可吸入颗粒在驻波声场中的团聚特性研究

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可吸入颗粒物作为世界上日益受到关注的一类污染物质,如何将其脱除已经逐渐吸引了越来越多的重视。目前,可吸入颗粒物在外加条件作用下的团聚脱除是各类脱除方法的中心思想,其中最具研究前景的方法之一是声场中可吸入颗粒物的脱除。 本文从可吸入颗粒物的定义和各类性质开始,介绍了可吸入颗粒物的概念、分类和形成机理、对人体和环境的危害,以及各国的研究现状。针对可吸入颗粒物的各种传统的脱除方法进行了详细介绍,特别是声波团聚脱除可吸入颗粒物的几种团聚机理,如同向凝并机理、流体力学作用和声辐射压力作用等。其中,同向凝并机理主要发生在粒径不同的颗粒间,当频率不是很高时使多个颗粒团聚到一起。流体力学作用主要发生在粒径相似的颗粒间,在较高声强时会使颗粒发生快速团聚。阐述了团聚体积和夹带系数的定义,流体力学作用包含的两种机理以及常见的声尾迹效应。 接着采用了可视化实验的方法,搭建了微观可视化的实验台并进行实验,实验台包含了给料系统、声团聚室、声场和测声系统、照明系统、图像拍摄和采集系统等。实验中,使用高倍率的显微镜观察可吸入颗粒物在没有声场作用下和加入驻波声场作用后的运动状态,在不同实验条件和声场参数下,使用高速摄像仪对可吸入颗粒物的运动轨迹进行拍摄,拍摄结果传入计算机内进行分析研究。 实验表明,可吸入颗粒在声团聚室中因受到声波夹带作用在水平方向振荡,由于重力作用在竖直方向沉降,并由于粘性力的影响随着声波漂移。根据拍摄图像,分别采用标尺测量、颗粒重力沉降特性和声波夹带特性计算颗粒粒径。计算结果说明,团聚室内没有宏观流动时,三种方法测定的颗粒粒径一致。当声场参数一定时,利用颗粒的声波夹带特性可以准确计算颗粒粒径。根据图像,对颗粒在声场中的漂移特性进行了分析,使用公式和拍摄图像分别计算了颗粒受到的漂移力和漂移速度,两者的结果是一致的。说明了实验中,颗粒向邻近的速度波节点的漂移完全是由漂移力所引起。根据可视化实验可以得出颗粒的几何尺寸及运动参数,对于明确颗粒在声场中的运动,为进一步对颗粒团聚特性进行分析提供了基础。 最后根据可吸入颗粒在声场中的受力分析,计算了颗粒在声场中受到的重力、粘性力、压力梯度力和漂移力,并使用牛顿第二定律计算了随着时间变化,颗粒在合力作用下的运动加速度、速度和位移,并根据颗粒的初始位置最终模拟得到颗粒的运动轨迹。文中使用了拍摄到颗粒的相同实验条件进行计算,分别给出了两个单颗粒的运动轨迹,还给出了其中一个颗粒进入声场的初始位置分别在速度波腹和速度波节处的运动轨迹。结果显示,模拟计算的两个颗粒的运动轨迹都与拍摄结果一致。颗粒在竖直方向上的沉降位移与拍摄结果完全相等,水平方向上,颗粒的夹带幅值和漂移距离及漂移方向与拍摄结果基本一致。证实了颗粒在驻波声场中受到的主要作用力就是重力、粘性力、压力梯度力和漂移力。将压力梯度力和漂移力进行了比较,压力梯度力是由驻波声场中可吸入颗粒两侧压力大小不等所造成的,而漂移力则根据粘性力不对称推导得到。两者大小都与颗粒进入声场初始位置、颗粒粒径和声场强度有关,但相对于粘性力都可以忽略不计。实验条件下漂移力始终大于压力梯度力。
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