气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20181294

气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型

杨海涛，郑志坚，朱家骅，陈倬，杨晨鹏，段旬

(四川大学化学工程学院，四川 成都 610065)

摘 要

基于气溶胶中PM2.5微细颗粒物拟流体特性，对气液交叉流阵列中PM2.5在气溶胶流体传热传质边界层内热泳和扩散泳运动进行拟传质机理分析，与跟随气体的对流传质相叠加，建立了气液交叉流阵列PM2.5热泳和扩散泳拟传质模型，并进行了实验检验。实验在固定对流条件下，考察了不同气液相温度差导致的热泳、不同气相湿度差导致的扩散泳和颗粒粒径等因素对气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数的影响。实验数据统计值与模型表达趋势一致，在初始温差40℃、初始湿度0.118 kg/kg条件下，100排气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数模型预测值为3.33×10﹣3m/s、实验值为3.75×10﹣3m/s。

引 言

我国正处于工业化快速发展阶段，过程工业给环境带来的影响不容忽视，其中PM2.5排放危害最大。PM2.5具有典型的气溶胶特性：粒径dp接近于气体分子平均自由程，与气流之间具有该尺度上的相互作用，宏观体现为随气体运动而运动，难于分离。针对PM2.5的气溶胶特性，将其视为与流体相互渗透的拟流体或拟连续介质，利用拟流体模型研究颗粒群的平均行为近年来得到重视。

关于气溶胶颗粒在流场中的运动情况及其捕集的研究，已成为一个研究热点。Walton 等研究了细颗粒物在湍流场中的湍动扩散，得到了颗粒物的湍动扩散系数；Waldmann等提出了不同粒径颗粒的热泳速度和扩散泳速度表达式；Deryagin通过分子运动理论得出一个扩散泳力的理论表达式，认为气溶胶颗粒能够获得和水蒸气分子相同的运动速度；Lehtinen等通过对换热器中蒸汽冷凝时气溶胶颗粒的运动情况进行研究，发现颗粒扩散泳速度正比于水蒸气加入量。

结 论

（1）基于气溶胶PM2.5微粒拟流体特性，采用连续介质假设分析了气溶胶流体传热冷凝边界层内PM2.5微粒的热泳、扩散泳现象，依据传热传质类比原理建立了对流扩散速度、热泳速度和扩散泳速度相叠加的PM2.5拟传质系数计算模型，借助横掠列管群的对流传热/传质系数回归方程进行了气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数模拟计算。验证实验采集到气溶胶流体横掠气液交叉流阵列过程中PM2.5浓度逐排下降的数据，统计分析结果与模型计算呈现一致趋势，为进一步发展和完善该模型方法奠定了基础。

（2）气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数的控制性因素是气液两相温度差和湿度差，以总数100排的阵列入口气液两相初始温度差40℃、湿度差0.102 kg/kg为例，前20排PM2.5拟传质系数模型预测值与实验值分别为9.23×10﹣3m/s和10.91×10﹣3m/s，而阵列整体模型预测值与实验值仅为3.33×10﹣3m/s和3.75×10﹣3m/s，原因在于气液两相温度差和湿度差经过前20排后已接近汽液平衡，PM2.5热泳和扩散泳也随传热传质消失而消失。

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气液交叉流阵列PM2.5运动机理与拟传质模型分析

1.1 边界层内PM2.5的热泳运动

图1 含尘含湿气溶胶流体横掠气液交叉流阵列的模型机理

1.2 边界层内PM2.5的扩散泳运动

1.3 PM2.5跟随气体的对流传质

1.4 边界层厚度

图2 含尘含湿气溶胶流体横掠液膜柱的温度分布

A—前驻点；B—边界层分离点

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气液交叉流阵列PM2.5拟传质模型

图3 PM2.5跟随气体的对流扩散拟传质系数kTP随气速的变化

图4 气溶胶流体横掠气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数

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3.1 实验系统及测量装置

图5 气液交叉流阵列PM2.5拟传质系数测试实验流程

3.2 实验条件

表1　实验入口条件

3.3 实验数据向PM2.5拟传质系数的转换

图6 入口处Al2O3

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4.1 气液交叉流阵列PM2.5的拟传质系数

图7 不同条件下气溶胶流体横掠100排气液

交叉流阵列PM2.5的拟传质系数

4.2 不同排数（20、40、100排）的阵列PM2.5拟传质系数

图8 气溶胶流体横掠气液交叉流阵列

（20、40、100排液膜柱）PM2.5的拟传质系数