燃煤残灰颗粒物中主量元素的粒径分布

在电加热沉降炉中进行了三个不同煤种的燃烧实验, 研究了主量元素Al, Si, S, P, Na, Mg, K, Ca和Fe在残灰颗粒物(>0.4 µm)中的粒径分布. 结果发现, 在所研究的粒径范围内, Al, Si的浓度随粒径减小而降低, S, P的浓度随粒径减小而升高, 而Na, Mg, K, Ca和Fe的分布没有一致的趋势. 研究显示描述痕量元素粒径分布的沉积模型对于主量元素也同样适用. 模拟结果表明难气化元素Al, Si的粒径分布主要受气化元素在颗粒表面沉积的影响; S和P主要发生气化, 表面凝结、反应或吸附等沉积过程决定了它们在颗粒物中的分布; Na, Mg, K, Ca和Fe在颗粒物中的分布机理相对复杂.     

燃煤颗粒物三模态的有效识别

为有效识别燃煤颗粒物模态, 提出了一种新的基于Al元素粒径分布的识别方法, 结果证明燃煤颗粒物实际上呈三模态分布, 而非传统的双模态分布. 分析表明超细模态产生于无机物的气化-凝结过程, 粗模态主要由熔融矿物的聚合形成, 而中间模态主要由气态组分在细小残灰颗粒上的异相冷凝/反应生成. 对S元素粒径分布的研究进一步证明了Al元素粒径分布在燃煤颗粒物三模态识别中的合理性和有效性. 研究表明利用Al元素粒径分布不仅能有效识别颗粒物三模态, 而且能准确地定义各模态的分界粒径, 比常用的质量或体积等粒径分布具有更大的优越性, 为深入揭示颗粒物的形成机理及其物化特性表征提供了新的研究思路.     

柴油机等径颗粒平面碰撞过程凝并特征

针对后燃期柴油机颗粒物的碰撞过程,结合气溶胶颗粒的受力分析和基于弹性形变力、范德华力的非完全弹性碰撞运动方程,探讨了等径颗粒平面非完全弹性碰撞过程的两个特征-压缩、恢复和影响压缩恢复的主要特征参数.进一步研究了入射角、碰撞频率、压缩距离、恢复系数和凝并效率等特征参数相互之间的关系及其在碰撞过程中的作用.研究结果表明,任意粒径下,随着压缩过程的进行,范德华力均增强;对于相同粒径颗粒,在压缩过程中,弹性形变力始终大于范德华力,且两者差距逐渐增大.颗粒粒径分散性越大,颗粒间碰撞频率越大.15,45 nm颗粒分别与50 nm颗粒碰撞频率的比值约为1.9倍.等粒径颗粒碰撞过程中,初始相对速度保持不变时,入射角增大,压缩距离增大,对心碰撞时,压缩距离最宽;相同入射角下,压缩距离随着初始相对速度的增加而逐渐增大.随着恢复系数的增大,临界速度逐渐减小,凝并效率呈逐渐减小趋势.当恢复系数等于0.026时,凝并效率约为50.05%,能够实现较高效的碰撞和较快地促进颗粒凝并,当恢复系数大于0.063时,凝并效率接近于零,极大部分颗粒碰撞之后发生分离,阻碍了颗粒凝并.     

基于数值模式的细颗粒物来源解析

传统的颗粒物来源解析是通过受体采样和化学组分分析开展,该方法主要适用于有限的采样点位和时段.为了提高颗粒物来源解析结果的时空分辨率,发展了以数值模式和受体模型相结合的颗粒物来源解析技术.基于南京大学自主研发的区域大气环境模式(RegAEMS)和基于正定矩阵因子分解法的受体模型(PMF),以2014年南京青年奥林匹克运动会(简称青奥会)为例,开展了细颗粒物的来源解析研究.结果表明,RegAEMS可以较好地模拟南京市PM_(2.5)浓度及其主要化学组分,与同期基于手工采样分析的结果基本相当.进一步利用PMF模型计算不同类型排放源的贡献,发现南京青奥会期间(2014年7~9月)PM_(2.5)的来源依次是二次有机气溶胶(25.9%)、燃煤(16.5%)、硫酸盐(14.5%)、硝酸盐(12.6%)、机动车尾气(12.0%)、扬尘(11.7%)和工业生产(6.9%).比较发现,本方法解析出来的PM_(2.5)主要排放源贡献与基于离线采样分析的源解析结果基本一致.此外,基于数值模式和受体模型的源解析结果还反映出了青奥会中期电厂燃煤和工业生产的排放对颗粒物的贡献要明显低于青奥会前期和后期,表明青奥会期间对工业生产和电厂燃煤的污染控制措施起到了有效作用.本研究所发展的将数值模型和受体模型相结合的颗粒物来源解析方法还可以实现对未来重污染天气下的颗粒物来源贡献分析,从而为大气重污染应急管控提供科学依据.     

大气细颗粒物对大气能见度的影响

大气颗粒物污染是造成灰霾的主要原因.本文总结了大气颗粒物影响大气能见度的几个主要因素,即颗粒物的数浓度(或质量浓度)粒径分布、化学组分以及混合状态.我们认为,空气动力学粒径小于1μm的细颗粒物(PM1)是影响大气能见度最关键的大气成分.而要准确理解颗粒物的光学性质还必须结合颗粒物的化学组分及其混合状态来综合分析.     

湍流提升火焰条件矩封闭模拟

采用k-ε-g湍流模型、23步反应机理和径向平均条件矩封闭(Conditional Moment Closure)CMC技术, 模拟了氢气湍流提升火焰结构, 并探讨了火焰稳定机理. 作为针对湍流提升火焰进行耦合CMC模型的多维大涡模拟LES的第一步, 计算考虑了湍流对燃烧的作用, 数值格式采用高精度Padé格式, 推导并采用了基于特征波分析的多组分条件矩Navier-Stokes特征边界条件NSCBC, 本研究暂不考虑热释放对湍流的影响, 模拟集中于火焰提升区域. 与国际上公布的相关实验数据的比较表明, 模型精确地预测了提升高度、Favre径向平均温度和组分浓度. 研究结果表明, 径向平均CMC模型能够较好重构目前仍争议较大的提升火焰稳定机理.     

自驱动马达在复杂环境中的设计和介观模拟

基于泳机理自驱动的微/纳马达动力学现象十分丰富,相关理论研究属于软凝聚态、统计物理和纳米科技交叉学科新兴的前沿领域.对自驱动马达进行模型设计、探索马达与复杂环境相互作用,具有潜在的应用意义.本文首先介绍了一种高效的介观模拟方法——多粒子碰撞动力学基本方法,以及结合了分子动力学和化学反应的联合算法;接着简要描述了马达基于泳的自驱动机理,并简单回顾了马达数值模拟研究的相关进展;最后概述了应用多粒子碰撞动力学方法对自驱动马达研究的结果,包括广泛地建模与设计,以及马达与复杂活化环境相互作用动力学.     

单个大气超细颗粒物源特征的同步辐射光源X射线探针初步研究

研究了单个大气超细颗粒分析靶样的制备方法, 在美国阿贡国家实验室APS同步光源的13-ID-C试验站, 用束斑为2 μm的X射线探针分析了不同污染源超细颗粒物, 得到了单个超细颗粒物的特征X射线谱. 实验结果表明, 来自不同污染源的超细单颗粒具有不同的特征X射线能谱. 这为单颗粒分析方法识别大气超细颗粒物来源提供了依据. 超细含铅颗粒物的分析暗示, 大气颗粒物中的铅污染是多源的, 除燃烧加铅汽油外, 燃煤和钢铁工业也是大气铅污染的排放源. 来自燃煤排放的超细颗粒分析提示, 燃煤超细颗粒物对人体健康具有更大的潜在危害.     

用扩展X射线吸收精细结构谱研究大气颗粒物中铁的种态

大气颗粒物中元素的种态研究, 对于毒性评价、污染形成和污染来源的探索等有重要意义. 采用基于同步辐射的扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱研究了大气颗粒物中铁的种态. 对EXAFS谱进行回归分析, 在不破坏样品的情况下, 可定量计算混合物的化学组成. 配制了一系列混合参考样品, 以观察化学组成对EXAFS谱的影响, 证明该方法有好的精确性. 采集了上海市不同地区不同粒径的大气颗粒物样品, 将它们的EXAFS谱进行回归分析, 得到样品中铁的化学组成. 结果表明, 样品中铁主要由Fe₂O₃, Fe₃O₄和Fe₂(SO₄)₃组成, 它们的比例在不同样品中有一定差别, 初步考察了不同样品中这种组成的变化. 用质子激发X射线分析法测定了样品中的铁浓度, 观察到钢铁工业区的大气颗粒物样品比其他地区的样品不仅铁浓度高得多, 而且化学组成也有一定差别.     

中国北方土地利用/覆盖变化的情景模拟与预测

以北方13省(市)为研究区, 借助系统动力学(SD: System Dynamics)、人工神经网络(ANN: Artificial Neural Network)和元胞自动机(CA: Cellular Automata)模型建立了 “自上而下“和“自下而上”相结合, 数量变化与空间分布相结合的不同情景下土地利用/覆盖变化时空演变规律的动态模拟模型, 并对研究区多种土地利用/覆盖类型变化的时空特征进行模拟. 模型充分发挥了各子模型的特点和优势, 综合了土地利用/覆盖变化的宏观驱动因素与微观格局演化特征, 较全面地考虑了多种土地利用/覆盖变化驱动因子, 并引入CA模型中, 利用BP神经网络简化了CA模型模拟过程中参量权重确定问题, 提高了参量权值确定的精度和模拟结果的可靠性, 模拟精度约74%, 在一定程度上反映了大区域土地利用/覆盖变化的空间格局演变特征, 对脆弱生态区土地利用/覆盖变化的复杂性和生态环境响应研究具有一定参考价值. 模拟结果表明, 未来30 a中城建用地、林地、水体将明显增加, 耕地和未利用地将不断减少, 草地的数量则在波动变化中相对保持稳定; 空间上, 农牧交错带和东-南部地区变化最为显著.     

利用LBM-FVM-CA耦合方法模拟管表面上的颗粒沉积与脱离过程

发展了一个包含积灰形状演化、颗粒沉积和脱离机理的数值模型和计算方法,模拟了单排管表面的积灰过程.首先建立了流动的格子Boltzmann方法-有限容积方法(LBM-FVM)耦合的计算模型,给出了通过宏观参数构建多松弛LBM分布函数的重构算子;并结合元胞自动机模型、能量平衡模型以及力和力矩分析,模拟了颗粒的运动、沉积和碰撞过程;其次,针对模拟的时间步长相对于实际积灰时间较短的困难,提出了用于将模拟时间换算到实际时间的比例;然后,具体模拟和分析了不同直径颗粒在不同入口速度下的积灰过程.结果显示,积灰面积随时间呈指数增长并趋近于一个平衡值;在颗粒质量分数一定时,存在一个积灰速率较高的速度范围;颗粒脱离在迎风面和管子正后方较为严重,但在背风面侧面相对缓和;积灰层在整个背风面生长,在迎风面形成锥形,改变了流动并阻止了颗粒的进一步沉积.     

浊流成因海底沉积波形成机理及其数值模拟

近些年来, 随着深水油气勘探的不断深入, 对于深水沉积过程的研究也越来越受到关注. 虽然目前关于海底沉积波的形成机理还存在很多争议, 但已有现代沉积实例证明至少浊流是可以形成海底沉积波的. 通过数值模拟的方法来研究海底沉积波的浊积形成机理, 不但可以阐明海底沉积波的形成过程, 而且对于海底工程、深水沉积动力学及深水油气储层预测都具有重要意义. 通过流体动力学模拟, 计算了流体区域的基于时间平均连续性方程和雷诺平均N-S方程, 研究了地形对浊流的影响, 阐明了海底沉积波的形成机理. 模拟结果表明: (1) 首先在坡的下游方向开始沉积是由于流体的减速, 导致密度增大, 浊流携带固体颗粒物的能力(流体容量)降低和较长时间的流体经过所造成的; (2) 在一个隆起的上坡处密度增大是由于隆起峰部流体的局部堵塞, 导致上坡处流体速度降低和压力升高所造成的; (3) 沉积首先从距浊流源头较远的地方开始, 随着迭代次数的增加, 即个体浊流事件的增多, 沉积波向上游迁移; (4) 随着颗粒粒径的减小, 沉积越来越慢, 但粒径并不影响地形对沉积的控制及沉积体的几何形态和沉积顺序.     

碧凤蝶翅膀上的一维光子结构

碧凤蝶(Papilio bianor ganesa)的前翅呈现闪亮的绿色. 通过结构分析、光谱测量及理论模拟详细研究了其闪亮绿色的产生机理, 发现闪亮的绿色来源于单个鳞片体内的一维周期性结构. 它是由一壳质层(chitin)和一空气-隔离层(air-spacer)周期性排列组成, 共有 9 个周期. 测量了样品的反射光谱, 发现在正入射时, 反射峰位于人眼感知的黄绿色区域; 在斜入射时, 反射峰向蓝色区域移动. 根据其结构特征建立了简单的多层膜模型, 并利用长波近似理论和传输矩阵方法计算了这种结构的反射谱, 通过理论模拟, 这种周期性模型随着入射角的增大, 反射峰波长由黄绿色区域向蓝色区域移动, 与实验结果一致.     

纳米MnO的光吸收谱

早在50至60年代末,关于MnO单晶的光吸收谱就有了一些报道,并对吸收谱上出现的5个吸收带进行了分析,关于纳米MnO粉体的光吸收至今未见报道.本文作者测量了粒径为 80nm的MnO粉体在200至2500nm波长范围内的光反射谱,并对反射谱上出现的吸收带的机制进行了分析.1 试样制备和实验结果     

建筑火灾模拟的区域-粒子模型

提出了一种新型的模拟火灾烟气运动和混合行为的模型. 该模型引入了一个标量函数来表征热烟气和冷空气的混合, 以此来提高温度和烟气浓度在垂直方向上的预测精度. 模型采用光滑粒子流体动力学方法(SPH), 通过重构粒子的速度, 求解粒子位置, 计算其在区域模型中各层的数量, 来获得标量函数的分布. 采用一个标准的实验建筑算例, 通过其与实验数据, CFD模拟数据和传统区域模型CFAST的比较, 验证了模型的合理性. 与传统的区域模型相比, 新模型的温度预测结果与实验数据和CFD模拟数据符合较好.     

颗粒物动态源解析方法综述与应用展望

颗粒物源解析技术是分析排放源与环境受体间关系的重要方法,也是颗粒物污染控制决策及控制措施评估的重要支撑工具.随着城市和区域空气质量长期持续改善和短期重污染过程应急双向需求的提出,颗粒物源解析技术也在经典方法的基础上逐渐改进,向在线高时间分辨率和复合源解析的方向发展.而颗粒物动态源解析是针对大气污染过程中颗粒物来源进行多时间分辨率动态解析的一种新方法.本文简要总结了实现颗粒物源解析动态化的主要技术途径;针对基于颗粒物化学成分在线观测、基于大气物理模型、空气质量模型等方法的颗粒物动态源解析技术路线进行了综述;总结了各种方法的优势和局限.根据目前的研究和管理需求,结合颗粒物动态源解析技术存在的问题,提出未来方法、模型研究和应用方向.     

一种确定湿材料VOC释放过程的物理模型

提出了一种确定湿材料中VOC(volatile organic compounds)释放过程的物理模型. 与目前常用的其他模型不同的是, 该模型考虑了湿材料中VOC释放过程中的干燥过程, 分析了VOC的饱和蒸汽压在整个VOC的释放过程中的作用机理. 当湿材料应用在物体表面时, VOC开始释放, 材料中TVOC的浓度将减小, 在气液接触面上TVOC的分压力开始下降, 为了保证气液接触面上TVOC的分压力为饱和蒸汽压, 湿材料的液面开始下降, 并且不可挥发性物质在表面形成干燥层. 对该模型用数值方法进行了求解, 并与VB模型求解结果、CFD模型的求解结果以及实验结果进行了对比, 可以发现干燥模型计算结果与CFD模型的计算结果以及实验数据吻合较好, 较VB模型能更准确地描述VOC的扩散过程.     

金属液体射流变形的光滑粒子流体动力学模拟

采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)模拟液体射流与刚性表面的碰撞, 建立了半径为0.24 cm, 高为0.75 cm的圆柱形铝液滴以100 m/s的速度与刚性表面发生碰撞的SPH计算模型. 在计算中借助Voronoi多边形分配粒子的初始质量, 并考虑了大变形过程中随着粒子相互间距离的变化而采用可变光滑半径. 根据计算结果分析了碰撞过程中圆柱形液滴沿轴向的压力波形演化特征, 并给出了不同时刻金属液体射流的变形情况. 通过粒子速度随时间的变化曲线, 观察到液体在碰撞后首先进入一个稳定流动的过程, 此稳定流动的过程相对较短, 随后流动开始发生混乱.     

典型烟气余热换热器气侧积灰特性

针对工业烟气中含尘量大,容易造成烟气换热器表面积灰的问题,对比研究了两种典型烟气余热换热器气侧的积灰特性.首先对比了两种翅片管换热器的流动特性,并结合离散相模型(DPM)模拟了飞灰颗粒的运动、碰撞和沉积过程;其次,针对模拟时间步长相对于实际时间较短的问题,提出了通过时间放大因子将数值模拟结果与时间换算到实际时间尺度的方法;然后,具体研究了实际时间尺度下两种H型翅片管表面的积灰特性,分析了入口速度和颗粒粒径的影响.结果显示,飞灰颗粒主要沉积于H型翅片管前侧的流动滞止区和管后的尾涡区;双H翅片管的积灰特性稍优于单H型翅片管;渐进污垢热阻随着入口速度和颗粒粒径的增大而迅速减小.     

石墨烯在铜表面生长的多尺度理论研究

石墨烯作为一种重要的二维材料有广泛的应用前景,它可以通过在铜表面生长来大规模制备.为了研究生长机理,首先要通过第一性原理计算给出各碳氢物种在铜表面的稳定性和基元过程的动力学信息;然后结合动力学蒙特卡洛模拟,可以进一步得到不同条件下石墨烯生长的主要动力学路径.本文将简要介绍该多尺度模拟研究方法及运用该方法揭示的铜表面石墨烯生长机理.