Роль физико-химических процессов в формировании и переносе высокодисперсных аэрозолей

• Автор: Загайнов, Валерий Анатольевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 276 с. : ил.

1 Введение. Трансформация аэрозоля постановка проблемы

2 Глава 1. Теория изменения дисперсного состава частиц при переносе

2.1 Введение

2.2 Моделирование процессов образования дисперсной фазы в газовой среде

2.2.1 Моделирование процессов конденсации в газовой среде

2.2.2 Выход системы на стационарный режим

2.2.3 Решение уравнений, моделирующих конденсацию в конечной системе

2.3 Моделирование процессов коагуляции

2.3.1 Вывод уравнений для численного решения уравнений процессов коагуляции

2.3.2 Проверка корректности решений уравнения коагуляции

2.3.3 Уравнение коагуляции для масс частиц

2.3.4 Перенос аэрозоля в коммуникациях с правильной геометрией с учетом трансформации частиц
2.3.5 Коагуляция частиц в смешанном облаке
2.3.6 Осаждение частиц в канале правильной геометрии при изменяющейся со временем скорости потока
2.3.6.1 Осаждение частиц в плоском канале
2.3.6.2 Осаждение частиц в цилиндрическом канале
2.4 Моделирование конденсационного роста отдельной частицы
2.4.1 Введение
2.4.2 Постановка задачи
2.4.3 Основные уравнения
2.4.4 Формальное решение уравнения для функции распределения
2.4.5 Точные результаты решения уравнений
2.4.6 Результаты применения точных решений и их приближения
2.4.7 Пограничный слой
2.4.8 Приближение скачка концентрации на поверхности частицы
2.4.8.1 Численные результаты
2.4.8.2 Другие граничные условия
2.5 Выводы к главе 1
3 Глава 2. Приборное и программное обеспечение аэрозольных ис следований
3.1 Введение
3.2 Диффузионный аэрозольный спектрометр
3.2.1 Устройство прибора
3.2.2 Работа диффузинного спектрометра
3.3 Результаы измерений и их обработка
3.3.1 Параметризация распределения по размерам
3.3.2 Подгонка кривых проскоков
3.3.2.1 Решение задачи о нахождении параметров распреде 0 ления из экспериментальных проскоков
3.3.2.2 Влияние экспериментальных ошибок на решение нели 3 нейных уравнений
3.3.2.3 Метод наименьших квадратов для предложенного под
3.3.2.4 Восстановление бимодальных распределений по раз
3.3.3 Численные эксперименты по восстановлению бимодаль 2 ных экспериментов из проскоков
3.3.4 Восстановлено кривой распределения по ее асимптотике 2 по измерениям субмикронных аэрозолей
3.4 Измерения концентрации и спектра размеров аэрозольных ча 5 стиц
3.4.1 Особенности измерения спектра концентрации и размеров 5 аэрозольных частиц
3.4.2 Измерение численной концентрации аэрозольных частиц
3.4.3 Используемые измерительные системы
3.4.4 Генерация аэрозолей для интеркалибровки
3.4.5 Результаты определения концентрации частиц
3.4.6 Измерения размеров частиц
3.4.6.1 Генераторы частиц для исследования эффективности 5 регистрации частиц
3.4.6.2 Результаты измерения размеров частиц различными 8 приборами и эффективность регистрации частиц
3.4.6.3 Выводы из измерения размеров частиц и эффективно 5 сти их регистрации
3.5 Выводы настоящего раздела
4 Глава 3. Применение теоретических моделей для расчета процессов 0 переноса в атмосфере
4.1 Применение фликкер шумовой спектроскопии для обработки 0 экспериментальных данных
4.1.1 Описание эксперимента
4.1.2 Основы фликкер шумовой спектроскопии и основные со 3 отношения
4.1.3 Корреляционные взаимосвязи в динамике распределенных
4.1.4 Приложения к динамике атмосферного аэрозоля
4.1.5 Обсуждение результатов и выводы
4.2 Моделирование атмосферного переноса и сопоставление с экс 3 периментальными исследованиями
4.2.1 Моделирование переноса аэрозоля в атмосфере и сопостав 5 ление с измерениями на примере исследований в регионе Братска
4.2.1.1 Формулировка основных уравнений
4.2.1.2 Уравнения гидротермодинамики атмосферы
4.2.1.3 Параметризация турбулентной диффузии нодсеточно
го масштаба
4.2.1.4 Коагуляция
4.2.1.5 Сопряженная задача
4.2.2 Численное решение
4.2.3 Экспериментальное исследование аэрозолей атмосферы
4.2.4 Обсуждение результатов численных расчетов
4.2.5 Результаты измерений
4.2.5.1 Сравнение результатов численных расчетов с измере
4.2.5.2 Обсуждение результатов и выводы
4.3 Исследование атмосферных аэрозолей Байкальского региона
4.3.1 Динамика атмосферных газовых примесей и аэрозолей в 2 Байкальском регионе
4.3.2 Основные модельные уравнения
4.3.3 Модель гомогенной нуклеации в системе НО
4.3.4 Кинетические уравнения конденсации и коагуляции
4.3.4.1 Учет газо и жидкофазных химических процессов в
комплескной модели
4.3.5 Модельные численные эксперименты
4.4 Выводы и заключение к настоящей главе
5 Заключение и выводы
Список литературы


Применение этого метода моментов позволяет создать замкнутую системусовместных уравнений для концентраций, радиусов, площади частиц и объемов. Такая процедура позволяет получить уравнения, соответствующие схеме БеккераДеринга в несколько ином виде. При формулировке своей модели 0 авторы исходили из двух условий 1 предполагалось, что источник работает постоянно в стационарном режиме, поставляя в систему мономеры с постоянной скоростью, причем источик распределен в пространстве однородно. Сток частиц также распределен в пространстве однородно. I скорость поступления мономера в систему. Эти уравнения образуют бесконечную систему совместных уравнений. Решение этих уравнений позволило получить изменение во времени всех фракций, среднего размера, поведение распределения но размерам в целом. Основной вывод, который следует из этих уравнений заключается в том, что нелинейрая форма уравнений, определяющих образование и рост частиц позволяет получить немонотонные зависимости характеристик аэродисперсной системы со временем. Образование новых частиц и их рост конкурируют между собой. Если система остается бесконечной и в ней отсутствуют стоки, поведение ее параметров остается монотонным. Появление стоков больших частиц позволяет периодически устранять конкуренцию со стороны больших частиц, и позволяет появляться новым малым. Аналогичная ситуация возникает в модели ЛоткиВольтерра 3, 4, 5, 0, где популяции жертв и хищников взаимно регулируют друг друга. В этой модели, если не угадать заранее начальных условий, то возникают незатухающие периодические изменения концентраций жертв и хищников. В этом случае колебания не затухают изза того, что эта система не диссипативная,подробнее об этом можно узнать из приложения 2. Основная особенность этой системы сводится к тому, что возмущение, отстоящее от стационарного состояния на конечное расстояние, не уменьшается. На фазовой плоскости стационарное состояние окружено бесконечным множеством замкнутых кривых, переходящих друг в друга при изменении начальных условий. Этим определяется консерватизм системы. В нашем случае имеем дело с диссипативной системой, поэтому стационарная точка представляет собой устойчивый фокус, к которому стремится система. Теперь вернемся к системе уравнений , которую можно рассматривать как модельную для описания образования новой фазы без учета испарения, но учитывает вывод частиц, большого размера С из системы. Поскольку в этой системе не учитывается возникновение новых частиц при столкновении двух частиц, размер которых превышает размер мономера, то эти уравнения справедливы только тогда, когда с ецг 1. Это условие предполагает 1. Для того, чтобы учесть испарение частиц, систему дифференциальных уравнений следует дополнить слагаемыми, пропорциональными концентрациям соответствующих частиц. Больцмана, я сечение столкновения между частицей и мономером. Коэффициент испарения определяются из соображений равенства между испарением и скоростью конденсации в условиях равновесия. Решение уравнения было получено численными методами. На графике рис. Как видно из рис. Рис. Зависимости концентраций фракций от времени с учетом испарения. Для того, чтобы понять, каким образом устанавливаются зависимости между отдельными фракциями, необходимо посмотреть фазовые картинки, которые отвечают зависимостям между отдельными концентрациями. Дело в том, что системы дифференциальных уравнений , представляют собой системы автономных уравнений, т. В силу этого легко получить зависимости концентраций фракций между собой и соответствующие фазовые сдвиги между различными фракциями. На рис. З показано, как зависят между собой концентрации первой и второй фракций. Из этих фазовых картинок видно, что изменение концентраций происходит с соответствующей задержкой, эта задержка увеличивается со временем, но не превышает одного периода до того момента, как система попадает в фокус. Этот пример соответствует системе, в которой максимальный размер равен , частицы всех остальных размеров выводятся из системы.