氣溶膠的形成過程研究

彭柯迪 袁禮兵 周連廣 何蔚瑋 李庚偉*

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京100083）

當(dāng)水流經(jīng)過一個(gè)小孔時(shí)，可能會(huì)形成氣溶膠，氣溶膠又稱氣膠、煙霧質(zhì)，是指固體或液體微粒穩(wěn)定地懸浮于氣體介質(zhì)中形成的分散體系。一般大小在0.01-10 微米之間，可分為自然和人類產(chǎn)生兩種。氣溶膠會(huì)影響氣候，包括吸收輻射或散射輻射。另外，氣溶膠會(huì)成為凝結(jié)核而影響云的性質(zhì)等。氣溶膠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和其他方面都已得到廣泛的應(yīng)用，如加快燃燒速率和充分利用燃料。噴霧干燥可提高產(chǎn)品質(zhì)量，已廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)與洗衣粉的生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)上，農(nóng)藥的噴灑可提高藥效、降低藥品的消耗。利用氣溶膠進(jìn)行人工降雨，可大大改善旱情。國(guó)防上，用來制造信號(hào)彈和遮蔽煙幕。如今霧霾的危害很大，而霾的本質(zhì)也是氣溶膠，研究氣溶膠也對(duì)霾的減輕消除有很好的實(shí)際意義。

1 理論部分

首先我們通過查閱多篇相關(guān)文獻(xiàn)以及專業(yè)書本，得到了液滴的受力情況[1]。通過討論之后，我們進(jìn)行了合理的假設(shè)，確定了我們的物理模型（圖1）。并在受力上進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，忽略了一些不重要的力，最終我們認(rèn)為液滴主要受到空氣動(dòng)力與表面張力作用,液滴的變形主要取決于空氣動(dòng)力與表面張力之比。

圖1 液滴受力模型

1.1 假設(shè)與受力分析

針對(duì)非紊流通過小孔的具體問題提出以下假設(shè)：（1）氣溶膠粒子所處分散介質(zhì)（空氣）視為靜止，（2）忽略水的粘度，（3）溫度恒為293.15K，（4）將液滴視為球形，（5）流量Q 為定值。在假設(shè)條件下我們可以得到液滴主要所受的力如下[1]

1.2 液滴破碎的過程

查閱資料[2]可知位于高速穩(wěn)定氣流中的低粘度液滴的破裂條件常數(shù)

1.3 液滴直徑

當(dāng)液滴直徑在膠體顆粒的大小范圍內(nèi)時(shí)（0.01-10 微米）即可認(rèn)為形成了氣溶膠。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 方法與設(shè)備

在得到了公式的基礎(chǔ)上，我們初步確定了實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)：孔徑和流量。將不同的流量Q 以及孔徑D 組合，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，得到穩(wěn)定狀態(tài)下液滴最大直徑，從而判斷氣溶膠的形成與否。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)思路，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，并安排了實(shí)驗(yàn)儀器的購(gòu)買。實(shí)驗(yàn)儀器包括：防爆軟管，流量計(jì)，多種型號(hào)的噴嘴。經(jīng)過合理的安裝之后（圖2），我們進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展望

最終得到的定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：孔徑D 一定的情況下，流量Q 越大，則越容易形成均勻分散的氣溶膠體系。當(dāng)流量Q 一定的情況下，孔徑D 越小，則越容易形成均勻分散的氣溶膠體系。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果雖說是定性，但從結(jié)果上來看也是滿足穩(wěn)定狀態(tài)下液滴直徑的理論結(jié)果。但在實(shí)驗(yàn)精度、結(jié)果可信度上有可提升的空間。比如購(gòu)買更多不同孔徑的噴嘴，得到氣溶膠形成時(shí)孔徑的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，完善孔徑因素的定量分析等。在理論分析的過程中可以考慮加入更多的參量，得到一個(gè)比較完整的氣溶膠形成體系。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖