布朗运动

气溶胶灭火剂的性能（3）

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三、气溶胶的动力学性质

1．气溶胶粒子的力学问题

一般而言，气溶胶粒子受到以下三种力的作用：

（1）外力：如重力、电场力或离心力等；

（2）周围介质的作用力：如气体介质对粒子运动的阻力，流体作为连续介质所形成的流体动力，流体中个别分子对粒子无规则撞击的热动力等；

（3）粒子间相互作用的势力：如范德华力、库仑力等；

气溶胶粒子的力学现象虽然形形色色，若从基本过程考虑，大体有三类：

（1）粒子在重力作用下的沉降过程和外力作用下的沉淀过程或扬起过程；

（2）粒子之间在三种力联合作用下的碰并过程；

（3）粒子上的物质与传热过程。

气溶胶粒子体系是一个多粒子体系，因此气溶胶粒子沉降等力学现象在大多数情况下是多粒子相互作用而产生的力学现象。多粒子力学即使在低雷诺数（Re）条件下也很难求解，为此在研究过程中总是把气溶胶粒子简化为一个孤粒子力学问题，同时又假定粒子形状为球形。因此，目前对气溶胶粒子的动力学研究仍较多地局限于球形粒子范围内。

2．气溶胶的动力学

气溶胶的动力学特性主要表现在三个方面：布朗运动、扩散、沉降与沉降平衡。其中最主要的是布朗运动，它是后两个特性的基础。另外，气溶胶还具有碰并和凝并的特点。（1）布朗运动

1827年，英国植物学家布朗（Brown）在显微镜下观察到悬浮于水中的花粉粒子处于不停息的，无规则的运动状态。以后发现凡是线度小于4×10-6m的粒子，在分散介质中皆呈现这种运动，由于这种现象是由布朗首先发现的故称为布朗运动。

气溶胶微粒的无规则热运动，是由于分散介质中气体分子的无规则热运动造成的。悬浮于气体中的微粒，处在气体分子的包围之中，气体分子一直处于不停的热运动状态，它们从四面八方连续不断地撞击着这些微粒。如果这些微粒相当大，则某一瞬间气体分子从各个方面对粒子的撞击可以彼此抵消，粒子便不会发生位移；若这些微粒较小时，则此种撞击便会不平衡，这意味着在某一瞬间，微粒从某一方向得到的冲量要多一些，因而会向某一方面发生位移，而在另一时刻，又从另一方向得到较多的冲量，因而又使其向另一方向运动，这样我们便能观察到微粒在不停地如图3-1所示的连续的、不断的、不规则的折线运动，由此可见，布朗运动是分子热运动的必然结果，是胶体粒子的热运动。

1905年爱因斯坦用几率的概念和分子运动论的观点，创立了布郎运动的理论，并推导出爱因斯坦——布朗平均位移公式：

X=（RTt/3NAπrη）1/2

式中：X——t时间间隔内粒子的平均位移；

r——微粒的半径；

η——分散介质的粘度系数；

T——温度；

R——摩尔气体常数；

NA——阿佛加德罗常数。

由上式可知，当其它条件一定时，微粒的平均位移与其粒径的平方根呈反比，这就是说粒径越小，微粒的布朗运动越剧烈。

（2）扩散

在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移的现象，称为扩散。也就是说，产生扩散现象的主要原因是由于物质的粒子的布朗运动造成的。由于布朗运动是无规则的，因而就单个质点而言，它们向各个方向运动的几率均等。但在浓度较高的区域，由于单位体积内质点数较周围多，因而必定是“出多入少”，使浓度降低，而低浓度区域则刚好相反，这就表现为扩散。所以扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观基础。扩散服从菲克定律：

dm/dt=DA（dc/dx）

即单位时间内通过某截面的扩散量dm/dt与该截面各A浓度梯度dc/dx成正比。比例常数D即为扩散常数，D越大，粒子的扩散能力越强。爱因斯坦曾导出如下关系式：D=RT/（6NAπrη）

式中：D——扩散常数；

r——微粒的半径；

η——分散介质的粘度系数；

T——温度；

R——摩尔气体常数；

NA——阿佛加德罗常数。

由上式可知，微粒的扩散与粒子的半径组成反比，这说明粒子的半径越小，扩散能力越强。

（3）沉降与沉降平衡

多相分散系统中的物质粒子因受重力作用而下沉的过程称为沉降。分散质的粒子所受到的作用力情况大致可分为两个作用，一是重力场的作用，它力图将粒子拉到地面；另一种是因布朗运动所产生的扩散作用，它力图使粒子趋于均匀分布。沉降与扩散是两个相反的作用，两者之间存在着相互竞争。对于一般真溶液，由于扩散作用占绝对优势，沉降现象不明显。对于粗分散系统，如浑浊的泥水、静置多时便可澄清，这主要是粒子的质量大，扩散速度很慢，沉降起主导作用，而使质量大的粒子沉积于容器底部。一般来说，粒子的粒径越小，布朗运动越强烈，扩散速率也愈大，因而粒子受重力作用下沉出现浓度梯度时，则必然导致反方向的扩散作用的加强，若扩散速率等于沉降速率，则系统达到沉降平衡。

气溶胶粒子的沉降过程，是粒子在外力作用下和分散介质分离的过程，除重力沉降外，还包括着离心机的分离，中场中的沉降及化工工程中的反过程——流化床等。

1851年斯托克斯用孤粒子沉降理论对极端稀薄体系的沉降问题进行了研究，并得出了著名的Stokes介质对球形粒子运动的阻力公式：

FD=6πηrv

式中：FD——介质对球形粒子运动的阻力；

r——微粒的半径；

η——分散介质的粘度系数；

v——微粒的运动速度。

如果分散粒子比较大，布朗运动不足以克服沉降作用时，粒子就会以一定速度沉降，对于一个仅在重力作用下的以一定速度沉降的球体而言，沉降力就等于球的重力减去流体的浮力，即：

F=4/3πr3g（ρ-ρ0）

式中：F——沉降力；

g——重力加速度；

ρ——微粒的密度；

ρ0——分散介质的密度；

r——微粒的半径。

当FD=F时，粒子将以恒定速度v沉降。

此时6πηr v=4/3πr3g（ρ-ρ0）

则：v=[2r2（ρ-ρ0）]/（gη ）

上式即为气溶胶微粒的沉降公式。

由上式可知，微粒的沉降与粒子的半径平方成正比，这说明粒子半径越小，沉降的越慢。（4）气溶胶粒子的碰并

将一个障碍物放入流动的气溶胶中时，较小的粒子能够绕过障碍物跟随气流走，而较大的粒子由于具有较大的惯性，不能随着气流改变方向，于是被障碍物截获，这一现象就是碰并。

气溶胶体系中一个粒子与另一个粒子的碰并过程（包括粒子与障碍物之间的碰并捕获过程），实质上是粒子从体系中消失的过程。当气溶胶体系中存在着碰并现象时，其数密度将不断减少，而粒子的平均大小与平均沉降速度则不断增加。因此粒子从介质中分离出来的速度亦加快。所以，通常把存在着碰并现象的体系叫不稳定体系，反之，则稳定体系。

气溶胶粒子的碰并现象实际上包括了以下两个过程：

①碰撞过程：两个或两个以上的粒子，在外力（重力、离心力、外流场作用力等）或来自介质的布朗热运动力作用下而产生了相对运动，此时粒子相互接近以致发生接触碰撞。

②并合过程：两个或两个以上的粒子碰撞后，由于粒子表面的各种物理的、化学的作用，粒子发生并合，其中亦包括着粒子碰撞后不能并合又反弹回去的过程。

碰并现象对于气溶胶粒子的收集和测量具有实际意义，碰并率即碰并效率，可用碰并参数Pin来表达球形粒子。碰撞在横放于气路的流体中的孤立圆柱体、球体、平板或圆盘上的Pin值用下式表示。

Pin=4Ccρr2v/18ηd0

式中：Pin——碰并率；

Cc——滑动修正系当选；

r——粒子的半径；

ρ——粒子的密度；

d0——圆柱体、球体、圆盘的直径或平板密度；

v——粒子的速度；

η——介质的粘度系数。

由上式可知，气溶胶中粒子的碰并率Pin与粒子的半径平方吴正比，这表明气溶胶粒子的半径越小，碰并率越低，其沉降就越慢，在介质中驻留时间就越长。

（5）气溶胶粒子的凝并

气溶胶粒子在大气中运动时相互接触（碰撞）而形成较大粒子的过程叫凝并（亦称凝聚、凝结）。凝并的接触过程有热力的、电力的、磁力的、流体力学的、分子力的、重力的、惯性力的、声的等，对于烟雾气溶胶来说，主要考虑热力凝并，荷电凝并，湍流凝并和动力凝并。

①热力凝并

气溶胶粒子因布朗运动，彼此间发生频繁的碰撞，即产生热力凝并。布朗运动两粒子相碰就会粘附在一起，形成一个聚合粒子。

②荷电粒子的凝并

粒子带有电荷时，就有可能增强或者减弱粒子的凝并，这主要看电荷的同异性。

③湍流凝并

气溶胶粒子处于湍流中，其凝并会由于流体的混乱运动而增强。

④动力凝并

受外场力（重力、库仓力等）作用引起的气溶胶粒子的凝并过程称为动力凝并，粒子大小不同，其运动速度亦不同，往往是由大粒子捕获小粒子。

（6）气溶胶粒子的沉降，扩散、碰并和凝并的综合作用

沉降、扩散、碰并、凝并的综合作用将引起气溶胶的粒子浓度减小。在一个封闭空间，所观察到的粒子浓度减少的原因是：

①粒子沉降而沉积于空间底部；

②粒子在空间内壁和底部的扩散沉积；

③粒发生碰并和凝并。

以上三者作用各不相同，沉降和扩散一般是不能同时起作用的，这是因为扩散只当粒子小于1μm时才能发生。而此时的沉降作用则微不足道；相反，当沉降起主导作用时，粒子扩散迁移可忽略不计，无论是扩散过程还是沉降过程，碰并和凝并总是发生。并且当粒子在0.1μm-1μm时，上述作用都发生。

由热气溶胶灭火剂所产生的主要灭火介质——固体微粒的粒径一般在10-9~10-6m之间，远小于能产生布朗运动的粒径的极限值4×10-6m，所以它所表现出的布朗运动状态是很明显的，因此表现出类似于气体一样的很强的扩散能力，能很快绕过障碍物扩散、渗透到火场内任何一处微小的空隙之内，起到全淹没、无死角的灭火作用。

气溶胶的分散程度是评价气溶胶灭火效能的一个重要因素，气溶胶的分散特性是其固体微粒尺寸的函数，气溶胶微径越小，其扩散能力越强。另外由于气溶胶具有较小的粒径，虽然存在着碰并、凝并现象，但仍能使较多的超细固体灭火微粒长时间处于沉降平衡状态，这样这些微粒便可在保护空间内保持长时间的悬浮状态，很好地起到灭火并防止火灾复燃的效果。试验研究表明，这些固体微粒可在火场空间中驻留长达数十分钟甚至几个小时。