摘要

微細顆粒不僅是造成霧霾的主要原因，還會攜帶可吸附有毒物質進入人體肺部，危害人體健康。異質凝結技術作為最有前景的除塵技術之一，通過在顆粒表面形成液膜有效提高了氣固分離效率。然而，目前對微米級濕顆粒的碰撞和聚并機制尚未完全明確。本文針對微米級可凝結濕顆粒，基于Fluent軟件構建了耦合兩相流動、連續表面張力模型和重疊網格的模型，研究微米級濕顆粒碰撞過程中顆粒和液橋的動態變化過程。通過分析表面張力系數、液膜厚度和碰撞前相對速度對顆粒碰撞行為的影響，總結了碰撞過程顆粒動力學變化規律及能量耗散情況，為改善濕顆粒的聚合效果和提升除塵性能提供了理論基礎。結果表明，濕顆粒在法向碰撞中遵循液膜變形、反彈和聚并或分離的運動模式。同時，減小液膜表面張力系數、減小液膜厚度、提高碰撞前相對速度都會使液橋高度增加。在動能耗散方面，壓差阻力和表面張力引起的能量損失是主導因素，而黏性阻力的能量損失可忽略不計。

空氣污染被認為是對人類健康最大的環境威脅，可凝結顆粒和可過濾細顆粒物（PM10）的過量排放是形成霧霾天氣的重要原因。PM2.5細顆粒物通過呼吸道被人體吸入后可深入至細支氣管和肺泡，進而引發呼吸疾病，危害身體健康。目前工業上針對可凝結顆粒和可過濾細顆粒的排放控制手段主要以靜電除塵和濕式洗滌為主，但這些方法對微細顆粒的脫除效率并不理想，且除塵能耗和成本較高。近年來，異質凝結技術因其低成本、高效率的特點成為脫除細微顆粒最有前景的技術之一。該技術利用蒸汽相變凝結原理，使得細微顆粒被液膜包裹，增加了顆粒慣性，提高了顆粒碰撞聚并效率，從而大幅提升了除塵裝置性能。

不同于干燥顆粒間的碰撞，濕顆粒碰撞涉及氣-液-固三相的復雜過程，不僅與顆粒表面物性參數有關，還受到液膜性質和相關動力學參數的影響。在潮濕環境下，顆粒接觸表面間形成的液橋會增加毛細力進而引起額外的能量損失和質量傳遞。目前，由于實驗觀測困難和機理復雜，微米級濕顆粒的碰撞聚并過程研究較少。且多數研究中為簡化計算忽略了顆粒之間的碰撞聚并。為了研究濕顆粒碰撞過程中顆粒間隙液體的影響機制，有關學者開展了大量的理論與實驗研究來理解其表面的固液相互作用關系。

早在1988年，Barnocky等通過實驗研究了在覆蓋黏性流體的光滑石英表面上小球的反彈條件，確定了使球反彈的最小下落高度。此后Davis等、Crüger等、Gollwitzer等、Müller等又針對碰撞濕恢復系數與相關參數的關系進行了大量的實驗研究。Ma等將研究擴展至切向碰撞，并比較了法向和切向碰撞恢復系數以及液橋破裂時間的差異性。與以往干顆粒與覆蓋液體層的平板的碰撞實驗不同，Buck等對顆粒進行濕潤處理，研究了毛細效應對反彈結果的影響，更真實地反映了濕顆粒碰撞的過程。國內李素芬教授團隊通過改變不同變量研究了微米級顆粒在撞擊壁面時的反彈特性作用規律。

隨著計算機技術的飛速發展，為了擺脫微觀實驗在現象表征時所面臨的局限性，在濕顆粒的碰撞過程中直接應用數值模擬（direct numerical simulation，DNS）技術，有助于深入探究碰撞過程中的固液影響機制。在數值模擬方面，為了詳細描述顆粒沉降過程，Zhang等通過建格子玻爾茲曼-浸入邊界-離散單元方法描述氣固兩相運動，格子玻爾茲曼方法用于描述氣固兩相流體運動，顆粒運動通過浸入邊界法求解，顆粒間碰撞通過離散單元求解，并應用該數學模型描述了顆粒沉降過程。Wu等則利用DNS研究了動態液橋的形成，基于實驗結果提出了一種新的液橋形成模型，為理解與預測實際濕顆粒行為提供了重要工具。Fan等進一步擴展了這一領域研究，通過DNS方法研究了空氣中液滴和顆粒間的碰撞過程。他們發現碰撞過程中的動能耗散主要是受到壓差阻力的影響，為理解氣-固兩相流提供了指導。

綜上所述，盡管在顆粒碰撞和濕顆粒聚并沉積過程的研究方面取得了一定的進展，但關于濕顆粒的研究大多集中在“顆粒-平板”碰撞過程，這些研究往往只關注毫米級或更大尺寸球形顆粒。然而，隨著粒徑減小到微米級時，撞擊過程中顆粒重力可以忽略不計，表面張力將成為主導力之一，由于受力機制轉變，不同尺度濕顆粒碰撞聚并過程差異明顯。Wang等為了揭示顆粒速度與運動模式之間的關系，研究了疏水性微米顆粒撞擊液滴表面的行為，發現隨顆粒初速度的增加，粒子有浸沒、振蕩和反彈三種運動模式；Ji等進一步探討了疏水性微米顆粒在碰撞過程中的運動特征以及氣液界面的變化情況；在此基礎上，Zhu等通過實驗研究了微米顆粒撞擊液面后的穿透時間，并發現穿透時間隨撞擊速度變化而受到不同主導力的影響。這些研究主要集中在疏水性微米顆粒與液滴表面的相互作用，但對于包裹液膜的濕顆粒在碰撞過程中的動態液橋形態、液橋力以及能量損耗的變化規律的認識較為局限。此外，由于針對微米級顆粒的實驗研究較少，目前與實驗數據同行的模型驗證也相對匱乏，還有待進一步開展研究。

為揭示微米級濕顆粒碰撞的行為演化過程，本文從微觀層面研究凝結顆粒的法向動態碰撞和聚并沉積機制，采用直接數值模擬方法通過重疊網格耦合求解流體體積、連續表面張力模型，建立了微米級凝結顆粒的碰撞動力學模型并與實驗數據進行了驗證，考察了微細凝結顆粒碰撞過程中氣液固界面的演化過程，探究了表面張力、液膜厚度、碰撞前相對速度對顆粒動力學變化規律及能量耗散的影響，為抑制凝結除塵技術的研究與推廣應用提供了一定的理論指導。