彭柯迪 袁禮兵 周連廣 何蔚瑋 李庚偉*
(中國地質大學,北京100083)
當水流經(jīng)過一個小孔時,可能會形成氣溶膠,氣溶膠又稱氣膠、煙霧質,是指固體或液體微粒穩(wěn)定地懸浮于氣體介質中形成的分散體系。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。氣溶膠會影響氣候,包括吸收輻射或散射輻射。另外,氣溶膠會成為凝結核而影響云的性質等。氣溶膠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和其他方面都已得到廣泛的應用,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。利用氣溶膠進行人工降雨,可大大改善旱情。國防上,用來制造信號彈和遮蔽煙幕。如今霧霾的危害很大,而霾的本質也是氣溶膠,研究氣溶膠也對霾的減輕消除有很好的實際意義。
首先我們通過查閱多篇相關文獻以及專業(yè)書本,得到了液滴的受力情況[1]。通過討論之后,我們進行了合理的假設,確定了我們的物理模型(圖1)。并在受力上進行了合理簡化,忽略了一些不重要的力,最終我們認為液滴主要受到空氣動力與表面張力作用,液滴的變形主要取決于空氣動力與表面張力之比。
圖1 液滴受力模型
針對非紊流通過小孔的具體問題提出以下假設:(1)氣溶膠粒子所處分散介質(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。在假設條件下我們可以得到液滴主要所受的力如下[1]
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)
當液滴直徑在膠體顆粒的大小范圍內時(0.01-10 微米)即可認為形成了氣溶膠。
在得到了公式的基礎上,我們初步確定了實驗相關參數(shù):孔徑和流量。將不同的流量Q 以及孔徑D 組合,進行分組實驗,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)上述實驗思路,設計了相應的實驗,并安排了實驗儀器的購買。實驗儀器包括:防爆軟管,流量計,多種型號的噴嘴。經(jīng)過合理的安裝之后(圖2),我們進行了多組實驗。
最終得到的定性實驗結果表明: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。
實驗的結果雖說是定性,但從結果上來看也是滿足穩(wěn)定狀態(tài)下液滴直徑的理論結果。但在實驗精度、結果可信度上有可提升的空間。比如購買更多不同孔徑的噴嘴,得到氣溶膠形成時孔徑的準確數(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,得到一個比較完整的氣溶膠形成體系。
圖2 實驗裝置示意圖