人造霧成霧過程與成霧機(jī)理研究

人工霧利用煙火劑的燃燒效果，將專用催化劑的蒸發(fā)分散開來，形成相應(yīng)的粒徑大小和分布的凝結(jié)核。凝結(jié)核在潮解和除濕后，空氣中的水被冷卻，形成小的水滴，最終形成由致密滴水組成的霧量。目前我們已完成了相關(guān)的理論和技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)了自然條件下的人工造霧,并具備了良好的光電遮蔽效果。人造霧的成霧機(jī)理是受天然霧的啟發(fā)而得,但其實(shí)際成霧過程與天然霧形成機(jī)理有所不同。研究人造霧的成霧機(jī)理和成霧過程,對(duì)于進(jìn)一步提高成霧能力、改進(jìn)人造霧的綜合性能具有理論指導(dǎo)意義。因此,本文對(duì)人造霧的成霧過程進(jìn)行研究和分析,并比較了實(shí)際成霧過程與理論計(jì)算結(jié)果的異同。1不同凝結(jié)核的影響在造霧劑研制過程中嘗試了多種系列的不同配方,發(fā)現(xiàn)其中凝結(jié)核的粒徑分布、數(shù)密度、凝水能力、凝水速度等的不同是導(dǎo)致霧滴微物理性能和成霧宏觀性能差異的主要原因。1.1不同造霧劑成霧性能的差異凝結(jié)核和霧滴的微物理性能是造霧劑宏觀性能差異的微觀表征。由于某些凝結(jié)核最后未能吸水形成霧滴,稱能形成穩(wěn)定霧滴的這部分凝結(jié)核為有效凝結(jié)核。有效凝結(jié)核多,實(shí)際形成的霧滴數(shù)密度大。成霧初期生成的霧滴越多,說明有效凝結(jié)核越多,凝水能力越強(qiáng)。而初始小霧滴生長速度主要與凝結(jié)核的平均凝水速度有關(guān),凝水速度越快,霧滴長大得越快、平均粒徑和含水量越大。我們?cè)?3m3煙室內(nèi)對(duì)不同造霧劑成霧微物理性能的差異進(jìn)行了研究,結(jié)果如表1所示。其中凝結(jié)核數(shù)密度指造霧劑燃燒后,在煙室單位體積內(nèi)產(chǎn)生的凝結(jié)核個(gè)數(shù)。文中提及的霧滴粒徑除特殊說明,一般指直徑。由表1可知,M型造霧劑凝結(jié)核的凝水能力強(qiáng)、凝水速度快,在低濕度下就可迅速凝結(jié)成霧滴,因而采集不到初始凝結(jié)核;成霧后,霧滴的平均粒徑和含水量最大,粒徑分布范圍寬。D型和M型造霧劑凝結(jié)核的凝水性能較前者要差,其中D型造霧劑有效凝結(jié)核的含量少,霧滴數(shù)密度較小;因凝結(jié)核凝水速度較慢,霧滴的平均粒徑和分布范圍都較小。E型造霧劑有效凝結(jié)核含量較多,凝水能力較強(qiáng)、凝水速度較快,因此形成霧滴的平均粒徑和分布范圍都較大。凝結(jié)核的凝水速度也決定了霧幛的形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間。凝結(jié)核的凝水速度快,則成霧時(shí)間快,霧滴粒徑大。霧滴的粒徑分布、數(shù)密度、含水量等與霧幛的光電遮蔽性能有關(guān)。由上述可知,M型造霧劑凝結(jié)核的凝水性能最好,成霧時(shí)間短,可見光遮蔽效果最好;D型和E型造霧劑凝結(jié)核的性能稍差,可見光遮蔽效果也遜于前者。1.2造霧劑成霧宏觀性能和物理性能對(duì)造霧劑成霧后霧滴的生長變化過程也進(jìn)行了跟蹤觀測,結(jié)果如表2所示。不同造霧劑成霧過程中霧滴生長、穩(wěn)定、消散的變化規(guī)律是基本一致的,只是其中各生長階段轉(zhuǎn)變的時(shí)間稍有差異。對(duì)D型造霧劑的成霧過程進(jìn)行觀察,統(tǒng)計(jì)其微物理性能和宏觀性能變化趨勢,結(jié)果見圖1～3。由圖中可知,成霧初期,霧滴的平均粒徑比較小,數(shù)密度較小,成霧能見度較大;隨著霧滴的平均粒徑逐漸增大,霧滴數(shù)密度增大,霧變濃,能見度降低;但隨著霧滴的粒徑分布趨向一致,霧滴平均粒徑逐漸減小,成霧的能見度又增大。成霧過程中,霧滴的平均粒徑和數(shù)密度隨時(shí)間變化節(jié)點(diǎn)不完全一致,而人造霧的能見度變化正是這兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果。綜合考慮二者,能見度最低點(diǎn)應(yīng)在霧滴數(shù)密度和平均粒徑都較大的時(shí)間段,即兩者峰值的中間時(shí)間點(diǎn),由圖3可知,成霧最濃時(shí)間一般為施霧10～15min后,這與圖中霧滴微物理性能變化規(guī)律是相符的。由上述討論可知,造霧劑成霧的宏觀性能和微物理性能主要與凝結(jié)核的成核率、凝水能力和凝水速度有關(guān)。因此,我們可以通過改進(jìn)造霧劑中氧化劑和催化劑的種類與含量、調(diào)節(jié)造霧劑的燃溫等,改變凝結(jié)核的成核率和凝水性能,調(diào)節(jié)和控制霧滴分布特點(diǎn)和含水量、數(shù)密度等微物理性能,從而提高人造霧的宏觀成霧性能。2酶活動(dòng)力天然霧的凝結(jié)核主要來源于大氣中的可溶性粒子,實(shí)際大氣中這種粒子的含量是相當(dāng)少的,同時(shí)天然霧對(duì)環(huán)境條件的要求比較苛刻,如低溫、相對(duì)濕度過飽和等,因此具有很大的隨機(jī)性。而人造霧對(duì)環(huán)境條件的要求較小,在較大的溫度和相對(duì)濕度范圍內(nèi),只要有造霧劑提供粒徑合適的凝結(jié)核,就可快速形成穩(wěn)定的大面積霧障。對(duì)中國各地霧的微物理性能觀測可知,天然霧的霧滴數(shù)密度以城市霧最大,其量級(jí)為102～103個(gè)/cm3;山區(qū)霧次之,一般為100～200個(gè)/cm3;海霧最小,平均為37.2個(gè)/cm3。天然霧含水量以重慶市最小,小于0.1g/m3,其他各地霧約為0.1～0.5g/m3。相比之下,人造霧的凝結(jié)核較多,霧滴數(shù)密度較大,一般為500～1000個(gè)/cm3;但霧含水量較小,一般小于0.1g/m3。霧滴譜是霧演變的主要表征量,其變化反映了各個(gè)階段的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。初生的天然霧霧滴分布較均勻,霧滴譜較窄。在霧的發(fā)生過程中,大滴數(shù)量逐漸增多,小滴的比例相應(yīng)減少,霧滴譜逐漸加寬。趨于消散階段的霧,霧滴尺度相差較大。而人造霧的發(fā)展和演變趨勢與天然霧有很大不同。由表2可知,人造霧成霧初期,霧滴大小分布不均,霧滴譜分布集中在兩極;之后霧滴的大小分布趨向均勻。在霧的發(fā)展過程中,大霧滴逐漸減小至消失,小液滴的比例和數(shù)量都在增加,霧滴譜逐漸變窄。3人造霧成因機(jī)理及影響因素分析人造霧與天然霧的形成過程不完全相同。我們希望通過對(duì)云霧動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)生長過程的理論分析,結(jié)合對(duì)人造霧成霧過程中微物理性能變化的觀測結(jié)果,研究人造霧的成霧機(jī)理,將測定值與理論值進(jìn)行比較,分析差異產(chǎn)生的原因。3.1凝結(jié)核及平衡粒徑的測定云物理學(xué)中一般是通過柯拉方程來反映凝結(jié)核形成的霧滴半徑與相對(duì)濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)柯拉方程(以NaCl為例),溫度為T,半徑為r的溶液滴表面水汽壓E′r與同溫度下純水面飽和水汽壓E∞有如下關(guān)系:E′rE∞=1+Crr-Cnr3=1+3.3×10-5Τ?r-0.147mr3=f100(1)E′rE∞=1+Crr?Cnr3=1+3.3×10?5T?r?0.147mr3=f100(1)其中,Cr=2σ′Μρ′1RΤ?Cn=iBΜ′?B=3Μ4πρ′1?Μ′=mW?W是溶質(zhì)的分子量。σ′,ρ′1分別為溶液的表面張力和密度,R為通用氣體常數(shù),M是水的分子量,ρ1為水的密度,m為以克為單位的溶質(zhì)的質(zhì)量,i是范特霍夫系數(shù),一般令i≈2。由上式可知,溶液滴的飽和水汽壓由三個(gè)因子所決定,一是溫度效應(yīng),由E∞決定;二是曲率效應(yīng),由Crr決定;三是溶質(zhì)效應(yīng),由Cnr3決定。對(duì)于不同大小的凝結(jié)核,根據(jù)上式可作出相對(duì)濕度與溶液滴半徑的關(guān)系曲線(見圖4),計(jì)算其平衡粒徑(見表3)。由圖4可知,在0～25℃范圍內(nèi),相對(duì)濕度小于100%時(shí),NaCl核形成溶液滴的粒徑區(qū)別很小,因此可忽略溫度對(duì)霧滴粒徑的影響。不同大小的鹽核凝水形成溶液滴后,相對(duì)濕度變化時(shí),粒徑增大的幅度有所不同。質(zhì)量越小的鹽核,形成液滴的初始粒徑越小,最后能達(dá)到的平衡半徑越小。由表3可知,質(zhì)量為10-16g的鹽核,在相對(duì)濕度為80%與100%時(shí)相比,溶液滴半徑幾乎變?yōu)樵瓉淼?.4倍;而質(zhì)量為10-8g的鹽核,100%時(shí)的平衡半徑為80%時(shí)的3.5倍。因此,在相同的濕度變化范圍內(nèi),粒徑越大的鹽核長大的幅度越大。D型造霧劑的主要成核物質(zhì)為NaCl,因此可將理論值與測定值進(jìn)行比較。通過電鏡觀測可知,D型造霧劑凝結(jié)核的粒徑(直徑)為0.2～2μm,由表3知,設(shè)定人造霧的成霧溫度為0～25℃,則其形成的霧滴在100%的相對(duì)濕度下能達(dá)到的最大粒徑為1～13μm。而人造霧霧滴粒徑的分布范圍為2～10μm,這與理論計(jì)算結(jié)果基本相符,較計(jì)算值稍小一些。3.2凝結(jié)核容量和凝結(jié)粒徑的影響對(duì)于溶質(zhì)質(zhì)量為m,分子量為W的溶液滴,根據(jù)單個(gè)鹽溶液滴的動(dòng)力學(xué)生長方程:rdrdt=(S-1)-2σΜ/(ρ1RΤr)+imΜ/(43πr3ρ1W)Lρ1ΚΤ(LΜRΤ-1)+ρ1RΤDΜρS(Τ)=(S-1)-3.3×10-5Τr+0.147mr3Lρ1ΚΤ(LΜRΤ-1)+ρ1RΤDΜρS(Τ)(2)由上式可計(jì)算出不同大小的凝結(jié)核長大所需的時(shí)間,如表4所示。如設(shè)定凝結(jié)核的質(zhì)量為10-12g,形成初始霧滴直徑為1.5μm,則要生長到4～10μm,只需1min;如凝結(jié)核的質(zhì)量為10-14g,要長大到直徑為4～10μm,也只需2～9min。人造霧的穩(wěn)定維持時(shí)間一般為20～30min,在前10min內(nèi)霧滴緩慢長大,10min后由于相對(duì)濕度下降,水汽供應(yīng)不足,霧滴逐漸減小,直至完全消失。由上述討論可知,人造霧霧滴的粒徑分布范圍和生長時(shí)間與理論值基本相符。但人造霧的霧滴粒徑分布很不均勻,霧滴生長的時(shí)間和限度有限,實(shí)際粒徑較理論值稍小。云霧生長理論是根據(jù)在假定的恒定環(huán)境中單個(gè)霧滴生長過程的計(jì)算結(jié)果,因而計(jì)算得到的霧滴粒徑分布均勻,生長時(shí)間也較長。但實(shí)際成霧環(huán)境中,溫度、相對(duì)濕度等都不斷變化,這種起伏場效應(yīng)使得環(huán)境的水汽供應(yīng)量有限,霧滴的生長受到限制,因此,人造霧的霧滴譜分布大小不均,霧滴生長過程受隨機(jī)因素的影響較大,生長時(shí)間和生長限度有限,實(shí)際測定值與理論值有所差異。4人造霧與天然霧的對(duì)比通過對(duì)人造霧的微物理性能和成霧過程的觀測和分析,我們對(duì)其凝結(jié)核分布、凝水性能、霧滴粒徑、數(shù)密度等微物理性能變化過程有