摘要

微细颗粒不仅是造成雾霾的主要原因，还会携带可吸附有毒物质进入人体肺部，危害人体健康。异质凝结技术作为最有前景的除尘技术之一，通过在颗粒表面形成液膜有效提高了气固分离效率。然而，目前对微米级湿颗粒的碰撞和聚并机制尚未完全明确。本文针对微米级可凝结湿颗粒，基于Fluent软件构建了耦合两相流动、连续表面张力模型和重叠网格的模型，研究微米级湿颗粒碰撞过程中颗粒和液桥的动态变化过程。通过分析表面张力系数、液膜厚度和碰撞前相对速度对颗粒碰撞行为的影响，总结了碰撞过程颗粒动力学变化规律及能量耗散情况，为改善湿颗粒的聚合效果和提升除尘性能提供了理论基础。结果表明，湿颗粒在法向碰撞中遵循液膜变形、反弹和聚并或分离的运动模式。同时，减小液膜表面张力系数、减小液膜厚度、提高碰撞前相对速度都会使液桥高度增加。在动能耗散方面，压差阻力和表面张力引起的能量损失是主导因素，而黏性阻力的能量损失可忽略不计。

空气污染被认为是对人类健康最大的环境威胁，可凝结颗粒和可过滤细颗粒物（PM10）的过量排放是形成雾霾天气的重要原因。PM2.5细颗粒物通过呼吸道被人体吸入后可深入至细支气管和肺泡，进而引发呼吸疾病，危害身体健康。目前工业上针对可凝结颗粒和可过滤细颗粒的排放控制手段主要以静电除尘和湿式洗涤为主，但这些方法对微细颗粒的脱除效率并不理想，且除尘能耗和成本较高。近年来，异质凝结技术因其低成本、高效率的特点成为脱除细微颗粒最有前景的技术之一。该技术利用蒸汽相变凝结原理，使得细微颗粒被液膜包裹，增加了颗粒惯性，提高了颗粒碰撞聚并效率，从而大幅提升了除尘装置性能。

不同于干燥颗粒间的碰撞，湿颗粒碰撞涉及气-液-固三相的复杂过程，不仅与颗粒表面物性参数有关，还受到液膜性质和相关动力学参数的影响。在潮湿环境下，颗粒接触表面间形成的液桥会增加毛细力进而引起额外的能量损失和质量传递。目前，由于实验观测困难和机理复杂，微米级湿颗粒的碰撞聚并过程研究较少。且多数研究中为简化计算忽略了颗粒之间的碰撞聚并。为了研究湿颗粒碰撞过程中颗粒间隙液体的影响机制，有关学者开展了大量的理论与实验研究来理解其表面的固液相互作用关系。

早在1988年，Barnocky等通过实验研究了在覆盖黏性流体的光滑石英表面上小球的反弹条件，确定了使球反弹的最小下落高度。此后Davis等、Crüger等、Gollwitzer等、Müller等又针对碰撞湿恢复系数与相关参数的关系进行了大量的实验研究。Ma等将研究扩展至切向碰撞，并比较了法向和切向碰撞恢复系数以及液桥破裂时间的差异性。与以往干颗粒与覆盖液体层的平板的碰撞实验不同，Buck等对颗粒进行湿润处理，研究了毛细效应对反弹结果的影响，更真实地反映了湿颗粒碰撞的过程。国内李素芬教授团队通过改变不同变量研究了微米级颗粒在撞击壁面时的反弹特性作用规律。

随着计算机技术的飞速发展，为了摆脱微观实验在现象表征时所面临的局限性，在湿颗粒的碰撞过程中直接应用数值模拟（direct numerical simulation，DNS）技术，有助于深入探究碰撞过程中的固液影响机制。在数值模拟方面，为了详细描述颗粒沉降过程，Zhang等通过建格子玻尔兹曼-浸入边界-离散单元方法描述气固两相运动，格子玻尔兹曼方法用于描述气固两相流体运动，颗粒运动通过浸入边界法求解，颗粒间碰撞通过离散单元求解，并应用该数学模型描述了颗粒沉降过程。Wu等则利用DNS研究了动态液桥的形成，基于实验结果提出了一种新的液桥形成模型，为理解与预测实际湿颗粒行为提供了重要工具。Fan等进一步扩展了这一领域研究，通过DNS方法研究了空气中液滴和颗粒间的碰撞过程。他们发现碰撞过程中的动能耗散主要是受到压差阻力的影响，为理解气-固两相流提供了指导。

综上所述，尽管在颗粒碰撞和湿颗粒聚并沉积过程的研究方面取得了一定的进展，但关于湿颗粒的研究大多集中在“颗粒-平板”碰撞过程，这些研究往往只关注毫米级或更大尺寸球形颗粒。然而，随着粒径减小到微米级时，撞击过程中颗粒重力可以忽略不计，表面张力将成为主导力之一，由于受力机制转变，不同尺度湿颗粒碰撞聚并过程差异明显。Wang等为了揭示颗粒速度与运动模式之间的关系，研究了疏水性微米颗粒撞击液滴表面的行为，发现随颗粒初速度的增加，粒子有浸没、振荡和反弹三种运动模式；Ji等进一步探讨了疏水性微米颗粒在碰撞过程中的运动特征以及气液界面的变化情况；在此基础上，Zhu等通过实验研究了微米颗粒撞击液面后的穿透时间，并发现穿透时间随撞击速度变化而受到不同主导力的影响。这些研究主要集中在疏水性微米颗粒与液滴表面的相互作用，但对于包裹液膜的湿颗粒在碰撞过程中的动态液桥形态、液桥力以及能量损耗的变化规律的认识较为局限。此外，由于针对微米级颗粒的实验研究较少，目前与实验数据同行的模型验证也相对匮乏，还有待进一步开展研究。

为揭示微米级湿颗粒碰撞的行为演化过程，本文从微观层面研究凝结颗粒的法向动态碰撞和聚并沉积机制，采用直接数值模拟方法通过重叠网格耦合求解流体体积、连续表面张力模型，建立了微米级凝结颗粒的碰撞动力学模型并与实验数据进行了验证，考察了微细凝结颗粒碰撞过程中气液固界面的演化过程，探究了表面张力、液膜厚度、碰撞前相对速度对颗粒动力学变化规律及能量耗散的影响，为抑制凝结除尘技术的研究与推广应用提供了一定的理论指导。