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《浙江大学》 2015年
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剪切流中纳米颗粒的凝并和弥散机理及相关的实验技术研究

凃程旭  
【摘要】:亚微米及纳米颗粒两相流是自然界的普遍现象,并且在大气环境科学、现代纳米材料制备、工程热物理、化工合成、吸入毒理学及医疗制药等诸多领域得到广泛应用,是目前流体力学的研究热点。作为亚微米及纳米颗粒两相流的分支之一,剪切流中的纳米颗粒运动学行为及其分布特性因其有很强的工程应用背景与科学研究价值而日益得到关注。纳米颗粒在剪切流中的动力学过程可以概括为纳米颗粒的凝并与弥散,这两个过程实际上在粒子群的微观运动中是同时发生的,但在宏观上则在一定时间尺度内具体表现为凝并或弥散。本文的研究围绕剪切流中的纳米颗粒凝并与弥散展开。对于剪切流中的颗粒凝并,我们对圆柱绕流场的纳米颗粒分布特性进行了实验研究,而利用矩方法对有限边界的平面射流进行了数值模拟。实验研究表明,因为圆柱对来流颗粒的捕获或改变其运动方向、小颗粒(Dp≤200nm)间的凝并,所以相比于来流的总数浓度,尾流的总数浓度要小。尾流区域小颗粒的凝并与圆柱壁面的捕获直接导致了,尾流的几何平均直径GMD要明显大于来流的GMD.尾流总浓度的减小与GMD的增大都是颗粒群发生凝并的宏观表现,这表明此时颗粒在圆柱绕流中的凝并相比破碎或分散要更强。由于颗粒的凝并与积聚,来流与尾流的GMD总体上都随时间逐渐增加,并且具有相似的时间演化规律。不同的是两者随时间的演化规律在时间上存在一个明显时间延迟,尾流的变化滞后于来流的变化,并且该延迟随着Re数的增大而增大。有限边界的平面射流数值结果则显示颗粒总数浓度的分布同时受射流卷吸层和颗粒凝并与扩散的影响。颗粒的总浓度沿射流方向逐渐减小,而颗粒的分布区域则随湍流扩散而逐渐扩大。射流的拟序结构对颗粒的总质量浓度分布特性有重要影响。由于颗粒的凝并,粒子平均中径越下游逐渐增大,最大的中值粒径分布在射流中心区域。对于剪切流中的纳米颗粒弥散,本文主要对连续喷射弥散的实现及其过程机理开展实验研究与理论分析。构建了由定量精密粉末给料器精确控制工业纳米颗粒(ENPs)给料的连续喷射弥散系统,解决ENPs的连续喷射弥散。针对给料器剩料容器内部压力与喷射器真空端的压力不平衡问题,首次给出了一种新型的压力平衡装置。对给料器与压力平衡单元的协同给料特性进行了实验研究,发现协同给料时,给料速率的稳定性仍然保持在较高水平。限于多数喷射弥散得到ENPs粒径分布都超出SMPS的扫描上限,SMPS自带的Hoppel多电荷修正(H-MCC)已不能适用,根据He M. L.(2013)提出的拟合多电荷修正(f-MCC)思想结合本实验,独立开发了适用于本文喷射弥散实验结果的f-MCC算法。通过湿式喷雾弥散Ti02得到适用于H-MCC的粒径分布,分别由f-MCC与H-MCC处理该原始粒径分布。结果表明,除了峰值粒径附近的数密度两者的偏差约为10%以外,其它分布特征参数的相对偏差都小于1%。粒径分布超出扫描上限的范围越大,H-MCC误差越大,而f-MCC的修正效果越明显。采用SMPS测量不同材料、给料速率Dr及喷射器入口压力Pj下的喷射弥散结果,并由f-MCC进行多电荷修正,获取准确的粒径分布。结果表明弥散ENPs粒径分布受初始粒径影响较大,初始粒径越小,所得分布的峰值粒径、中值粒径及GMD则越大。由于多数ENPs的初始粒径正好处于过渡区,颗粒受到的Stokes力因边界层出现滑移而减小,范德华引力与静电力等则随初始粒径的减小而得到加强,通过空气动力弥散的难度则倍增。随着给料速率的增加,喷射弥散的难度增大。喷射器入口压力Pj增大时,总数浓度随之增加,而峰值粒径、中值粒径、GMD等随之减小,显然,喷射弥散效果因此得到加强。通过不同材料、给料速率Dr及喷射器入口压力Pj及Qv对粒径分布的影响及其机理分析,可知ENPs的喷射弥散过程同时包括空气动力作用的空气-颗粒分散机制及颗粒-壁面碰撞机制。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O359

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