被

捕獲。

慣性沉降——纖維大多垂直放置在氣流方向上，在纖維附近氣流流線發生彎

曲，由于粒子的慣性，粒子將不隨流線的彎曲而射向纖維并沉降到纖維表面。隨

著粒子直徑的增大和氣流流速的增加，慣性沉降作用也隨之增大。

擴散沉降——由于布朗運動，粒子的運動軌跡不予氣體流線一致，粒子從氣

流中可以擴散到纖維上并沉降到纖維的表面，直徑越小，布朗運動越明顯，擴散

沉降越顯著增加。

重力沉降——由于重力作用，粒子有一定的沉降速度，將從而是粒子的軌跡

偏離流線軌跡接觸到纖維表面而沉降。

靜電沉降——過濾器中的纖維和流經過濾器的粒子都有可能帶電，由于庫侖

力的作用，也同樣可以發生粒子在纖維上的沉降。

總之，粒子在纖維上的沉降室幾個捕獲機理共同作用的結果，其中有一兩個

占優勢，而總的沉降效率是單一沉降機理沉降效率的函數。

3、纖維的收集效率依賴于粒子性質的量、過濾器性質的量、氣體的性質。

其中，最重要的是收集效率依賴于粒子的直徑，叫做纖維過濾器的“選擇特征”。

選擇特征——隨著纖維直徑的增加，選擇性最小的位置向粒徑增大的方向移動；

最小效率值降低；在最小值附近選擇性曲線加寬；

速度特征——隨著粒徑的增大，最小的位置向速度較低方向移動；收集效率的最

小值隨粒徑的增大而增高；最小位置向宿舍較高的方向移動；效率在最小值處移

動。

五、水滴捕塵理論

水滴捕塵理論是濕式除塵器的理論基礎，所謂濕式除塵就是由洗滌介質形成

的粒子或液滴穿過需要凈化的空氣而清除固體粒子的過程。對洗滌器，其凈化過

程包括粒子與水滴的接觸；收集捕獲粉塵后的水滴；排走并清除水中的污泥。

洗滌器包括：噴霧室、旋風洗滌器、引射噴霧洗滌器、填充層洗滌器、霧化洗滌

器和文丘里洗滌器。其捕塵機理也可以分為截留作用、慣性沉降、擴散沉降、重

力沉降和靜電沉降等。

六、氣溶膠粒子的擴散與沉降

氣溶膠粒子的擴散是由于氣體分子隨機運動，碰撞粒子并使其內系統的一部

分輸到另一部分的過程。隨機運動的結果是粒子總是有高濃度區域向低濃度區域

擴散。

七、氣溶膠粒子的凝并

氣溶膠粒子的凝并是指氣溶膠粒子由于相對運動彼此間發生碰撞、接觸而粘

著和融合成較大粒子的過程。是發生于氣溶膠粒子間的重要現象。其結果是粒子

的數目減少，而粒子直徑增大。由于布朗運動導致氣溶膠粒子互相接觸而合并的

過程叫做凝并。在內力作用下也能引起氣溶膠粒子的凝并，如 由范德華力、荷

電粒子、電偶極子和磁極子等所引起的。在外力作用下也可以引起凝并，如電場

和磁場中的凝并、重力場和離心場中的凝并、聲場中的凝并以及層流和紊流中的

凝并等。

在氣溶膠粒子凝并理論中，一般都假設粒子的每一次接觸均導致凝并，凝并

理論的目標是描述粒子的數目濃度及粒徑大小隨時間的變化。

八、靜電沉降

靜電除塵器的工作原理是以高壓電流在兩極間產生電暈放電，含塵氣流通過

該空間時，粉塵粒子被強制荷電，荷電粒子在庫侖力作用下向極板運動被極板捕

集。在電暈放電極的窄小區域內氣體分子被電離而離子化，正離子向電暈極運動

而被中和，負離子在向集塵極運動過程中撞擊粉塵粒子而使其荷電，荷電粒子在

電場作用下向集塵極運動而被收集，失去電荷，經振打脫離集塵極。

九、氣溶膠力學進展

氣溶膠力學在氣溶膠科學中有突出的重要性。這集中地表現在1990年京都

會議決定設立的特別獎金問題上。前蘇聯學者中是現代氣溶膠力學的奠基少、他

在年發表的《氣溶膠力學 》——奠定了現代氣溶膠力學發展的基礎。以他的名

字命名氣溶膠科學國際最高榮譽獎,說明了氣溶膠力學在整個氣溶膠科學發展中

的極為重要的主導地位。京都會議還把第一個中獎獎給了美國著名學者。他在獲

獎演說中提到了他的第一個代表作一一對大氣氣溶膠的Junge譜的理論解釋,這

個理論是氣溶膠力學的一次重要進展。而生長就離不開凝結與碰并這兩個氣溶膠

粒子動力學的基本過程。

《氣溶膠力學》奠定了氣溶膠力學的基礎,但并不是氣溶膠力學的終結。三

十多年來的研究進展,已經把氣溶膠力學從中的以孤粒子觀點進行研究的階段,

發展到多粒子相互作用研究的階段。這主要表現在和溫景篙開展的一系列研究

上。當體系極端稀釋時孤粒子近似能夠成立。但小的某些觀點卻井不妥當，例如

他認為粒子間勢力，如分子引力等，是短程力在大多數情況下都可忽略,因而中

認為可以把氣溶膠力學歸結為對孤粒子運動的研究。但是,粒子間的相互作用并

不僅僅限于勢力,更重要的還有粒子間流體動力相互作用這種作用是長程的。因

此在一些情況下,體系即使稀釋到體積濃度時,這種作用也不應被忽略。否則，就

無法解釋無界空間中粒子云的增速沉降與有界空間中粒子的阻滯沉降。正是當人

們在研究了多粒子間比如粒子對流體動力相互作用并克服了由此而產生的積分。

發散困難以及求解粒子對統計分布的困難后人們才能較深刻地理解氣溶膠與水

溶膠粒子的阻滯沉降過程在研究粒子碰并過程中粒子間的流體動力相互作用就

尤其重要。忽略了這個作用就不會認識到由流體動力相互作用產生的潤滑膜阻對

碰并的阻尼作用。由于這個膜阻粒子間的相對布朗運動和對流運動將衰減到零凝

并過程將無法實現。