（环境工程专业论文）微粒凝并monte+carlo法分析及室内微粒演变规律的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：大气中的可吸入颗粒物是危害人体健康的主要因素。近年来，随着对大气 悬浮微粒的深入研究，人们逐渐认识到细微粒及超细微粒对人体健康的影响。大 气悬浮颗粒物由于粒径较小，吸附有害物质多，逐渐成为威胁人类健康的巨大隐 患。因此，系统的研究大气中的微粒演变规律具有十分重要的意义。 本文采用数值模拟的计算方法，通过通用动力学方程( g d e ) 确定微粒凝并过程 的数学模型，在此基础上，应用多重m o n t ec a r l o ( m m c ) 方法，编写c 语言计算程 序，模拟微粒的碰撞凝并过程。通过对数值模拟计算结果与理论结果的比较，验 证了利用多重m o n t ec a r l o 算法模拟微粒凝并的可行性。在此基础上，系统的分析 了虚拟微粒数、初始化区间长度以及初始微粒浓度对该算法模拟计算结果的影响。 通过研究，确定了虚拟微粒数大小、初始化区间长度以及微粒浓度大小对凝并过 程计算结果的影响规律。研究结果表明，增大虚拟微粒数和初始化区间长度，可 以提高模拟结果的准确度；选取适当的虚拟微粒数、初始化区问长度可以合理的 描述微粒的实际凝并过程；虚拟微粒数大小的选取同样受到初始微粒浓度的影响。 本文建立了描述室内环境微粒的凝并、沉降和扩散沉降过程的数学模型。编 写c 语言计算程序，对室内环境微粒的凝并、重力沉降、扩散沉降过程及影响因 素进行分析和研究，并将模拟结果与实验结果相比较。研究结果表明，数值模拟 结果与实验数吻合度较好，说明本文所建立的数学模型能够合理反映室内微粒的 演变规律。计算分析了凝并、扩散沉降、重力沉降、通风速率以及微粒特性对室 内微粒浓度和尺度分布的影响，以及不同背景条件下，微粒浓度和尺度分布的演 变过程，确定了微粒浓度和尺度分布的变化规律。研究结果表明，凝并、扩散沉 降过程是造成室内环境微粒减少的主要原因；微粒初始浓度对演变过程中的微粒 浓度和尺度分布产生影响；室内通风同样会影响到微粒浓度的变化，通风是导致 微浓度降低的重要原因。 关键词：m o n t ec a r l o 法；虚拟微粒数；权值；区间长度；室内微粒；演变规律 分类号： 北京交通人学硕士学位论文 学位论文数据集 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h es u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e ri st h em a i nf a c t o rw h i c ha f f e c t sh u m a n h e a l t h i nr e c e n ty e a r s ，t h ep a r t i c u l a t eh a v eb e e no n eo ft h em a j o ra i rp o l l u t i o np r o b l e m s b e c a u s eo ft h e i re x t r e m e l ys m a l ls i z ea n dl a r g e re n r i c h m e n tf a c t o r so fp o l l u t e de l e m e n t s ， t h es u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e ri sr e c o g n i z e da so n eo ft h em o s ts e r i o u sh e a l t hh a z a r d s f o ra s s e s s m e n to fp a r t i c l e sh e a l t he f f e c t s ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yt h ee v o l u t i o no f p a r t i c l e si nt h ea i r t h i sp a p e rc r e a t e dap h y s i c a lm o d e lo fc o a g u l a t i o nb yg e n e r a ld y n a m i ce q u a t i o n ( g d e ) a n dt h e n ，c o m p o s e dcp r o g r a mt oi n v e s t i g a t ec o a g u l a t i o nb ym u l t i m o n t e c a r l om e t h o d c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n sa n dt h et h e o r e t i c a lv a l u e s h o w e dg o o da g r e e m e n t a n dt h e nt oa n a l y z et h ee f f e c t so ft h ef i c t i t i o u sp a r t i c l e ，t h e l e n g t ho fi n t e r v a la n dt h ec o n c e n t r a t i o nt ot h ec o a g u l a t i o n i th a sb e e nc o n f i r m e dt h a t i n c r e a s et h eq u a n t i t yo ft h ef i c t i t i o u sp a r t i c l ea n dt h es i z eo ft h el e n g t ho fi n t e r v a lc o u l d e n h a n c et h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t er e s u l t s t h eq u a n t i t yo ff i c t i t i o u sp a r t i c l ei sa l s o a f f e c t e db yp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n t h i sp a p e rb u i l d st h ep h y s i c a lm o d e l so fc o a g u l a t i o n ，d i f f u s i o nd e p o s i t i o na n d g r a v i t yd e p o s i t i o n a n dt h e n ，c o m p o s e dcp r o g r a m t o i n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f c o a g u l a t i o n ，d i f f u s i o nd e p o s i t i o n ，g r a v i t yd e p o s i t i o na n dv e n t i l a t i o no nt h ee v o l u t i o no f i n d o o re n v i r o n m e n t a lp a r t i c l e s c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e m o d e lp r e d i c t i o n ss h o w e dg o o da g r e e m e n t ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h em o d e lr e s u l t sc a l l r e f l e c tt h ec h a n g et r e n do fp a r t i c l e si na na c t u a li n d o o re n v i r o n m e n t t h ec a l c u l a t i o n a n a l y s i si n c l u d e st h ei n f l u e n c eo fc o a g u l a t i o n ，d i f f u s i o nd e p o s i t i o n ，g r a v i t yd e p o s i t i o n ， v e n t i l a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l e so nt h ee v o l u t i o no ft h ei n d o o r e n v i r o n m e n t a l p a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o na n d s i z ed i s t r i b u t i o n p a r a m e t e r s ， a n dt h e e v o l u t i o nt r e n do ft h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na n ds i z ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e r su n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s i tc o n c l u d e dt h a td i f f u s i o nd e p o s i t i o na n dc o a g u l a t i o na r e t h em o s t i m p o r t a n tr e m o v a lm e c h a n i s m so fp a r t i c l e su n d e rac l o s e di n d o o re n v i r o n m e n t t h e i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l e sc a na l s oa f f e c t st h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nv a r i a t i o nw i t h d i a m e t e r v e n t i l a t i o np r o c e s si su s u a l l yt h em a i nf a c t o ro nt h er e d u c i n go fp a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n k e yw o r d s ：m o n t ec a r l om e t h o d ，f i c t i t i o u sp a r t i c l e ，k w t ，t h el e n g t ho fi n t e r v a l ， i n d o o rp a r t i c l e s ，e v o l u t i o n c l a s sn o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：翮曲 签字同期：泖譬年6 月，2 日 导师签名：字够 签字日期：砌汐年b 月硝 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匀忽导妁 签字日期：砌扩年月2 日 8 9 致谢 本论文是在我的导师宁智教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、方案论 证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导师大量 的心血。 宁老师渊博丰厚的学识、严谨科学的治学态度、启发诱导式的指导方式以及 对人对事极负责任的态度，都使我终生受益。两年以来，宁老师不仅在科研、学 业上给我提出了殷切的期望和严格的要求，而且在生活上给予了极大的关心和帮 助。无论何时，宁老师都耐心的帮助我分析、解决问题。从导师那里不仅学到了 丰富的专业知识，而且学会了如何思考，如何开展科研工作，如何做人。在此论 文收稿之际，谨向宁老师表示深深的敬意和衷心的感谢! 感谢宋云超同学、师姐付娟在论文的研究工作中给予的帮助。在他们的帮助 下，我更快的熟悉课题，从而顺利的开展课题研究工作。感谢付娟师姐对我的课 题研究给予的帮助和建议，特别感谢宋云超同学对我的悉心帮助。 感谢室友陈红和孙晶晶一直以来的关心和照顾以及在论文工作中的支持，从 她们身上，我学到了许多有益的知识，两年的相处，令我终身难忘，我深深珍惜 这段时光。 感谢冯戈、白银环、王蕾等同学，两年的相处，增进了我们之间的友谊。 感谢师兄陈晓明、师姐宋立媛、王丽俪、齐薇、谭清、实验室成员张硕、姜 玲玲、刘耀东等在我撰写论文期间的照顾和帮助，再次向他们表达我的感激之情。 感谢北京交通大学机电学院曾给予我关怀、指导和帮助的各位老师。感谢机 电硕0 6 0 2 班全体同学，他们在学习、工作和生活等各方面都曾给予我极大的帮助 和支持。向他们表示由衷的感谢和良好的祝愿! 最后，特别感谢我的父母家人，多年求学在外，他们一直是我战胜困难的精 神支柱，感谢他们多年来对我的关心和支持! 1 绪论 1 1 研究工作的背景 1 1 1 课题的研究背景 1 绪论 有害物质及非大气组分的物质进入大气称为大气污染。大气污染物按其存在 的形式可以分为气态大气污染物和大气气溶胶两种形式。其中大气气溶胶主要是 指液体或固体颗粒均匀分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。这些液体或固 体颗粒又称作大气颗粒物【。 近年来，引起人们对空气悬浮微粒尺度高度重视的原因，是人们逐渐认识到 细微粒及超细微粒对人体健康的影响。通常影响大气能见度的大气颗粒物的粒径 在0 2 2 1 a m 范围内，对人体健康影响最大的大气颗粒物的粒径在0 0 1 2 5 l a m 范围 内【2 】。北京市1 9 9 7 年的大气监测表明：对小于2 0 9 m 的大气颗粒物贡献最大的是 汽车尾气排放，其最大贡献率为6 9 7 ，平均为5 5 左右。在采暖期，烟气飞灰 对于可吸入颗粒物的贡献略高于汽车；但是在非采暖期，汽车尾气对于可吸入颗 粒物的贡献要远高于烟气飞灰，而成为大气颗粒物的主要污染源。 就世界范围来说，很多发达国家的空气污染主要是交通尾气污染。其主要成 分为：c o 、n o 。、s 0 2 ，碳氢化合物等。我国有着庞大的交通网络和几千万辆机动 车，有资料显示，2 0 0 5 年我国汽车保有量达到3 3 5 6 万辆，而另据国务院发展研究 中心估计，中国汽车产业将会保持2 0 3 0 年的快速增长，2 0 1 0 年达到5 6 6 9 万辆， 2 0 2 0 年将高达1 3 1 0 3 万辆。此外，室内空气污染也是空气污染的另一个主要部分。 人们在生产生活中8 0 以上的时间是处于室内环境中，室内环境环境空气的质量 对人体健康有很大的影响，而微粒浓度作为室内环境状况的评价因素，也引起了 普遍的关注。 1 1 2 大气环境中的微粒对人体的危害 ( 1 ) 汽车尾气微粒对人体的危害 据资料表明【3 】大气中的颗粒物粒径越小，吸附的有毒有害污染元素越多。小 粒径颗粒上的污染元素的体积浓度和质量浓度大约是大粒径颗粒物上的1 1 2 1 1 绪论 倍。汽车排气微粒基本上处于亚微米范畴。其中，柴油机排气微粒粒径在0 0 1i t m 到3 0 0 9 m 之间，汽油机等发动机等排放的微粒粒径更小，有相当数量的微粒甚至 小于0 0 5 9 m 。 汽车微粒排放会降低大气能见度以及引起人体呼吸系统的疾病，例如造成呼 吸短促、咳嗽和喘息，加重呼吸系统疾病的程度和损害肺部组织等：尤其是极细 微粒，由于它们的尺寸很小，更容易侵入人体肺脏深处，对人的身体造成更严重 的损伤。汽车排气微粒甚至已被认为对人体具有潜在的致癌作用【4 j 。 柴油机排气微粒是以碳元素为主的碳烟、未氧化或未完全氧化的碳氢化合物、 硫酸盐及水和其它杂质组成的混合物。柴油机排气微粒大小为0 0 1 0 3 9 m ，且重 量轻，能长时间悬浮在大气中，会对环境造成长期的污染。微粒中含有致癌性很 强的聚合多环碳氢化合物，它易沉积在人体的呼吸道和肺泡上，而且其上常粘附 苯并芘等有致癌作用的有机物，容易引发呼吸道肿瘤或肺癌，并加重哮喘病人已 有的临床症状，对人类的健康有极大的危害。 d o n a l d s o n 和k i t t e l s o n 对超细微粒的危害进行了研究。研究结果表明岭6 】，相 对于细微粒，相同质量的超细微粒包含着上千倍数量的微粒，且超细微粒和极细 微粒在人体肺泡中的沉积比例相对较大。已有研究表明，同一种微粒当粒径大于 1 0 0i 衄时可能是无害微粒，当粒径小于1 0 0 n m 时，则可能变为对人体有害的微粒 【8 】 o s e a t o n 对不同粒径范围内的n 0 2 微粒对人体健康的影响进行了研究，研究发 现n 粒径为0 0 2 i _ t m 的t i 0 2 微粒与0 2 5 i t m 的t i 0 2 微粒相比，前者在人体肺部的 间质组织中沉积了更多的极细微粒而且导致明显的发炎反应。而一般情况下t i 0 2 在生物学上被认定为中性无害的微粒，它在极细微粒的形式下却导致了人体肺部 强烈的发炎反应。 由以上分析可以看出，在将来的几十年中，内燃机排气微粒将成为威胁人体 健康的头号杀手，微粒对人体健康的危害程度主要取决于微粒的大小、浓度、成 分以及微粒在大气中的滞留时间等。近年来，机动车微粒排放已受到普遍高度重 视，然而到目前为止，人们对排气中的微粒物质在空气中的生成、演变及扩散规 律的了解却非常有限，这在一定程度上限制了人们发展控制微粒的技术。 ( 2 ) 室内空气污染对人体的危害 人类在各种社会活动、生活及生产活动中约有8 0 的时间是处在室内环境中， 室内空气的质量直接影响着人们的身体健康。室内空气污染主要来自于室内建筑 及装潢材料、现代办公设备、室外空气的侵入污染物和人体自身所产生的污染物嗍。 室内空气污染物主要包括气态污染物、气溶胶污染物及细菌和病菌等。气态 2 1 绪论 污染物主要包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氡气以及甲醛等。 二氧化硫主要来源于燃烧含硫的燃料，当浓度达至u l m g l 时，会加重呼吸系统 疾病和心血管疾病。 氮氧化物主要包括n o 和n 0 2 。当n 0 2 的浓度达到1 3 m g l 时，进入人体肺部， 造成对呼吸道粘膜的刺激，严重时会引发急性哮喘；当浓度达n 1 0 0 m g l 1 5 0 r n g l 时，接触3 0 6 0 m i n 可致人死亡。 一氧化碳对人体的危害表现在与人体内的血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白。 一般而言，c o 的浓度在4 0 m g l - 6 0 m g l ，会感到头疼疲劳；在7 5 m g l 2 0 0 m g l 时， 会感到恶心、失眼。 氡气对人体的潜在危害主要是导致肺癌，其诱发肺癌的潜伏期大多都在1 5 年 以上，世界1 5 的肺癌患者与氡气有关，它是除吸烟以外引起肺癌的第二大因素。 甲醛经呼吸道吸收，对粘膜和皮肤有强烈的刺激作用。使细胞的蛋白质变性， 抑制一切细胞机能，对视网膜有较强的损害。当甲醛浓度为0 2 5 m g l 时，气喘病人 和儿童就会面临威胁；浓度为0 1 m g l 时，可刺激咽喉和肺上部；当其浓度为 o 0 5 0 0 6 m g l 时，儿童发生气喘【9 1 。 在气溶胶污染物中，可吸入颗粒物( p m l o ) 对人体的危害最大【l 们。人类的呼吸系 统可以有效清除较大的颗粒，较小颗粒就会随呼吸进入肺部，影响人体的健康。 表现为对眼、鼻、咽的刺激，引起肺功能的下降，心脏压力的增大。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外大气微粒演变的研究现状 ( 1 ) 排气微粒的演变 对于微粒的微观演变研究，尤其对于发动机排放微粒，其产生微粒粒径小， 数量大，目前其研究目标主要放在凝并、核化以及凝结等相关过程。 凝并过程 微粒凝并指微粒间相互碰撞而粘附在一起，从而形成新的微粒的过程。微粒 凝并对一定体积内的微粒的质量浓度没有改变，但会影响到微粒的数目浓度。微 粒的布朗运动、流体的湍流运动以及微粒间存在的各种内部力都可引起微粒间的 相互碰撞而发生凝并，其中使微粒间发生凝并的主要作用是微粒的布朗运动。研 究表明，对于2 0 - - - 1 0 0 0n l n 范围内的微粒来说，布朗运动是微粒凝并的主要驱动力， 3 l 绪论 而其他一些影响因素的作用则是次要的。 范德瓦尔斯力有助于尺度相似微粒间的凝并，特别是粒径小于5 0 n m 的微粒间 的凝并。由于汽车排气微粒的凝并是以布朗运动为主导，因此在许多研究中都忽 略了范德瓦尔斯力对微粒凝并的影响。 此外，微粒的重力沉降也会影响到微粒间的凝并。但已有的研究表明，由于 重力沉降而发生的凝并对微粒粒径分布的影响不大。 研究发现，对于细小的微粒来说，湍动剪切力很难使微粒发生凝并。除非是 相当强烈的湍流，一般来说流体的湍流运动对微粒凝并的影响不大。此外，微粒 不规则的几何形状对微粒间的凝并也会产生一定的影响i l ，微粒的不规则形状增 加了微粒间碰撞的机会。汽车排气微粒具有不同的几何形状，从线性集合体到类 似球形都有可能，汽车排气微粒外形的不规则使微粒间的碰撞凝并加剧。此外， 微粒的扩散率也会在一定程度上影响到微粒间的凝并。 从目前对微粒凝并的研究来看，主要是通过描述两个微粒之间相互碰撞【l 引， 然后形成新的微粒的过程来描述微粒的凝并。在布朗运动的作用下，微粒间发生 碰撞而粘附在一起，形成新的更大的微粒。小微粒与大微粒的凝并不会改变大微 粒的数目，但会改变大微粒的粒径及小微粒的数目。凝并过程会降低微粒的数目 浓度，增加微粒的平均直径。相关的研究表明，小微粒倾向于与粒径大于5 0 r i m 的 微粒凝并，而大于5 0 n m 的微粒则很难与粒径更大的微粒凝并。 计算凝并对微粒浓度及粒径的影响，一般通过数值模拟求解。传统的碰撞理 论没有考虑微粒的不规则形状对凝并的影响，只用微粒的直径来描述微粒，也就 是简单的将微粒看成是球形。现阶段开始在计算分析中考虑微粒不规则外形的影 响，利用分形理论对微粒进行研究，使得研究结果更加接近真实状况。 凝结过程 凝结过程是指气体中的可凝结组分在已存在的微粒表面上进行凝结的过程。 凝结过程并不能产生新的微粒，但是会改变微粒的粒径及其分布，湿度以及微粒 的大小均对凝结有一定的影响。 汽车排气中可凝结的蒸汽主要包括硫酸蒸气、有机化合物气体和水蒸气等。 蒸气凝结和微粒核化发生的条件很相似，都是在饱和度超过一定的限值后开始发 生。若排气中已有微粒的表面积较大，则硫酸、水蒸气及一些挥发性有机化合物 等低挥发性物质就会发生冷凝而附着在微粒表面，而不是发生核化形成新的微粒。 凝结发生的可能性大小与可供冷凝的微粒表面积有关，当微粒的表面积小于 某个值时1 1 3 】，蒸气的凝结就难以发生。可以定义一个微粒的临界粒径d 口，只有当 微粒的粒径大于耽时，凝结现象才有可能发生。这个临界粒径与微粒数、微粒组 4 1 绪论 成以及相对湿度等都有一定的关系。 研究表明，冷凝和蒸发对微粒粒径分布影响的强弱与微粒的吸湿性密切相关。 微粒的吸湿性会直接影响到蒸气的冷凝及微粒大小的变化。 此外，微粒浓度较大时，会在一定程度上抑制微粒核化的发生；同时由于可 供凝结的表面积较大，因此有利于凝结的发生。 汽车排气微粒的形状会因为凝结的发生，特别是水的吸附而发生变化。汽车 排气微粒本身吸湿性较小，但若微粒中含有一些可溶性物质，如硫化物等，就会 产生吸湿性。在潮湿的空气中，微粒就会因为水蒸气的凝结与吸附而变成球形。 核化过程 核化过程是指可凝结组分在局部过饱和区自发形成核的过程。核化过程形成 了新的微粒。汽油燃烧产生的大量气态微粒如二氧化硫、水蒸汽等，在迅速冷却 以及适当的湿度条件下，会发生核化。目前的核化过程研究主要集中在排放尾气 中污染性物质的研究上。 汽车燃油中所含的硫成分在燃烧室中燃烧后，氧化生成s 0 2 。当排气在空气 中冷却后，气态s 0 2 与水蒸气冷凝形成h 2 s 0 4 液滴，继而形成二元核化物 h 2 s 0 4 h 2 0 ，即形成新的微粒。这个从气体到微粒的转化过程主要是由饱和度推动 完成的【7 】。对于汽车排气中的一些可溶性的有机成分或者硫酸来说，当它们随排气 稀释冷却时，随着饱和度的增大，这时就有发生微粒核化的可能。相关研究表明， 空气中悬浮微粒物浓度低、排气排出后迅速冷却、合适的相对湿度以及较高s 0 2 浓度等都有助于发生微粒的核化。 汽车排气从排气管中排出后会迅速稀释，研究表明在这一阶段，排气在1 3s 内可以稀释1 0 0 0 倍以上【h 】，这有助于排气中的硫酸保持气态，否则硫酸就会冷凝 到已有的微粒表面，而不是发生核化，形成新的微粒。排气温度的下降使阀值降 低，核化过程得以发生。 核化的结果是形成新的微粒。在汽车排气进入大气的初期，微粒的核化会大 量发生，产生许多新的微粒，使得排气中的微粒数量浓度和质量浓度升高。相关 的研究表明，距汽车排气管0 5 m 左右处是微粒核化易于产生的区域，在此位置处 微粒的核化会大量发生。 ( 2 ) 汽车排气微粒演变规律的研究 汽车排气微粒主要是由燃料的不完全燃烧释放出的，这些微粒包含了碳元素、 有机碳、硫酸盐、硝酸盐以及一些挥发性有机化合物，还有一些很小的碳氢化合 物微粒。这些微粒还会发生反应形成二次微粒污染物。汽车排入大气中的微粒浓 度、成分以及分布等，一方面取决于发动机燃油及发动机运行工况，另一方面也 5 1 绪论 取决于排气微粒在排气管和排气尾流中的反应条件。按反应空间划分，汽车排气 微粒的生成、演变及扩散可分为排气管内、排气尾流中以及空气中等三个部分。 目前国内外对汽车排气微粒的研究也是按照这三种不同情况分别开展的。 由于排气管内温度高且变化快、排气气流脉动强、各种污染物的浓度大、相 对湿度高等因素，发生在排气管内的有机物和无机物的核化与凝结以及微粒间的 凝并过程极其剧烈。从汽车排气管进入大气中的微粒浓度、分布以及组成将直接 影响到排气微粒在排气尾流及空气中的演变及扩散规律。 已有研究结果表明【l l l 引，排气管内微粒的浓度、分布及组成与柴油机运行工 况及排气冷却程度密切相关；在运行工况一定的条件下，则取决于排气的冷却程 度。通过排气冷却，可使排气管内肛1 0 p m 范围内的小微粒数量减少4 0 6 0 ， 最多时可以减少9 0 以上，微粒中的可溶性有机成分( s o f ) 有不同程度的增加，而 排气中的h c 浓度则相应地下降。从这一研究结果中可以清楚地看到排气微粒在排 气管内变化的剧烈程度。 汽车微粒随排气进入排气尾流后，由于排气的迅速稀释，排气中的温度、湿 度以及污染物的浓度迅速下降。然而，由于时间尺度及反应条件的允许，在排气 尾流中仍会发生剧烈的有机物和无机物的核化与凝结以及微粒间的凝并等过程， 从而导致排气尾流中微粒分布及成分的变化。 k i t t e l s o n 及d o y l e 等人对可凝结气体向微粒转换的驱动力，即饱和度对可凝结 气体核化的影响进行了分析。研究结果认为【6 】，可凝结气体向微粒转换的驱动力是 该可凝结气体在排气中的饱和度；有时由于极高的混合能量，即使可凝结蒸汽处 于极度非饱和状态，二元均相核化也会发生。 f r i e d l a n d e r 及b a u m a g a r d 等人研究了汽车排气尾流中可凝结组分饱和度的变 化规律以及饱和度对可凝结组分核化的影响。所得到的研究结果表明【l6 】：排气尾 流中有机成分的饱和度与所需要的核化要求有一定的差距，但一定程度的核化仍 可以发生。二元均相核化不需要过饱和，它在稀释比为1 0 ：1 和5 0 ：1 之间甚至更高 的稀释比下都可以发生。 从已有的研究成果中可以看出，在汽车排气尾流中，存在适合h c 核化及 h 2 s 0 4 h 2 0 蒸汽二元均相核化的条件，因此在汽车排气尾流中将会产生h c 和 h 2 s 0 4 的核化微粒，而这些核化微粒将会在空气内的微粒演变中起到重要的作用。 h i n d s 及a h l v i k 等人对可凝结组分的凝结条件进行了研究，认为在排气可凝 结组分的凝结过程中，可凝结组分是凝结在已存在的微粒表面而不是形成新微粒； 同时，可凝结组分的凝结需要较高的饱和度【1 7 1 。 s e i n f e l d 等人则从更一般的意义上对微粒凝并机理进行了研刭1 8 】。研究结果表 明，对2 0 1 0 0 0 n m 粒径范围内的微粒来说，微粒间存在的各种内部力在微粒凝并 6 l 绪论 中的作用较小，起主要作用的是微粒的布朗运动及流体的湍流运动。 随着汽车排气在空气中的逐步扩散，这一阶段排气饿稀释没有上一阶段强烈， 排气微粒将进入一个相对稳定的变化阶段。微粒的凝并、可凝结组分在微粒表面 的凝结以及微粒的扩散沉降是此阶段微粒演变的主要特征。 关于空气中微粒演变问题国外已开展了很多年的研究。从目前的研究现状上 看，对于凝并过程，国外的研究重点大多放在以环境空气为背景，一般气溶胶的 凝并理论、凝并系数的确定、凝并方程的求解方法等方面，而具体针对汽车排气 微粒在空气中的凝并过程的研究却很少；对于核化过程，则主要集中在其理论分 析，成核条件方面的研究，以均相核化为主要研究方面；涉及可凝结组分及水蒸 气在汽车微粒表面凝结问题的研究则比较缺乏。 ( 3 ) 室内环境微粒演变的研究 室内空气污染是影响人体健康的主要因素【侈2 0 1 。空气污染微粒对人体健康会 造成很大危害，会增加冠心病、癌症以及慢性肺病等的发病几率【2 1 ，2 2 1 。室内空气 污染物，主要来自于室内建筑及装潢材料的释放，由吸烟、炊烟产生的烟雾以及 人体自身所产生的污染物等。其中由于香烟所产生的可吸入颗粒物而导致的室内 空气污染受到普遍关注。由吸烟所产生的微粒是影响室内环境微粒浓度的主要因 素。香烟微粒( e n v i r o n m e n tt o b a c c os m o k e ，e t s ) 是由水蒸气和不同微粒相组成的复 杂气溶胶。e t s 组分复杂，目前，至少已有4 7 0 0 种组分已经被确认，据估计还有 高达1 0 0 ，0 0 0 种组分尚未被确定f 2 3 1 。e t s 含有大量的化学成分及混合物质，该混合 物所对于健康的损害机制还不是很明确。在e t s 中，无论是在气相还是在颗粒相 中，都存在大量有害元素。尺度研究表明，e t s 极易大量沉积于人体的呼吸道和 肺部器官上。科学研究表明，e t s 的大量存在加大了患冠心病、癌症以及慢性肺 病的风斛列，2 2 1 。 室内环境中，e t s 的浓度是室外开放空间的很多倍【2 4 】。相较于无烟环境【2 5 , 2 6 1 ， 吸烟者所处的环境中可吸入微粒的平均浓度高于正常浓度2 0 3 0 9 9 m 3 。因此研究 室内环境微粒，尤其是由香烟产生的微粒的演变过程及演变规律，具有重要意义。 由吸烟产生的e t s 随时间会被室内空气稀释，发生多种化学反应和物理变化。 e t s 的时间尺度变化受吸烟频率、室内环境通风速率，空间体积比等因素影响【2 丌。 现已存在对室内环境e t s 变化的实验研列2 7 , 2 8 】。m o r a w s k a 等通过在密闭室和实际 室内的实验研究发现，封闭室内实验不能充分的模拟室内测量结果【2 8 1 。仅依赖于 实验手段对e t s 微粒的演变过程进行研究是非常困难的。目前，对e t s 在不同室 内空间的微粒浓度变化和尺度分布变化特征的研究还很少，因此建立室内环境e t s 微粒演变过程模型，具有巨大的研究价值。 7 l 绪论 国际上对室内e t s 污染的研究越来越重视。在实际室内环境中，e t s 的演变 过程十分复杂。已有研究表明，室内污染微粒浓度的扩散主要受凝并、扩散沉降、 重力沉降及室内通风条件的影响。c r u m p 和s e i n f e l d 在c o m e r 和p e n d l e b u r y 所提 出的模型基础上发展该理论模型，用来评估在任意形状的封闭空间内由于布朗运 动、湍流扩散以及重力沉降而引起的微粒减”】。该模型被广泛应用与室内微粒 扩散与沉降演变规律的研究。但该模型未考虑凝并过程对微粒数目以及尺度分布 的影响。对于微粒浓度总数超过1 0 4c m 3 的室内环境，凝并对于微粒浓度及尺度分 布具有深远影响【3 们。实际上，由于空间体积有限以及低换气速率，很多由于吸烟 而引起的室内空间的微粒浓度相当蒯”j 。m u l l e r 较早提出了有关微粒的凝并理论。 p a r k 和k i m 等，则将凝并过程考虑到微粒扩散演变中，应用理论模型求解，分析 微粒的演变规律【3 2 1 。 1 2 2 国内外求解算法的研究进展 颗粒动力学演变过程中的尺度分布是控制可吸入颗粒物( p m ) 的关键参数之 一，颗粒尺度分布( p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，p s d ) 的时间演变过程数学上可由通 用动力学方程( g e n e r a ld y n a m i ce q u a t i o n ，g d e ) 所描述，考虑凝并、凝结以及核 化过程的数学方程如下1 3 驯： 半= 侄l ( v - u , u , t 帅r i p 叫帆( u , t ) d u - r i p f ) e 脚，f ) 叫州m 一 业誓剑 + 鹕一 l v 7 j 式中，以。( ，一u ，f ) 为颗粒尺度分布函数，表示时刻t 、体积为，的颗粒的数目 浓度，p ( v ，u ，t ) 是时刻t ，体积分别为y 和u 的两颗粒的凝并核，表示单位时间内两 颗粒发生一次凝并的概率；i ( v ，t ) 为凝结核，表示t 时刻颗粒的体积变化率，j 。( v ，f ) 为体积为v 的颗粒的成核核，表示核体产生的速率，4 ，、为d i r a cd e l t a 函数。 从目前研究微粒的时变特性的现状来看，研究的主要手段是通过计算机模拟， 因为就当前的技术水平而言，对这样的一个微观的问题要通过实验来研究解决， 存在着相当大的难度，因此大部分的研究成果都是通过计算机模拟的方法获得。 模拟方法主要分为两种，解析模拟方法和数值模拟的方法。解析方法旨在对 方程进行转换及简化，一般需要复杂的数学推导，设定特殊形式的函数，对研究 的物理数学模型做了大量的简化处理，不能很好的表现模型的特点。而数值模拟 则不用具体的函数表达式，而是用多个点的数值表示函数的方法，来解决实际问 8 1 绪论 题。因此，一般采用数值模拟的方法进行分析求解。数值模拟计算方法目前已广 泛的应用于那些数学方程比较复杂，物理边界形状又不规则的问题，模拟结果相 对较好，具有广泛的应用前景。 目前国际上常见的g d e 方程的求解方法有矩方法、分区法、离散分区法和 m o n t ec a r l o 法等。 ( 1 ) 矩方法( m o m e n t so f m e t h o d ) 矩方法是描述颗粒尺度分布函数的矩的演变过程的方法。矩方法一般可得到 尺度分布的一些平均信息，如颗粒总数目、平均尺度、多分散程度( p s d 的几何标 准偏差) 等，从而通过假设的参数化形式的颗粒尺度分布函数而得到颗粒尺度分布 的时间演变过程。 矩方法一般只能针对特定函数形式的颗粒尺度分布进行求解，如假设初始颗 粒尺度分布曲线为对数正态分布【3 4 1 、伽马分布【3 5 】等，并认为颗粒尺度分布在其后 的演变过程中仍然保持同样的函数形式，即认为已经达到了自保持状态；或者假 设初始颗粒尺度分布单分散性1 3 4 1 ，或者对凝并核进行一阶t a y l o r 扩展等。 矩方法作为一种分析方法，被广泛的应用于得到颗粒尺度分布函数随时间演 变过程的理论分析解。l e e 和p a r k 及其合作者广泛利用这类方法，得到了特殊核函 数形式时一系列的理论分析解，如分别考虑非规则颗粒和考虑颗粒滑移修正的连 续区、自由分子区和过渡区布朗凝并工况的近似解【3 4 1 ，考虑布朗扩散和重力沉降 机制的沉积核工况的理论解【3 6 】，湿去除机制下的沉积核工况的理论解【3 7 1 ，冷凝蒸 发核工况的理论解等【3 8 ，3 9 】和电厂静电除尘器中颗粒的沉积机制的工况下的理论分 析解等，华中科技大学的耿瑁等【4 0 l 利用矩方法求解气溶胶通用动力学方程，将燃 煤生成的典型多分散性颗粒系统构造程为较完整的颗粒物迁移过程的计算模型。 研究分析细颗粒自身的布朗碰撞凝并过程、粗颗粒自身的非均相凝结过程，并重 点考虑了细颗粒向粗颗粒表面的扩散，对典型煤燃烧环境中细颗粒的数密度分布 变化规律进行了预报与分析。 ( 2 ) 分区法( s e c t i o n a lm e t h o d ) 分区法把颗粒尺度分布曲线进行离散，划分为有限数目的m 个区间，认为每个 区间内颗粒尺度分布满足一个统一的分布函数( 如假设每个区间内颗粒满足单分散 性分布) ，在每个区间内针对某个颗粒属性的分布函数，建立平衡方程，联立求解 这些平衡方程，可以得到某个颗粒属性的分布函数随时间的演变过程。 分区法的精度和计算代价取决于所采用的分区的数目。h o u n s l o w 等通过一个 特殊的离散规则把g d e 这个部分积分微分方程转变为一个普通差分方程，简化了 分区算法，可以容易地利用传统的有限差分技术来求解g d e 的时间演变【4 1 1 。x i o n g 9 1 绪论 等和j e o n g 等发展了二维分区法【4 2 ，4 3 l ，能够同时求解不规则颗粒的体积和表面积分 布函数。分区法在工程实际应用中得到了较为广泛的发展，特别是考虑凝并和成 核机n t 3 4 , 3 5 】时，对于沉积和冷凝蒸发机制也可以处理。 分区法计算量较小，计算精度较高，但难于处理多组分工况，包含化学反应 等过程无法描述，且算法复杂，处理粒径分布很广的多分散性颗粒也不方便。 ( 3 ) 离散分区法( d i s c r e t e s e c t i o n a lm e t h o d ) 离散法是对每一个尺度的颗粒粒径建立离散的普通差分方程( o d e s ) ，描述某 些机制作用下这些颗粒的数目浓度的时间演变过程，并联合求解这些离散方程组， 这种方法不需要对颗粒的初始尺度分布作任何假设，并且可避免积分运算。分区 法有着计算代价较低而计算精度尚可的优点，但是对于尺度分布的低端部分，分 区法的计算精度并不高，而离散法则对于尺度分布的任何部分都有着极高的计算 精度，但是同时也需要很高的计算代价。如果只对尺度分布范围较为狭窄的低端 部分采用离散法，而其余部分采用分区法求解，则新算法的计算代价仍然可以接 受，而计算精度在低端部分的缺陷将得到弥补。离散分区法正是基于以上考虑而 发展起来的，它结合了两种方法的优点，同时尽量避免了各自的缺点。 离散分区模型具备较好的计算精度和计算代价，不需要假设初始颗粒尺度分 布，能够模拟尺度分布来达到自保持的过程，使其在工程应用中得到了较为广泛 应用。! t i y u 等发展了一个二维的离散分区模型4 4 , 4 5 】，并利用其研究氢氧扩散火焰 中金属铬颗粒的生成和高温气冷堆中石墨尺度的估计等。但是该方法仍然继承了 分区法算法复杂和难以处理多组分、多维等工况，也无法得到颗粒的内部结构信 息，如不规则度等，这些缺陷限制了其应用范围。 ( 4 ) 蒙特卡罗方法( m o n t ec a r l om e t h o d ) 蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数” 的计算方法。这一方法源于美国在第二次世界大战时研制原子弹的“曼哈顿计划”。 m o n t ec a r l o 方法的基本思想很早以前就被人们所发现和利用。早在1 7 世纪，人们 就知道用事件发生的“频率”来决定事件的“概率”。1 9 世纪人们用投针试验的方法 来决定圆周率。2 0 世纪4 0 年代电子计算机的出现，特别是近年来高速电子计算机 的出现，使得用数学方法在计算机上大量、快速地模拟这样的试验成为可能。 由于蒙特卡罗方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决一 些数值方法难以解决的问题，因而近年开始引入到微粒的运动演变过程的模拟中 来。华中科技大学的郑楚光、赵海波等，应用蒙特卡罗方法，对微粒的碰撞、凝 并以及冷凝蒸发过程进行研究【3 3 州9 】，模拟了颗粒尺度分布函数的时间演变，得 到很好的模拟分布结果，与理论分析解进行了比较，具有很好的相符性。在此基 1 0 1 绪论 础之上，扩展了蒙特卡罗方法的应用范围，并提出了一种多重蒙特卡罗方法1 5 ， 抛弃当前蒙特卡罗方法中广泛采用的“子系统”概念，引入了加权的“虚拟颗粒”概 念，旨在减小计算代价，通过对微粒的凝并、成核以及沉积等问题的模拟与实际 工况的对比验证【删3 1 ，证明该方法具有很好的可行性并进行了一定的推广与验证。 y e f e n d i e v 和m r z a c h a r i a h 利用蒙特卡罗方法模拟二元微粒核化、凝并过程阱】， 证明微粒演变过程的粒径分布函数在足够长时间下，具有自保持性，并接近于布 朗凝并。香港理工大学的t l c h a r t ，g d o n g 等通过蒙特卡洛方法对汽车排放尾 气的氮氧化物的转化过程，浓度分布等状况进行模拟，并分析其灵敏性【5 5 1 ，结果 表明，氮氧化物的浓度随着尾气排放在街道的扩散距离而减少，当外界风速大， 车辆尾气排放出口速率小时，n o 的氧化反应起重要作用，