第三节 气溶胶在气体中的沉降过程(10).ppt

第三节气溶胶在气体中的沉降过程,等速重力沉降、等速离心沉降、等速静电沉降惯性沉降、扩散沉降,第三节气溶胶在气体中的沉降过程,在讨论流体阻力时，假定气溶胶粒子是具有定常速度的运动，这是一种理想化的状况。一般情况下，气溶胶粒子的运动多种多样，非常复杂，在此仅讨论非等速直线运动。,u0,u,t,x,FD,一、无外力作用时的气溶胶粒子的运动,故减速度为：,层流区颗粒的减速运动：,在接近静止的空气中，以初速度u0运动的球型粒子，由于受空气阻力的作用，作非稳态的减速运动。根据牛顿定律：,则颗粒运动的减速度为：,令颗粒的弛豫时间（气溶胶系统的基本特征量）为：,颗粒速度由u0降低到u所需的时间：,在时间t时颗粒的运动速度：,在时间0t时颗粒迁移的距离：,的物理意义：,即：流体阻力使颗粒运动速度u降低到初始运动速度u0的1/e36.79%时所需的时间。,对于发生“滑动”的微小颗粒，需引入“Cunningham”修正系数。,则迁移时间为：,迁移距离为：,颗粒运动停止时经过的距离：,二、等速重力沉降,粒子的沉降速度是其最主要的特征。重力沉降是指粒子在重力场中的沉降过程。,FD,FB,FG,对于静止的连续流体体系、球型颗粒：,在重力场中，颗粒沉降时受力：重力FG、浮力FB和流体阻力FD。,三力平衡时：,us,到达最终沉降速度前的运动,在加速过程中粒子的运动学方程：,对于球型粒子：,对上述方程进行变换：,粒子运动雷诺数达ReP时所需的时间。此积分式的解析解很难得到。,在t=0时刻，粒子的速度u0=0，则粒子雷诺数为Rep时的时间为：,上式经过转换可计算在t时刻的粒子重力沉降速度。,实际上对于重力场中层流区粒子的重力沉降过程，当t=5时，运动速度已达最终沉降速度的99.3%，因此可以认为，运动的加速段在t=5时间内已基本完成。,最终重力沉降速度,在层流区，CD=24/ReP,可以得出处于该区域粒子的最终重力沉降速度：,Stokes沉降速度,从达到最终沉降时的受力状况进行分析，对于球型颗粒，其阻力为：,us-三力平衡时，颗粒的匀速沉降速度，（终末沉降速度）：,在层流区域，ReP1,终末沉降速度：,当流体为气体介质时，,Stokes沉降直径：,根据空气动力学直径的定义：,处于“滑动”区域的粒子：,则二者之间的关系：,紊流过渡区，1ReP500,阻力系数计算公式较多，最终沉降速度计算公式也很多。,紊流区，500ReP210,5,CD0.44,终末沉降速度：,三、等速离心沉降,体系：旋转运动或涡旋，以离心力作用做主要的分离机理。,随气流做旋转运动的球形粒子，其所受的离心力为：,u,FC,FD,Vt,R,牛顿定律,在离心力作用下，粒子作离心径向运动。若颗粒运动处于Stokes区，则向心阻力为：,随着离心径向运动的加剧，运动速度u越来越大，则阻力FD也越来越大，当FC与FD平衡时，颗粒最终达一匀速沉降速度uc，即：,终末离心沉降速度uc：,当颗粒运动处于“滑动”区域时，需进行修正：,四、等速静电沉降,静电沉降是静电除尘器的主要应用机理。在静电场中，粒子所受的力包括：,重力：FG（与气流阻力相比可忽略不计）；,惯性力：FC（颗粒在除尘器中停留时间很短，可忽略）；,气流阻力：FD；,静电力：FE,+,+,-,-,-,-,-,-,-,w,粉尘颗粒在静电场中被荷电以后，在静电力FE的作用之下向正极运动，同时受到气流阻力FD的作用。当二个力达到平衡时，粒子的运动速度u称作为终末电力沉降速度，习惯上称之为驱进速度，以W表示。,在stokes区域：,工程上常以cm/s表示,a粒子半径。,静电除尘器工作示意图,阳极板,阴极线,注意“滑动”区域的修正,五、惯性碰撞沉降,在颗粒随气流运动的流线上，因存在着障碍物（靶），而使颗粒被捕集的过程，称惯性沉降。,颗粒能否被惯性沉降捕集，取决于颗粒的质量、相对于障碍物的速度和位置。,Dc,靶,1,2,3,4,5,6,停滞流线,气流流线,气流方向,惯性沉降示意图,1、6随气流绕过靶子（未沉降）；,2、5未与靶子碰撞，但被靶截留沉降；,3、4因惯性而脱离气体流线与靶子碰撞、捕集。,1.惯性碰撞图中3、4的捕集过程,捕集效率取决于三个因素：气体速度在靶周围的分布、颗粒运动的轨迹、颗粒对捕集体的附着。,气体速度在捕集体周围的分布，取决于捕集体的雷诺数,u0-无扰动气流时，颗粒相对于捕集体的流速（m/s）,DC-捕集体定性尺寸（m）,在ReD很大时，流动属于势流（理想流）；在ReD小的情况下，流动属于粘性流范围。粘性流对气流的扰动距离比理想流要大。,颗粒运动轨迹,颗粒的运动轨迹取决于颗粒的质量、气流阻力、捕集体尺寸和形状、气流流速等因素。,通常用惯性碰撞参数（Stokes准数）来表征颗粒的运动。,Stokes准数定义为作用于尘粒上的惯性力与介质的阻力之比；在数值上等于颗粒的停止距离xs与捕集体直径之比。,惯性碰撞捕集效率,惯性碰撞捕集效率取决于颗粒的质量，与惯性碰撞参数有关。,对于孤立的圆柱体，1956年Robinson推导出势流中近似的分析式：,Subramanyam推导出势流中St20范围内的理论计算式：,Landahl和Hermann得出的经验式为（ReD=10时）：,对于孤立的圆球体,Herne提出势流（0.0416St0.3）中的效率计算式：,对于粘性流的球体，Langmuir和Blodgett得到的经验式为：,由此可见，惯性碰撞捕集效率与惯性碰撞参数St有关，对于不同的捕集体和气流运动状态，St存在一个临界值Stcr，当St0.3时：,截留效用,截留作用一般刚好发生在颗粒距捕集体表面dP/2距离内。对截留起作用的是颗粒的大小，而不是惯性，并且与气流的速度无关。,用无因次特性参数-截留系数R来表示截留效率。,对于围绕圆柱体的势流，Ranz和Wang提出的截留捕集效率为：,当R0.1时：,对于围绕圆柱体的粘性流,Langmuir提出的捕集效率计算式：,当R0.07，ReD0.5时：,对于围绕圆球体的势流：,当R0.1时：,对于围绕圆球体的粘性流,捕集效率计算式：,当R0.1时：,由以上分析可知，截留效率随颗粒直径的增加和捕集体直径的减小而增高，与流速大小无关，但很大程度上取决于流场的性质。势流条件下的截留效率大于粘性流。,六、扩散沉降,非常小的粒子受气体分子撞击，做无规则的布朗扩散运动而被捕集的过程。（颗粒从高浓度向低浓度方向扩散）,1.扩散系数和均方根位移,颗粒的扩散过程用微分方程表示：,扩散系数D取决于气体种类、温度及颗粒粒径dP。,当dP，即粒径大于或等于气体分子平均自由程时。,爱因斯坦推荐的扩散系数的计算公式：,当dP，即粒径小于气体分子平均自由程时。,朗格缪尔推荐的扩散系数的计算公式：,颗粒的扩散系数（293K，101325Pa）,-12,-11,-10,-8,-10,-8,-6,由于布朗扩散使得颗粒在t秒钟内的均方根位移,爱因斯坦研究的结果：,即扩散沉降的效果取决于扩散系数的大小，而粒径越小的颗粒，扩散系数越大，扩散沉降的效果越明显。,2.扩散沉降效率,扩散沉降效率取决于捕集体的Peclet准数和雷诺数,Pe值越小，扩散沉降影响越大。,扩散粒子的迁移量,惯性粒子的迁移量,扩散沉降效率的计算：,对于粘性流，颗粒在孤立的单个圆柱形捕集体上的扩散沉降效率：,朗格缪尔公式：,对于势流，捕集体的高ReP情况：,那塔森公式：,对于孤立的球形捕集体，