双射流汽车尾气流场超细颗粒的成核和凝并过程的研究

摘要

PM_(2.5)(颗粒直径小于或等于2.5μm的可吸入颗粒物)是影响空气质量的重要污染物。已有研究表明,可吸入颗粒物浓度上升与呼吸系统疾病、心肺疾病的发病率、死亡率关系密切。汽车尾气排放的污染物是大气污染的主要来源,燃料中的硫在燃烧后形成SOx随着尾气被稀释和冷凝,会形成大量的PM_(2.5)。 本文研究了汽车尾气排放时纳米颗粒的成核和凝并过程,分析了不同流场中颗粒物质的数密度和颗粒直径分布,论文由以下四部分组成。 第一,采用热线风速仪对平行双射流流场进行测试,研究了雷诺数、双射流间距对流场特性的影响。研究结果表明,在射流喷口附近,沿射流方向,双射流是分离的；由于射流中间边界层的相互影响,双射流会逐渐混合,并最终形成单股射流；射流的平均速度、湍动能是对称的；双射流间的扰动随雷诺数的增加而增大,雷诺数越大,则雷诺应力和湍动能越大。双管间距越大,射流间的扰动就越小,但是射流宽度随着双管间距的增加而增加。减小双射流间距或者增加雷诺数,都能增加双射流混合距离。 第二,用数值模拟方法对平行双射流场中颗粒的成核与凝聚过程进行了研究,给出了硫酸/水系统中经成核和凝聚过程形成的颗粒数密度和粒径的分布,说明成核过程会形成大量的纳米颗粒,在双管射流的中间和射流场周围,颗粒具有较高的浓度。在各种力的作用下,颗粒的凝聚过程使颗粒的数量减少,而直径变大。射流中硫的浓度对颗粒的浓度分布有影响,随着硫浓度的增加,流场中的颗粒数密度有明显增加,而成核形成的颗粒直径减小。环境湿度和雷诺数的增大,有利于成核过程,因而导致形成更多的颗粒。 第三,通过大涡模拟方法计算双管冲击射流流场,获得流场流动特性；并计算了硫酸/水系统的成核和凝并过程,获得双管冲击射流流场中颗粒物质的数密度分布和浓度分布。计算结果表明,冲击射流分成自由射流区域、贴壁射流区域和上喷流区域,随着双射流间距的减小和射程的增加,双股射流间彼此的相互作用增加。颗粒尺度最大的区域发生在射流区域的周围。经过凝并过程后,颗粒数目大量减小,最大颗粒浓度在射流贴壁区域。双射流的间距影响射流中间颗粒数密度和尺度分布,双射流中间将形成更多的纳米颗粒,同时,颗粒物的尺度增加。射流冲击高度越大,靠近壁面处形成的颗粒数密度越小,总颗粒数也越小,所以增加射流射程对减小纳米颗粒的形成有益。在冲击高度较大的情况下,贴近壁面处形成的颗粒尺度较大。 第四,研究了轿车不同行驶条件下流场的性质和颗粒物的分布。颗粒数密度最大区域在汽车尾部1米处；距离汽车尾部越远,颗粒物越少；成核形成的颗粒物最大尺度发生在流场边沿。纳米颗粒的数密度和尺度分布也受流场结构的影响,因而也受到汽车行驶速度和尾气排放速度的影响。汽车行驶速度较快时,尾气排放的H2SO4蒸气容易被稀释,有利于降低颗粒物质的形成。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文背景

1.1.1大气中的可吸入颗粒物及其对人体危害

1.1.2汽车尾气排放形成的可吸入颗粒物

1.1.3汽车污染排放标准

1.2相关研究综述

1.2.1成核机理研究

1.2.2凝并机理

1.2.3污染物扩散机理

1.2.4大涡模拟理论

1.3本论文的主要研究内容

1.4本文主要创新点

第二章基本理论和方法

2.1大涡模拟方法

2.1.1脉动的过滤

2.1.2大涡模拟的控制方程

2.1.3常用的亚格子模型

2.2成核模型

2.3凝并模型

2.4污染物扩散模型

第三章平行双射流场的实验研究

3.1概述

3.2实验装置

3.2.1风洞结构介绍

3.2.2热线风速仪介绍

3.2.3实验台架介绍

3.3.实验条件

3.4实验结果分析

3.4.1流场流动特性

3.4.2雷诺数Re对双射流场的影响

3.4.3双射流间距对流场的影响

3.5本章主要结论

第四章平行双射流场颗粒物质形成和分布

4.1计算模型

4.2数值模拟结果分析

4.2.1成核与凝聚过程中的颗粒分布

4.2.2燃料中S的浓度对颗粒浓度的影响

4.2.3环境湿度对颗粒浓度的影响

4.2.4Re数对颗粒浓度的影响

4.2.5温度、湿度对成核的影响

4.3本章主要结论

第五章冲击双射流场颗粒的形成和分布

5.1双管冲击射流概述

5.2计算模型

5.3计算结果分析

5.3.1双管冲击射流的流场结构

5.3.2颗粒物质的数密度和尺度分布

5.3.3射流问距对颗粒分布的影响

5.3.4冲击商度对纳米颗粒分布的影响

5.4本章主要结论

第六章汽车行驶时流场结构和污染物分布

6.1计算模型

6.2流场结构

6.3污染物的扩散

6.4本章主要结论

第七章汽车尾气污染物中颗粒形成和分布

7.1计算模型

7.2计算结果分析

7.3本章主要结论

第八章总结和展望

8.1总结

8.2今后工作展望

参考文献

附录

致谢