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下面我们开始王翱博士生的

学位论文答辩

我先代表学位分委员会来宣读一下

答辩委员会的组成人员名单

主席帅石金来自清华大学汽车系

委员祁海鹰教授来自

清华大学热能系

由长福教授来自

清华大学热能系

赵毅教授来自

华北电力大学环境工程系

朱玉亭研究员来自

中国科学院过程工程研究所

张凡研究员来自

中国环境科学院环境工程

答辩秘书是卓建坤来自

清华大学热能工程系

下面请答辩秘书

介绍一下博士生的情况

下面是王翱的个人情况

王翱 男 1989年生

2011年7月于

华中科技大学能源与动力工程学院

获得工学学士学位

2011年9月至今

在清华大学热能工程系

动力工程及工程热物理专业

攻读博士学位

导师为姚强教授

王翱攻读博士学位期间

主要课程及成绩如下

中国马克思主义与当代94分

博士生英语84分

资格考试82分

文献综述与选题报告92分

高等数值分析92分

高等热力学95分

现代热工测量与实验技术92分

燃烧污染形成和控制原理87分

气溶胶力学92分

颗粒运输理论93分

王翱在攻读博士学位期间

共发表论文七篇

其中SCI论文四篇

EI论文一篇

在学期间共获得的奖励有三项

2011年10月获得

清华大学优秀博士生新生奖学金

2013年10月获得清华大学

热能系优秀共产党员

2015年10月获得清华大学

研究生综合奖学金

倪维斗奖学金

王翱的个人情已经介绍完毕

下面请王翱博士生

花30到45分钟介绍你的

博士生研究工作情况

好的

各位老师各位同学大家下午好

下面我来做我的

工学博士学位论文答辩

我的博士课题是

单液滴捕集细颗粒物的

行为与机制研究

我将沿着整个博士论文的框架

来进行介绍

因为颗粒撞击液

颗粒被液滴所捕集的过程

可以分为就是

颗粒在气相中的迁移

和颗粒撞击液面的这个过程

所以我首先会去介绍

在气相流动中液滴对颗粒物的惯性

还有热泳捕集

然后紧接着会介绍

液滴变形对这个过程的影响

对于就是

颗粒撞击液面行为的研究的话

我首先会去介绍我们建立的

颗粒撞击液面的动力学模型

还有行为的判据

以及基于此我们所做的

就是颗粒撞击液面的实验的研究

那么颗粒物污染是我国非常严重的

大气环境污染之一

它给人还有社会方方面面

也带来比较大的危害

同时就是工业行业中的烟尘排放

是颗粒物污染的主要的排放源

于是我们从源头去控制

工业领域的颗粒物排放

具有非常重要的意义

以燃煤电厂为例除尘器是最主要的

烟气中的颗粒物污染的控制装置

那么现在来说的话单一的控制技术

也是很难去满足日益严格的控制需求

因此目前新兴了很多

就是新的除尘的技术被应用起来

包括低低温电除尘

还有湿式静电除尘器

但是新装置的投入同时也增加了

颗粒物污染的控制的成本

而我们去观测

观察整个烟气控制系统的话

也发现如果我们能够去合理的利用

脱硫塔的湿法喷淋这种协同除尘作用

也是一种有效的

颗粒物的污染的高效的控制途径

那么我们实际的对颗粒物 对脱硫塔

对颗粒物清除的现场测试也发现

就是脱硫塔能够去

协同脱除一些颗粒物

但是不同的装置的除尘的效率

就有比较大的差别

这也从另外一个方面告诉我们

就是喷淋参数的优化设计

有望去达到更好的协同脱除的效应

单液滴捕集颗粒物的过程

是这个湿法喷淋过程的基础

同时也是

大气环境的湿沉降这样的过程的基础

那么我们去研究

单液滴对颗粒物的捕集

对于我们开发

湿式协同除尘的工业烟气净化技术

还有理解这种大气湿沉降这样的机制

也具有比较重要的意义

那么颗粒在绕流液滴这个过程中

它会在惯性 拦截 布朗扩散 热泳等

机制作用下运动到液滴的附近

然后会发生撞击液面这样的运动行为

这部分的就是机制的话

它的捕集效率被称为一个碰撞效率

然后颗粒撞击到液滴表面之后

它可能会沉没进入液滴内部

也可能停留在液滴表面发生振荡

也可能就是重新回到气相发生反弹

这部分效率被称为粘附效率

然而目前已有的研究中

均认为颗粒就是碰撞到液滴

就发生了粘连

认为这里的粘附效率是等1的

然后把这里的碰撞效率是等价于

这里的单液滴的捕集效率

在湿法的喷淋还有湿沉降过程的

这种清除的模型中

就是单液滴捕集效率是里面的

非常核心的一个计算参数

它是各种不同机制单独作用下

单液滴捕集效率的一个叠加

因此我们去

准确的去计算各种不同机制作用下的

单液滴捕集效率在这里是至关重要的

那么颗粒在

液滴捕集颗粒物在脱硫塔中的话

因为颗粒和液滴之间的

粒径差是非常大的

因此在这里的

就是拦截效率是可以忽略不计的

然后在脱硫塔中由于比较大的温差

因此这里的颗粒的话

对于亚微米级颗粒物来讲的话

它会受到很强的热泳力的作用

因此就是在这里热泳的捕集效率

大概会是就是这里的布朗扩散的

两个数量级以上

因此这里布朗扩散对亚微米

是可以忽略的

同时对就是微米级的颗粒布朗扩散

也是可以忽略的

因此在这里我们重点研究的是

惯性机制和热泳捕集机制

那么从这个图也可以看出就是

对于大粒径的颗粒的话

就是微米级颗粒的话

惯性机制是它最主要的捕集机制

而对于亚米颗粒的话

热泳是它最主要的捕集机制

惯性对于惯性机制来讲的话

流场还有自身的惯

颗粒自身的惯性

是它控制的最主要的因素

而对于热泳机制来讲的话

流场和温度场的分布

是它最主要的控制因素

因此流场和温度场的分布

对于准确的去预测

单液滴捕集效率是非常重要的

那么也有的研究者通过去

假设流场是势流或者是轴对称流动

或者是通过少量实验数据的拟合

它得到了这样的

相应的惯性的捕集效率的公式

但是可以看出就是流场的假设

与实际的流动条件

是存在比较大的差别的

因此公式的计算值

是存在很大的相对偏差

因此 而同时公式适用的雷诺数范围

也是比较狭窄

它是无法覆盖我们所应用的

就是湿法喷淋这样的参数范围

同时在热泳效率的推导过程中

这里研究所是假设颗粒均匀浓度

向液滴表面均匀沉积

而推导出来了热泳捕集效率公式

但是实际的过程的沉积分布是不均匀

并且沉积也是不均匀的

因此公式推导的过程中

假设不符合实际的情况

也带来了比较大的计算的偏差

那么随着液滴绕流的

流动速度的不断的增加

绕流液滴的形态会发生比较大的变化

从最开始的一个轴对称的这种的

稳态流动会逐渐过渡到一个平面的

对称的一个稳态流动的形式

所以流动速度进一步增加

可以发生尾涡的脱落

这时候流动形态

就变成一个非稳态的

一个平面对称的流动形态

目前来说的话

颗粒的运动行为和捕集效率研究

均还集中在这样的一个轴对称的

稳态流动的区间去研究

而我们实际的就是喷淋过程中

1-2毫米的液滴在下落的时候

它对应的雷诺数范围

是这种非稳态的流动区间的

已有的关于就是绕圆柱流动时候

颗粒的运动行为的研究发现

就是当 就是圆柱后面存在尾涡的

周期性脱落的时候

它会使得颗粒的运动

随尾涡的脱落而发生这样的振荡

同时也引起了就是捕集效率的

这样的一个周期性的振荡

而刚才可以看到

我们其实真实的这种喷淋过程

绕流了液滴的时候

也会存在尾涡的脱落

也会存在这种周期性的振荡的流动

那么在这样的过程中

就是颗粒的运动行为

还有的它的捕集效率的影响规律

还并不是十分明确的

另外当液滴在下落的过程中

就是因为液滴的粒径

直径的分布是在喷淋塔中

是一个比较宽的一个分布

如果对于大于2毫米的液滴

它在下落的时候它的形状

可能会呈现这种扁平的形状

并且随着液滴直径的增加

这种变形程度会逐渐的增大

而对于这是种变形液滴

对颗粒物的捕集效率的就是影响的话

这里的研究只有这样的

移粒的这样的研究

就是一个荷电的液滴

在这种平行电场的作用下

被拉成这样的变形的形状

然后去探究了一下

这里对颗粒物的捕集效率的影响

但从这里也可以发现就是变形的液滴

不论是对于大粒径的颗粒

还是小粒径的颗粒的捕集效率

都有明显的影响

但是就是这种平行电场中的

荷电液滴的变形情况与我们就是

实际的喷淋还有湿沉降过程中

是存在很大的差距

而目前来说的话 还是缺乏就是这

我们关心的这样的液滴变形

对惯性和热泳捕集过程的影响机制

还有效率预测方法这方面的研究

刚才也说了就是

液滴捕集颗粒物的过程

可以分为两个阶段

刚才阐述的是

颗粒在气象中运动这个阶段

另外一个就是

颗粒会撞击液面这样的过程

而目前关于颗粒撞击液面

这样运动行为的研究

由于观测手段还有应用领域的限制

它现在只有

整个国际上只有毫米级的疏水性颗粒

撞击液面运动行为的研究

大家可以发现就是

随着不同运动就是入射速度

随着入射速度逐渐增大

它这里运动行为会逐渐产生

振荡 反弹 还有沉没这几种运动行为

也有研究者对这种毫米级颗粒的

通过无量纲数对它运动行为进行了划分

但是由于作用力还有液滴变形

液面形状的不一样

就是毫米级颗粒的

其实碰撞过程的研究结果

是无法直接运用于我们微米级颗粒的

对于微米级颗粒和液滴碰撞

这方面的研究工作的话

有研究者就是去研究了一下

液滴和颗粒聚并的实验

就是发现如果用这种微米级颗粒和微米

药物级颗粒和微米级的液滴

发生碰撞聚并的话

它发现颗粒和疏水性的颗粒混合

它聚并后的总浓度更低

所以这里有研究者猜测

就是颗粒撞击液面以后发生了反弹

但是同时我们的 就是煤灰的颗粒

其实也是一个微疏水性的颗粒

然后大气气溶胶中其实疏水性

也有比较大的一个成分

但是目前来说整个来说

是缺乏就是这种微米级的颗粒

撞击液面后的运动行为的研究的

那么总结一下这里的研究现状

可以发现就是已有的研究是指出了

主要的在这里作用机制

并且也指出了就是流场和温度场

对这个过程的重要的影响

然后已有的研究通过假设流动是

势流和轴对称流动

建立了相应的效率公式

但是与实际的存在的偏差

使得它计算也存在比较大的偏差

因此就是实际的流动过程中

还有液滴变形对它这个过程的影响规律

还有机制的这种尚不明确

然后颗粒撞击液面这个过程的话

目前来说所有的计算

就是认为它的粘附效率是等于1的

仅仅存在于这种毫米的颗粒

撞击液面的运动行为的研究

而缺乏就是微米级的颗粒

撞击液面运动的行为

还有行为判据的研究

于是下面

其实我们的整个研究目标是

希望是一种单液滴

对颗粒物的捕集过程为对象

重点去研究了这种

边界层分离流动条件下

尤其是更高雷诺数的时候

这种非轴对称的非稳态流动下

颗粒的迁移行为捕集效率

和液滴变形对颗粒运动行为

还有捕集效率的影响

以及就是颗粒撞击液面后的

运动行为和粘附的判据

为开发这种新型的工业烟气净化技术

理解大气环境对颗粒物的清除机制

也是提供基础的支撑

那么在我们整个研究的技术路线

是通过数值模拟的方式去研究了

就是细颗粒物向颗粒物表面

迁移过程和行为规律

这里我们获得了

就是颗粒的惯性热泳捕集的运动行为

还有它的效率预测方法

然后是也获得了

液滴变形对颗粒物运动行为的影响

还有液滴捕集效率的修正方法

另外我们也是结合数值计算

实验还有理论分析的手段

去研究了

颗粒撞击液面的运动行为和行为规律

这里也是获得了

颗粒物的撞击液面的运动行为

还有这里的行为的判据

那么首先介绍一下

这种边界层分离流动下

液滴对颗粒物的惯性的捕集

那么这里的话

因为一般的液滴直径是在1-2毫米

它的雷诺数是小于1000

对于目前已有的圆球绕流的研究发现

就是如果它雷诺数小于1000的时候

它的绕流的流动是一个层流

所以说我们这里是可以用层流模型

来进行计算

然后同时我们也是估计了

这里的液滴蒸发 内循环

还有液滴变形

对这种粒径的范围的影响

也是认为是可以忽略的

而对于颗粒运动的话

因为我们这里首先研究的是

惯性捕集机制

因为我们所以说这里可以受力的话

我们进行考虑颗粒所受到的曳力

这里计算的话

是通过Ansys. Fluent来进行求解NS方程

然后颗粒的话液滴的话

是顾虑的这样的计算域中

然后烟气从这样的路口平面给入

颗粒的话是从液滴路口平面上的投影

去给入

然后通过DPM模型去追踪这里的

颗粒的运动

这里的网格的话

是采用这种结构化的网格

然后我们也是做

计算之前也做了

网格的无关性验证

同时也是对选取的网格

还有就是计算的参数

通过曳力系数来去验证一下

我们计算的准确性

因为我们更加关注的是

这种非稳态流动条件下的

颗粒运动行为

所以说我们首先来关注看一下

就是这里的流场的一个特征

我们以就是两个典型的雷诺数

一个是雷诺数等于300

一个是雷诺数等于500

这样来进行研究

我们对这里的速度观测可以发现

雷诺数等于300的时候

因为这里的尾涡是从液滴的

背部式固定的位置周期性的脱落

因此可以看到它前后方的速度振荡

也是这种固定的周期性的振荡

雷诺数等于500的时候

由于这时候尾涡的脱落

它不就是在脱落的位置

还有强度都是发生着变化

所以说可以看到它的速度

是呈现那种无规律性的波动

那么与圆柱绕流时候

它的前方的速度波动

为来流时的15%来相比的话

其实绕这种球形的液滴流动

它的前方速度波动是很小的

另外的话就是

接下来我们也研究了

就是这种流动条件下颗粒的运动行为

可以发现是

就是颗粒的沉积分布随时间变化

和刚才的流动形态的变化是一致的

同时随着St数的增加

这里的沉积分布的一个范围是在扩大

但是随时间的波动

幅度是在大幅的减小的

包括在小St数它的最大沉积角

变化量可以达到16.8%

而对于大St数的话

它的相对沉积变化只有2.73%

它的就是颗粒撞击液滴时候的

法向的撞击速度分布

还有这里的瞬态的

惯性捕集效率的变化和就是刚才的

颗粒的沉积分布的变化规律

是比较类似的

对于一种低St数的颗粒

颗粒受到边界层内的

流动的影响是比较大

所以说它随着时间的振荡

波动也是比较大

但是随着颗粒St数的增加

它几乎就不再受边界层内流动的影响

那么颗粒的运动行为决定了

颗粒的捕集效率

这种可以看到

就是对于这种经典的撞击区

有的St数比较高的区域

颗粒的惯性比较强

因此雷诺数带来的

就是流动边界层的影响是可以忽略的

也可以看到就是这里的效率的话

仅仅是St数的函数

而对于这种边界层滞止区域那块

由于颗粒缺乏足够的惯性

去刺穿这样边界层

因此就是这里的边界层中的流动

对颗粒的捕集效率还是有很大的影响

因此也可以看到不同的雷诺数

它是对应不同的

就是惯性撞击效率曲线

那么就是之所以它会呈现这种变化

主要还是

我们后来分析就是St数中

它没有考虑就是流体边界层的影响

这里我们对St数中的

流体时间尺度重新做了一下修正

就是定义就是颗

就是液滴前方的速度梯度的倒数

为新的就是流体时间尺度

通过这样时间尺度来进行建立

新的St数的话

我们可以看到不同的惯性捕集效率

就可以被修正到一条就是曲线上

通过这样规划的曲线

我们可以建立相应的

惯性的捕集效率的公式

通过这样的惯性捕集效率公式的建立

我们就可以去准确的预测

这里的惯性捕集效率

可以看到我们整个的

计算结果和实验是非常的吻合的

同时的话我们这个计算的结果

也是把原先的计算

雷诺数小于300的范围扩展到了

可以计算到雷诺数等于950

这样的一个计算的范围

所以说总结一下这一章的内容

就是我们获得的这种

非稳态流动条件下的流场的分布

同时也研究了

就是在这种流场分布条件下

颗粒的这种振荡的运动行为

同时也是提出了

相应的修正的St数的公式

在此基础上建立了

惯性的捕集效率公式

紧接着是边界层分离流动下

液滴对颗粒物的热泳捕集

这里的话

我们也是和刚才的模型相比的话

我们是添加了就是温度的控制方程

然后这里的颗粒受力的话

我们是添加了热泳力的作用

其他的数值计算方法和模型

和上一章是基本相同

然后我们也是采用通过

曳力系数和努希尔数

分别去验证了一下计算得到的

流场和温度场的一个准确性

那么首先我们就是

因为这一章关注的是

在不同的流动形态下颗粒的运动行为

那我们先看一下

就是不同的流动形态下

它的流场和温度场特征是个什么样子

那么在雷诺数等于150的时候

它是一个稳态轴的对称流动

这也是原先所大家关注

研究比较多的这种区域

这里流动的和温度的分布

是一个轴对称的形态

然后背部的话是一个封闭的一个涡环

然后液滴的话它的温度边界层

它仅仅存在一种很薄的

液滴前方和后方这样一个区域

然后后部的话

由于尾涡的一个混合作用

它的温度梯度

大概只有前方的一个三分之一

然后随着流动速度的进一步增加

这种它的流动就变成了

一个稳态平面对称的一个流动形式

这时候它是这样的一个对称平面

像这样的一个流动分层

这样对称的两个部分

然后这时候的涡环

就不再是一个封闭的形态

同时我们将上面的这个部分称为a涡

下面的称为b涡的话

就是它的混合在一起

对温度混合的强度

也是存在很大的一个不同

然而随着流速进一步增加

到300之后的时候流动

变成一个非稳态的

一个平面对称的形态

大家可以看到这种尾涡的

周期性的一个脱落的过程

那么在

但是从整个拓扑结构上来看的话

它其实流线 还有温度分布

还有温度梯度的分布

与刚才250的时候是比较相似的

这只是它这里存在一个

非稳态的流动形式

然后我们来研究一下

不同的流动形态下

颗粒的热泳运动行为

这里我们通过去比较

有热泳力还有无热泳力

存在热泳力作用的时候

要去揭示一下这里热泳力

对颗粒物的一个捕集的规律

这里对于0.1微米

这样的一个颗粒来讲的话

如果没有热泳力作用

它是无法被液滴所捕集的

当存在这种热泳力作用之后

它尤其仅有两种捕集途径

一个就是从离曳力中心键

比较近的位置出发的这种颗粒1的话

它由于受到很强的热泳力的作用

所以说它可以 会在液滴的前

就是流动分离点前部就能被捕集

然后对于就是偏离了中心线位置

出发的颗粒2的话

它由于受到的这种热泳力较弱

它会随流就是绕流到就是液滴的背部

然后再由于热泳力的作用

它会进入到这样的封闭的涡环里面

然后进入到里面之后

由于涡环的混合作用

这里的温度停留是很低的

所以说它受的热泳力的作用是非常小的

所以说它紧接着会在

流场的夹带的作用下

会重新回流到液滴的背部的附近

然后热泳力的作用上升

所以说它会重新的被液滴所捕集

然后这里它对应的初始的出发位置的话

就第一种运行的颗粒的话

它初始出发位置是黑色的区域

而对于颗粒2这种运动行为

它初始的出发的位置

是这种蓝色的一个区域

而就是当雷诺数等于250的时候

这时候它的运动行为就随着流场

变得更加复杂

它的运动行为也就变得更加的复杂了

这时候颗粒有

且经有三种被捕集的途径

而新增的一种捕集途径是

颗粒可以从下部进入到a涡

然后在涡环内部的流动情况下

在b涡的作用下

重新回流到液滴的背部被捕集

然后可以看到整个

如果进入尾涡的颗粒

它都是通过b涡能够被捕集上的

这时候它能够被捕集的

就是颗粒的初始的出发位置

它是以我们原先认为的

传统的那种轴对称流动下是

存在很大的一个区别

这时候它的被捕集颗粒的

初始出发位置

是一个平面对称的分布

同时它的捕集区域不再是连续的

这与我们认为的离曳力中心线越近

然后颗粒越容易被捕集是不一样的

然后这里之所以出现

这样的一个间隙

它是对于这里颗粒4的这种流动

它是从a涡和b涡之间这样的流走

然后当流动进入

这种非稳态的流动的时候

这时候颗粒的话

如果是在尾涡的生长阶段

它会 可以直接从上部进入到a涡

然后在b涡的作用下被捕集

同时如果从下部分

进入a涡的一个颗粒的话

可以看到这种非稳态流动

使得它的运动轨迹就更加的复杂

它会在这种涡环内部来回的这种运动

会存在这样的现象

同时就是因为这种非稳态运动

它使得被捕集的颗粒的位置

也是不断在整个流动周期中

发生着不断的变化

也可以看到就是原先生长阶段

有一部分颗粒可以在a涡被捕集

而在脱落阶段它就不能

同时也可以发现就是能被捕集的颗粒

就呈现比较大的分散性

这种分散性也就是

这种非稳态的流动所带来的

颗粒的这种运动行为

后来也是我们通过对它的追踪

也可以统计得到不同的颗粒

在不同的这种雷诺数范围

还有温差范围里面

我们获得了它的热泳的捕集效率

我们拿这种热泳捕集效率

和传统热泳捕集公式去对比的话

发现是随着温差的增加它的捕集

相对偏差会呈现先减小后增加的趋势

然后在固定温差的时候

它随着雷诺数的增加

相对偏差是逐渐增加的

之所以相对偏差

会呈现这种有规律的变化

它其实主要还是它的这个偏差来源

主要还是来源

就是原先在这种公式里面

假设的这种均匀浓度

均匀沉积这种假设

而实际的这种沉积过程是不均匀的

浓度分布也是不均匀的

它是取决于颗粒的热泳的趋近速度

还有这里雷诺数的影响

所以我们基于这两个参数

我们去推导出来了

相应的就是相对偏差的计算公式

然后采用这种相对偏差质量公式

结合原有的捕集效率的计算公式

我们就可以得到

新的就是热泳捕集效率的计算方法

这种效率计算和实验数据中

后来说的话就是非常的吻合了

因此小结一下本章的内容

我们主要是研究了

这三种不同的流动形态下颗粒物的行为

统计了这相应的不同条件下的捕集效率

并且我们也是

基于这种相对偏差产生的原因

建立了相应的修正的方法

那么下面介绍一下

液滴变形对颗粒物捕集的影响

我们首先也是建立了

这样的液滴变形的模型

然后刚才所说就是

也有的就是已有的绕流的研究发现

就是雷诺数大于1000之后

就可能存在这种湍流涡的影响

所以说就是这里的模拟的话

采用了大涡模拟的方式

然后模拟的结果发现

对于惯性捕集的话

发现对于St数大于0.4的颗粒的话

变形液滴的捕集效率是要高于

这种球形液滴的效率的

同时随着变形程度的增加

这种液滴变形引起的惯性捕集效率的

效率是增加是逐步的增大的

而对于St数小于0.4的时候

变形液滴的捕集效率就反过来了

它这反而小于

这里球形液滴的捕集效率

之所以会呈现这种规律

对这种高St数的颗粒

它主要的变形液滴会大于

球形液滴捕集效率

它是认为这种捕集液滴变形之后中

捕集面积的扩大所造成的

而对于这种球形

就对于小St数颗粒的话

因为边界层的影响很大

所以说就是对于变形液滴的话

它的边界层减速效应更加明显

所以说造成了这里它的捕集效率更低

而这里的它就是两者的

就是变形液滴和球形液滴效率的

相对差别的话

它是随着St数的增加呈现先增加后减小

最后趋于一个定值的这样的一个趋势

之所以它会

就是两边会随St数呈现不同的变化规律

主要还是和刚才一样

一边是相当于是惯性控制区

一边相当于是边界层控制区所造成的

这里的趋近的无穷大

St趋于无穷大的时候

它这里所对应相对差别

其实也是有它的物理意义

这里它 其实从理论上可以推导得到

这里的最大的值的话就是液滴在

如果平面投影面积的相对的差别

这个其实也就是它的相对

就是变形就是相对变化量的

就是一个基准

所以以这个为基础的话

可以建立就是这里的捕集

就是影响的相对差别的计算的方法

然后对于热泳捕集效率来讲的话

这里可以看到

就是变形液滴的捕集效率

总是低于球形液滴的

同时随着就是液滴是变形程度的增加

这里的相对差别是越来越大

但是它这里差别和温差是无关的

这里之所以会呈现

我们可以通过去推导

这里相对差别的理论公式

来解释这里的现象

这里就是我们可以结合

就是沉积到液滴上的颗粒量

然后释放的颗粒总量

我们可以估计到热泳的捕集效率

然后通过这个来去

就可以求得就是球形液滴

还有变形液滴的相对的差别

然后可以从这个相对差别的公式

可以看到它是就是液滴表面积

还有努希尔数的函数

它是与温差无关的

所以可以看到这里的

它的就是相对差别是与温差无关的

同时我们这里理论得到的

相对差别的曲线

和我们数值计算得到的曲线

也是非常的吻合

所以我们采用这样的

相对差别的计算公式

结合已有的球形液滴的预测模型

我们可以很方便的计算出

这里变形液滴的捕集效率

那么这一章我总结一下我们就是研究了

就是变形液滴对惯性

和还有热泳捕集效率的影响

同时也是建立了相应的

相对差别的理论的计算公式

然后下面

就是刚才讲的是

颗粒在气相中的迁移行为

下面我们来着重讲一下

颗粒撞击液面的这样的一个过程

颗粒撞击液面的过程中

它的液面就会发生这样的一个变形

这里我们非常关注的是两个参数

一个就是这里的接触角就是θ

它表征了颗粒的疏水程度

因为一般这个角越大 颗粒越疏水

然后颗粒在入水 入射这个过程中

接触角是前进接触角

在回弹的过程中

它的接触角是后退接触角

我刚才讲的话前进接触角

肯定是会大于后退接触角的

另外一个比较重要的关系角度是

就三相线的张角

它这个是表征了就是

液面和颗粒之间的一个接触的位置

那么颗粒的运动的话我们可以通过

就是颗粒运动方程去描述

这里的话颗粒会 一般来说

颗粒会受到就是表面张力 重力 曳力

然后附加质量力还有浮力

然后对于液面的话

如果颗粒静止在这个液面上

液面的形状描述

我们可以去通过去求解

YL方程来进行获得

但是我们这个撞击过程

是一个动态的过程

但是已有的研究也发现

就是在We数小于10的时候

颗粒周围的运动时的液面

它是和颗粒静止在液面上

这个液面其实是相同的

所以说正好我们就是研究的

就是这个We数范围

是符合这样范围的

颗粒撞击时候的这个液面

我们可以当作一个静态液面

来进行处理

所以采用刚才的运动的方程

我们就可以去详细的模拟

就是颗粒撞击液面这样的一个过程

这里我们模拟参数我们假设

就是前进接触角是120度

后退接触角是80度

然后颗粒径10微米

然后入射的速度是4-6m/s

然后这里撞击的

通过这个模拟发现

就是它在不同的入射速度下

它会呈现不同的撞击行为

对于比较高速入射的时候

这时候颗粒会刺穿液面

沉没进入到液体内部

在这个范围内它会发生反弹

然后在速度更小的时候

它会停留在液面发生震荡

这时候我们以4.5m/s为例

来去介绍一下这个反弹区间

颗粒的运动会是呈现出

一个什么样子

就是当颗粒入射的时候

表面张力是对它做负功的

这时候颗粒的动能逐渐减小

到运动一定位置的时候

颗粒速度减小到零

然后颗粒会发生回弹

那这个回弹的过程中

由于颗粒的接触角

不可能直接从它的前进接触角

突变到后退接触角

所以说开始的阶段

它是它的接触线的位置不变

然后接触角逐渐的由前进接触角

减小到后退接触角

这个阶段因为中心线的位置不变

好像被钉死在就是颗粒上

所以这个阶段被称为拼命阶段

而紧接着如果当接触角

逐渐减小到这里的后退角之后

它会保持后退角不变

然后三相接触线开始滑移

这个阶段被称为Sliding阶段

刚才做了就是详细的这样的

一个过程的模拟

对于如果我们实际的想去判断一下

很多颗粒如果来流

这个颗粒的运动行为的话

通过这样的模拟计算

它的计算量是非常大的

因此我们希望去能够

推导得到解析形式的

这种去划分它的模态的判据

这样我们给定颗粒

还有入射的初始条件

我们就可以判断出

颗粒撞击到液面之后的运动行为

这里我们为了得到

这种解析形式的判据的话

我们需要对颗粒运动方程

然后还有这里的YL方程

做一定的简化

对于我们分析颗粒受力的话

这里对于这种百万粒级

以下的颗粒的话

它主要受表面张力的作用

其他力我们暂时忽略

所以说这里的受力只考虑表面张力

而对于这种就是YL方程所带来的

这种几何关系的近似的话

恰好我们所对应的

在We数是小于1的

YL方程也是可以做进一步的简化

所以说基于这两个简化

然后我们就可以得到

表面张力做功的一般的形式

就是一个解析形式

同时就是我们结合表面张力做功

还有颗粒的动能之间的关系

也就是表面张力做了多少功

颗粒的动能就减少

就有多少的改变

所以结合这两个关系式

我们可以推导出

这里解析形式的判据

然后可以沉没的条件就是

颗粒从入射到

入射到液面之下

颗粒液面能维持的极限位置

这个阶段表面张力做的功的量

如果小于颗粒的动能的话

那么颗粒这个时候还有一定的动能

它会继续刺穿液面

然后液面无法维持液面发生的闭合

颗粒就沉没了

所以说这个是它沉没的一个条件

因为动能这里是可以解析形式表达

然后功力也是可以解析形式表达

所以联系的话

我们就可以得到它解析形式的

就是沉没的临界速度

那么这里还有值得关注的一个点

就是在我们计算这里做功的时候

它这里就是

这个角度是颗粒下沉的

一个极限位置

这个角度的话我们因为

原先是没有就是

微米级颗粒撞击这个过程的研究的

所以我们采用的是毫米级撞击过程

它这里所 就是研究的结果

得到了这里极限的下沉的角度

然后颗粒的反弹这种它的行为的

一个条件的话是颗粒从它最开始

就是下降到液面下速度减小到零

开始回弹到就是液面在向上的

维持的极限位置这个阶段

如果表面张力做的功大于零的话

说明在运动到上部分

运动到上面的一个极限位置的时候

颗粒还具有一定的动能

那么它会继续往上运动

然后脱离这样的液面发生了反弹

然后如果这里的表面张力做功

是小于零的话

说明颗粒达到不了这个位置

那么颗粒就会重新往下运动

从而产生振荡

所以说通过这种方式

我们就得到了解析形式

这样的运动模态的判据

然后我们也研究了一下就是液体

还有颗粒的特性

对这里它运动行为的影响

然后发现就是

随着表面张力系数的增加

还有前进接触角的增加

可以看到它的沉没反弹

还有反弹振荡的临界速度

都在不断地上升

同时反弹区间也有一定的扩大

而后退 随着后退接触角减小的话

发现它减小到一定的程度之后

它就不会再存在这样的

一个反弹区间了

它仅仅会存在这种一个沉没

还有一个振荡这种两种运动模态

而对于颗粒粒径的话

它也是影响就是这种运动行为

非常重要的一个参数

可以发现就是我们比较关心的是

一般4-10微米这样的

一个颗粒粒径范围的话

它发生反弹区间的速度

大概也在4-7m/s这样的范围

这个速度 撞击速度其实在

真实的颗粒撞击液滴的时候

是可以达到的

所以从另外一个侧面也是反映就是

实际过程中也是有可能存在这种

颗粒撞到液滴之后不发生粘连

而反弹的这种可能性

本章的话我们是

通过动力学的模拟

发现就随着入射速度的增加

它产生了就是沉没 振荡 反弹

这三种运动行为

并且我们也提出了

相应的运动模态的判据

并且的话我们从模拟结果也发现

就是实际的过程中

也可能存在这种反弹的可能性

那么我们是接下来我们通过实验

去观测了实际的这个撞击的过程

同时也是验证了我们上面的

这个理论模型的准确性

那么我们这里实验台的话

是通过就是气流携带这样的颗粒

然后进入这样的撞击器

进入撞击器之后

它在下面发生撞击液面这个过程

然后通过高速相机

和背景光源相结合

去拍摄这个撞击的过程

原先就是

大家研究的是毫米级的颗粒

去撞击的这样的过程

这个过程的话它就比较容易去拍摄

一是因为它颗粒比较大

它可以对单个颗粒来进行操作

同时的话它颗粒撞击的

这个过程的话

由于粒径比较大

它能够拍摄就是整个

拍摄的那个范围是可以比较大的

所以说它对相机要求并不是那么高

而我们这个是 整个首次的

能够首次对这种百微米级以下的

颗粒撞击液面进行直接观测的话

也是得益于就是我们对

整个撞击器的一个比较巧妙的设计

这里撞击器的话分为两部分

一个是加速段一个下面的撞击段

就是加速段的话

是颗粒就是在气流的携带下

经过加速喷嘴进行加速

这里的颗粒能加到大概5m/s以上

然后由于这里下面

是一个滞止的一个区域

然后底下装的一个水平液面

有这种制止区的作用

使得气流是无法进入到这种制止区

而从四周流走

而颗粒的话是由于自身的惯性

会下降进入这样的制止区

然后撞击到这样的液面上

所以我们通过高速相机可以进行拍摄

同时这里的液面

这里的光学玻璃我们也是经过了

特殊的疏水性处理

使得它接触角和水恰好是90度

使这个液面正好是水平

所以说才能通过相机

能够准确的去拍摄这种

百微米级以下的颗粒的

撞击的运动行为

然后这个是我们实验台的整个示意图

这里还要感谢徐老师当时给我们就是

给的实验台的一个位置

搭建在那个位置

这是我们拍摄得到的

就是一个PMMA的颗粒100微米的时候

它入射速度是3.1m/s的时候

撞击下落的整个的过程

可以看到随着颗粒下落的整个过程中

它的液面是逐渐的是在扩展的扩大的

同时就是我们通过我们的

对接触角的测量发现

它在入射的过程中

它的接触角是保持不变的

这与原先模型中的假设也是相吻合的

同时我们也是去计算了这里的液面

和我们原先的就是假设它

准静态液面去进行了对比

发现整个也是比较吻合的

所以说我们原先模型中的一个

液面的一个准静态假设

在这里也是比较合理的

另外一个就是可以发现就是

最后沉没的颗粒

它都存在一个现象就是后来

就是有一个气泡

它附着在就是颗粒的

就是沉没之后颗粒的上部

这里气泡的来源

其实来源这里液面的闭合

封闭的一部分气体

在这样的一个颗粒上

而这个时候我们去观测这里

颗粒的沉没条件

其实就是和原先毫米级的颗粒

就已经存在不一样了

因为原先毫米级颗粒它是根据颗粒

就是受到的重力和表面张力平衡

所得到的一个条件

而对于我们这种100微米以下的

颗粒来讲的话

颗粒受到的重力是非常小的

这里我们可以仅考虑表面张力的作用

那么因此它这里的一个沉没条件

就是我们实际观测到的

液面弯曲闭合然后两个液面相接触

这个才是它真正的这种

对这种微米颗粒来讲的话

它的沉没条件

这是以毫米级颗粒来讲的话

很大的一个差别

另外的话我们也是观测到

就是颗粒撞击液面之后的

一个振荡的运动行为

颗粒入射之后

它会就是入射到一定的程度

它颗粒速度被减小到零

然后被液面会拉到液面 液体的表面

这个过程的话我们也是测量了

它的接触角

前接触角是保持不变的

后退的时候它的后退接触角

是不断地减小

但是整个过程中我们实验只观测到了

就是颗粒的振荡和沉没两种运动行为

并没有观测到颗粒的反弹

这种运动行为

之所以没有观测到这种现象

就是因为颗粒在回弹的过程中

它的接触角在不断地减小

最后就是原先存储的那部分的

就是表面能并没有完全的释放出来

所以说造成了这里颗粒无法产生

就是反弹这种重要原因

并且我们也从原先的理论推导

也可以看出就是它的后退接触角

减小到一定程度之后

仅有这种沉没和振荡两种运动行为

而我们也是尝试了很多种方式

希望去改变这里的颗粒接触角

但是发现就是对这种很小的颗粒的话

这里现在还没有办法去

人为的去控制它的接触角的变化

然后这里的话我们也是

根据这里的颗粒运动我们也是就是

这里蓝色的点是发生沉没的

沉没的颗粒对应的速度和颗粒的粒径

而红色的点是颗粒发生振荡的

对应的速度还有它的颗粒粒径

我们想去通过这个

去对比一下去验证一下

我们原先计算模型的准确性

这个黑色的线是我们原先模型

所计算出来的临界速度

可以发现这个临界速度

对实验是有比较大的一个低估

它之所以存在这种低估

就是我们刚才所说的

我们原先这里的角度

代入了其实毫米级颗粒的

一个沉没的这样的一个

对应的一个角度

但这时候我们如果是把这个角度

换成我们实验的实际观测

测到了这样的沉没角度的话

可以发现整个的

就是这样的曲线就和数据

就能够非常的吻合了

也是进一步验证了

我们原先理论判据的准确性

那么这一节的话我们也是

通过搭建的实验台观测到了

颗粒撞击之后发生沉没和振荡

这两种运动行为

那么在沉没的过程中它的液面

也是符合这样的准静态的假设

然后再就是

巨大的这种颗粒的接触角

所造成的就是颗粒入射的动能

再回弹中它是被损耗掉了

所以说就是在实验中没有观测到

这样的颗粒的一个反弹的运动行为

那么总结一下全文

首先的话就是已有的颗粒的

撞击的效率的预测方法

它是基于就是稳定轴对称

流动球形提出来的

它是和实际存在比较大的差别

而我们是数值模拟的方式

获得了真实流动下

这种非稳态流动时候的流场

还有温度场的分布

研究了这种多种形态下

颗粒的运动行为

并且提出了效率的计算的方法

另外一个是也是液滴变形

对颗粒附近的流场和温度场

有比较大的影响

但是的话现在的研究的话

都是忽略了液滴变形的影响

而本文的话是深入研究了

这里液滴变形对颗粒的惯性

热泳运动行为的影响

同时建立了液滴变形

对捕集效率的这个预测

影响的预测方法

然后也是研究了就是

原有的研究还同时就是都认为

就是粘附效率都等于1的

但是从目前的好像所有的话

就是颗粒撞击液面的行为的过程

它仅仅是存在这种毫米级的颗粒了

我们的话是从就是

撞击动力学模型出发

采用数值模拟和理论分析的方式

首先获得了这种微米颗粒撞击的过程

然后获得了这种微米颗粒撞击

液面行为的模式的判据

另外也是采用高速相机去拍摄

实验研究了这种微米颗粒

正向撞击这种液面的行为

也是相当于填补了这个实验

微米颗粒撞击这种实验的空白

然后实验获得了

相应的行为规律为一种机理的分析

然后还有模型的研究

提供了关键的数据的支撑

然后目前的论文发表的话

总共是发表了七篇论文

在SCI论文四篇 然后EI一篇

然后还有两篇SCI论文

正在投稿的阶段

然后谢谢各位老师

好谢谢 时间控制的很好刚好40分钟