论文部分内容阅读
在酸洗、电镀和熔炼金属等工业生产过程中,会从敞口槽面散发大量的液滴类污染物到建筑室内环境中。若这些污染物在室内大量聚集且长时间停留,对建筑室内人员、设备和建筑围护结构都会带来影响。硫酸和盐酸液滴是槽面散发的两种典型的溶液液滴。研究硫酸和盐酸液滴在建筑室内的相变和运动特性,可以有助于指导污染物的高效控制,评估其对工业建筑室内环境的危害程度。本文建立了同时考虑溶剂蒸发和溶质挥发作用的液滴相变和运动耦合模型。相变模型中液滴的表面水蒸气分压力是影响溶液液滴蒸发的主要因素之一,因此精确描述硫酸和盐酸液滴水蒸气分压力,才能准确的预测液滴的蒸发及运动特性。通过理论计算,得到了渗透系数法和范特霍夫因子法预测的硫酸和盐酸液滴表面水蒸气分压力,并将计算结果和实验测定值进行了对比分析。研究发现硫酸和盐酸液滴采用渗透系数方法预测的液滴表面水蒸气分压力比范特霍夫因子方法更准确。但随着溶质质量分数的增加,渗透系数法的误差也随之增大。为了准确预测两种液滴的蒸发特性,本文基于实验测试数据,得到了关于液滴溶质质量分数和温度的液滴表面水蒸气分压力的拟合方程(以下简称:拟合预测方法)。通过MATLAB编写了求解硫酸和盐酸液滴相变及运动模型的程序,运用纯水液滴自由下落过程中蒸发和运动的实验数据对模型程序的控制方程和求解方法进行了验证。对比分析了采用三种液滴表面水蒸气分压力(范特霍夫因子法、渗透系数法和拟合预测方法)预测方法下硫酸和盐酸液滴在自由下落过程中的蒸发及运动的差异。研究发现采用范特霍夫因子方法对两类液滴的预测与拟合预测方法相比差异最大。而渗透系数法对盐酸液滴预测与拟合预测方法差异较小,对硫酸液滴则差异较大。这主要是因为范特霍夫因子和渗透系数方法预测的硫酸和盐酸液滴的表面水蒸气分压力不准确。分析了渗透系数方法预测硫酸液滴的液滴的蒸发及运动的适用条件,发现液滴发生突变的临界湿度为RH=62%,对应的质量分数为ω=40%,且突变临界湿度和质量分数不随环境温度、液滴的初始质量分数、液滴初始粒径而变化。基于拟合预测方法,运用编程程序分析了液滴初始粒径和溶质初始质量分数,环境相对湿度和温度等四个因素对硫酸和盐酸液滴的自由沉降特性的影响。研究发现HCl分子的挥发使得单个盐酸液滴的粒径变化趋势与硫酸液滴的粒径变化趋势完全不同。盐酸液滴可以完全蒸发,而硫酸液滴则会达到“平衡粒径”(硫酸液滴达到蒸发平衡时的粒径)。确定了不同RH和初始粒径下硫酸液滴的“平衡粒径”。当RH恒定时,“平衡粒径”和初始粒径呈现线性关系。当初始粒径Ddi≤40μm,由于蒸发和挥发的共同作用,盐酸液滴下落距离不明显。基于拟合预测方法的拟合方程,编写了硫酸液滴表面水蒸气分压力的UDF。利用Fluent计算分析软件研究了从大长宽比敞口槽面散发的硫酸液滴群在建筑室内的蒸发和运动特性。对比分析了不同初始粒径和环境相对湿度下硫酸液滴群在建筑室内的迁移规律及动态分布特性。研究发现,RH=50%条件下,对于初始粒径Ddi≤70μm的硫酸液滴,随着液滴的蒸发,液滴随气流的跟随性很好,容易受到横向干扰气流作用时会跟随气流扩散到更大范围的建筑环境内,Ddi≥80μm的液滴会回落或者沉积在槽面两侧,不易受到横向干扰气流影响。同时,相对湿度的大小对于硫酸液滴蒸发影响明显,但对其在建筑室内的扩散影响不大。