微颗粒在表面的粘附力学及其可视化应用研究

摘要

我国以及其他国家在进行社会生产、生活和建设中不断的改善和提高自身的文明的水平和进程的同时，也带来了一系列的环境问题，其中生产生活中排放大量微颗粒粉尘和固体颗粒污染环境尤为突出。 微颗粒粉尘通过源头传播到大气等环境中，并且有大量微颗粒粉尘沉积到各种表面上，这些颗粒比较细微，影响了附属物的表面性能，对于电子产品制造使用、精密仪器制造和使用、颗粒物管道输送等表面清洁度要求比较高或运行条件要求高的行业，微颗粒粉尘的粘附污染影响更重，给生产生活带来大量的损失和危害。所以应采取保洁防尘和清除粉尘的措施，来减小和清除生产和使用相关设备、仪器和产品中粘附表面的粉尘，改善使用环境，提高物品及设备的使用寿命，这也是作为粉尘保洁工作者从事这行研究和工作的目的所在。要想解决微颗粒粉尘粘附问题，对微粒子或粉尘粘附机理及相关研究、清除和预防方面的研究就显得十分重要，也具有重要的指导和参考作用。 本论文在查阅了大量的国内外有关污染粉尘粒子清除和防治等资料的基础上，并重点对微颗粒粉尘粘附机理的力学和运动学角度方面做了大量理论研究。论文的主要研究内容和结论如下： (1)通过检索国内外微颗粒粉尘粘附力学、清洗方法和运动特征的大量文献，对这些研究成果进行了总结和相关分析，以此为基础，提出了微颗粒粉尘研究的发展方向和需要做的工作。 (2)较全面的总结和分析了目前微颗粒粘附表面的力学机理研究成果，主要是力学模型成果，范德华力是普遍存在的粘附力，其他力都是在一定条件情况下存在的。微颗粒在固体表面吸附同时受多种因素影响，温度、粗糙度、表面及大气环境等影响，所以在研究粘附力时候要综合考虑多种因素的影响，把握会比较全面客观。 (3)通过文献检索也发现，虽然微颗粒粘附机理力学模型已取得了长足进步，但可视化方面的研究还比较少，而且公式通过感观往往很难理解，所以利用MATLAB可视化软件对几种典型的粘附力进行可视化模拟，加深了对模型的认识和分析的方便，同时对各种力的大小及影响进行了比较和分析。 (4)研究构造了微颗粒粘附及清除的数学模型。这既是有一定理论依据也是一种探索性研究，结论的有效与适用性尚不可知，但作为一种尝试是有一定的价值作用的，为更深层次和广泛研究提供一定借鉴。 (5)关于微颗粒在表面粘附的加强和减小的措施和方法目前也取得大量研究成果，有了这些措施生产生活中表面污染粘附问题得到了有效的改善，但研究成果还不很丰富，需要更多，大量的研究来做。通用清洗技术目前也有多种每种技术有一定的使用范围和条件，这就需要在选择时考虑效果的最优化。 (6)受限空间内，例如输送过程或在通风管道内微颗粒粉尘运动的数值模拟目前做的比较少，所以，运用气固两相流相关理论和CFD软件对微颗粒粉尘在受限空间内运动等特征进行模拟，得到粉尘的运动规律和浓度分布情况，对于微颗粒粉尘在有限空间内运动和分析提供了理论依据，并有着重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的提出

1.1.1课题提出的背景

1.1.2课题提出的目的及意义

1.2国内外有关微颗粒表面粘附的研究现状及成果综述

1.2.1近17年该领域的研究成果检索结果及结果分析

1.2.2微颗粒粘附的力学及相关模型的研究成果

1.2.3当前表面粉尘清洗技术及发展方向分析

1.3粉尘颗粒运动的理论及数值模拟研究现状

1.3.1气体流动湍流模型研究进展

1.3.2粉尘颗粒流动模型

1.4本文的主要研究内容

第二章微颗粒在表面的粘附力学模型及影响因素

2.1微颗粒在表面粘附的力学模型

2.1.1范德华力

2.1.2静电力

2.1.3磁力

2.1.4毛细作用力

2.1.5化学键力

2.1.6氢键力

2.1.7微颗粒与表面粘附各种力力学模型小结

2.2影响固体表面吸附粒子的各种因素

2.2.1固体表面结构的影响

2.2.2粉尘粒度和形状的影响

2.2.3固体表面和粒子化学成分的影响

2.2.4大气的污染情况

2.2.5气候条件的影响

2.3本章小结

第三章微颗粒在表面粘附的力学模型可视化研究

3.1可视化软件MATLAB

3.2四种粘附力的力学模型可视化

3.2.1范德华力可视化

3.2.2静电力可视化

3.2.3磁力可视化

3.2.4毛细作用力可视化

3.3粉尘粘力学模型可视化的评价

3.4本章小结

第四章微颗粒在表面粘附的复合力学模型的构造与应用

4.1微颗粒在粗糙表面粘附力简单的合成

4.2多力合成的情况与分析

4.3通风除尘的原理及应用

4.3.1粉尘在自然条件下的沉降运动

4.3.2通风控制粉尘沉降的应用

4.4气流及水清洗微颗粒粉尘的机理

4.4.1气流清洗的基本理论

4.4.2流体清洗的水力学方法

4.5本章小结

第五章加强与减少粘附力措施探讨

5.1团聚剂凝聚的方法加强粘附的措施

5.1.1基本原理

5.1.2研究实例

5.2表面添加剂减小颗粒粘附的措施

5.3表面活性剂减小粘附的措施

5.3.1表面活性剂作用原理

5.3.2表面活性剂在固-液界面吸附的影响因素

5.4微颗粒粉尘控制的相关成果

5.5本章小结

第六章粉尘颗粒在受限空间中的运动规律及浓度数值模拟

6.1气固两相流的模型

6.2气体流场数学模型

6.2.1湍流流动特征

6.2.2湍流流动模型

6.3离散相(粉尘颗粒)模型

6.4微颗粒运动仿真及结果分析

6.4.1模拟物理模型及相关参数

6.4.2模拟结果及分析

6.4.3浓度模拟的应用分析

6.4.4运用数值模拟方法的意义

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1全文结论

7.2主要创新点

7.3展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果