气溶胶迁移规律研究进展_赵勇.pdf

第 卷第 期（总第 期）辐射防护通讯 年 月综 述气溶胶迁移规律研究进展赵勇，陈凌，骆志平，向宇波，张锦涛（南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳，；中国原子能科学研究院 核安全研究所，北京，）摘 要 随着核电的发展，超铀核素气溶胶产生的辐射危害成为不可忽视的问题，如何找出气溶胶的迁移规律是解决这一问题的关键。本文综合分析了影响气溶胶迁移行为及规律的研究成果，得出气溶胶迁移主要受胶体自身特征、载体气流状态、外界物理场的影响。胶体自身特征影响迁移侧重研究气溶胶自身特性对迁移过程中沉降、扩散和凝并的影响，属于研究理想状态下气溶胶迁移规律。载体气流状态影响迁移侧重研究载体气流的运动状态、载体气体和气溶胶颗粒之间的两相流，主要描述载体气流流态作用下气溶胶颗粒在载体气流中的分布状态。外界物理场影响迁移针对温度场、磁场、电场、湿度场展开研究，适合描述实际过程中气溶胶的迁移状态。现有迁移行为及规律未涉及多因素影响下的气溶胶迁移行为和多物理场耦合作用下气溶胶的迁移规律及其迁移模型。关键词：气溶胶迁移；自身特性；载体气流状态；物理场；研究进展中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言 我国的核电正处于大规模发展时期，超铀核素的辐射防护问题显得尤为突出，特别是超铀核素的内照射问题。超铀核素大多是 放射性核素，衰变时释放高能 粒子，具有极高的放射性毒性，即使少量进入人体内也有可能造成严重的组织损伤和健康危害。超铀核素对人体造成的危害主要来自吸入的气溶胶。为有效应对气溶胶的辐射危害，避免对人体造成更大的伤害，研究气溶胶的迁移规律具有重要意义。一定空间内温度差的作用下，气溶胶粒子自身的布朗运动加剧，粒子由空间内高温区向低温区迁移，产生布朗扩散和温度迁移。在浓度差作用下，气溶胶粒子由空间内高浓度区域向低浓度区域迁移，产生扩散迁移。气溶胶整个迁移扩散过程中，不断发生碰撞凝并，在重力作用下产生重力沉降。气溶胶迁移的载体是气体，气体的运移状态决定了气溶胶的迁移状况，气体的流速、流动状态、流量均对气溶胶的迁移产生影响。此外，气溶胶在气体内迁移过程中还受到外部物理场的影响。在不同影响因素作用下，气溶胶迁移行为不同，呈现出的规律也就不同。国内外学者对不同因素影响下气溶胶迁移展开深入的理论研究，分析不同影响因素下气溶胶的行为特点，形成不同条件下的迁移特性。本文总结并归纳了国内外文献中研究不同因素影响下的气溶胶迁移规律，针对迁移过程中气溶胶自身特征对沉降、扩散和凝并变化影响、受到载体气流状态影响、外界物理场的影响等方面进行分析，得出目前理论研究存在的局限性，为气溶胶迁移规律的研究起到一定的借鉴作用。气溶胶体自身特征对迁移的影响 为认清气溶胶扩散迁移状况，国内外学者针对气溶胶自身沉降、扩散和凝并特点，侧重研究气溶胶扩散迁移过程颗粒自身能量变化、浓度变化、基金项目：国家自然科学基金（）；湖南省自然科学基金（）。收稿日期：作者简介：赵勇（），男，河南安阳人，目前为中国原子能科学研究院核安全研究所在站博士后。主要从事放射性核素在环境介质中的迁移、非稳态渗流力学、多物理场流固耦合等教学与科研工作。：相变、粒径、颗粒温度变化、颗粒碰撞、颗粒带电等气溶胶体自身的特征，建立物理方程研究了气溶胶沉降、扩散和凝并过程。具体研究如下：（）气溶胶自身能量变化影响方面主要是从动量、能量、质量守恒方程角度建立模型，分析气溶胶的浓度分布及沉积。等研究了沿等温垂直平板的气溶胶动力学，从能量角度出发，建立了扩散、动量、能量、热液动力平衡、凝结过程中颗粒生长的气溶胶动力学浓度变化模型，得出颗粒凝聚改变了气溶胶的浓度分布，小颗粒凝聚后沉积速度降低，大颗粒沉积速度变大。（）研究气溶胶粒子表面非均匀性的影响，主要侧重从粒子生长速率与粒子表面特性的局部性质及其形态进行研究。等研究了表面非均匀性对气溶胶粒子凝结的影响，得出颗粒生长速率强烈依赖于颗粒复杂且高度可变的表面性质以及它们形貌的局部性质。（）液滴表面相变的影响方面，侧重研究气溶胶液滴运动和凝结过程中液滴半径变化，进而分析液滴相变沉降。等研究了热扩散引起液滴表面相变的室内气溶胶液滴运动，建立了考虑热扩散和重力作用下的气溶胶液滴运动方程，得到了液滴最大上升高度的计算公式。（）气溶胶颗粒大小的影响方面，侧重研究颗粒大小与沉积的关系，不同类型的颗粒引起沉积的因素不同。等研究了冷却剂泄漏后气溶胶行为，得出在低雷诺数湍流中，重力对大颗粒的沉积起主要作用，湍流和布朗运动对小颗粒的沉积起主要作用；王启燕等研究了布朗扩散对颗粒床过滤的影响，得出气溶胶粒子的粒径越小，布朗扩散越明显。（）气溶胶颗粒自身的温度变化方面，侧重研究颗粒之间的温度梯度、单个颗粒的能量和动量变化，分析单个颗粒的热迁移速度变化。等研究了气态介质中任意位置的球形粒子在球腔内的热泳运动，考虑了气体运动滑移区固体表面的温度跳跃、摩擦滑移、热蠕变和热应力滑移，得出了颗粒和空腔的相对热物性和表面性质、半径比和颗粒位置偏心率的关系。（）颗粒碰撞方面，侧重研究单分散和多分散气溶胶粒子的运动、碰撞和凝并过程，分析凝聚系数、粒径分布和数浓度的演化规律。等研究了气溶胶布朗碰撞凝聚，得到凝聚系数以及颗粒大小分布和颗粒浓度随时间的变化情况。（）颗粒带电属性方面主要是研究布朗扩散作用下带电气溶胶颗粒的沉积。等研究了圆柱管中静电弥散和扩散联合作用下气溶胶的穿透，建立联系颗粒穿透与管子几何形状、气溶胶流速、颗粒迁移率和粒子浓度的方程。总之，气溶胶体自身特征影响迁移适合描述承载气体和外界物理场对气溶胶的迁移无影响的状况，侧重研究气溶胶自身特性对迁移过程中沉降、扩散和凝并的影响，这种迁移规律未考虑气溶胶承载气体和外界物理场的影响，属于研究理想状态下气溶胶迁移规律。载体气流状态对气溶胶迁移的影响 气溶胶颗粒在载体气流中迁移，不仅受到气溶胶颗粒自身因素的影响，而且受到载体气流的影响。在不同流态的载体气流作用下，气溶胶在气流中的分布状态不同，从而呈现不同的迁移规律。（）气体层流影响方面主要是从布朗扩散和重力沉降角度出发，针对层流流态气溶胶的运移状态，建立了扩散、对流和重力作用下的气溶胶输运方程，分析了气溶胶迁移过程中的沉积特点。等研究了层流条件下，有重力效应的水平窄通道中气溶胶粒子的沉积，得出布朗扩散作用下气溶胶粒子的浓度分布是轴对称的，而布朗扩散和重力沉降联合作用下，气溶胶粒子浓度分布是不对称的和向下倾斜的。（）对流影响方面主要是从气溶胶凝聚和沉降角度，建立气溶胶粒径谱随位置和时间变化的扩散对流方程。等研究了核反应堆安全领域中污染物颗粒在流体介质中的扩散，得到了重力混凝和布朗混凝结合时的时间和空间演化规律。（）气体湍流影响方面主要是研究湍流强度、湍流扩散对不同粒径的沉积、凝并的影响。等研究了气溶胶粒子在试验室内光滑的铝表面上沉积速率，得出诱导湍流强度大大提高了超细颗粒的沉积速率。超细颗粒的沉积速率与通风量成正比，且随风机转速的增加而单调增加；等研究了湍流管流内气溶胶粒子在凝辐射防护通讯 年 月 第 卷 第 期聚和破碎过程中的穿透效率和分布，得出颗粒数浓度沿径向分布不均匀，近壁区颗粒向管心和壁面附近扩散。颗粒在管内停留时间越长，颗粒沉积到壁面的概率越大，穿透效率越小。（）气溶胶通风条件方面主要是研究通风方式、气流模式对气溶胶沉积、空间颗粒分布及迁移的影响。等研究了室内气溶胶粒子在双区通风系统中沉积与分布，得出颗粒物的沉降和迁移主要受两个区域的颗粒物性质、通风条件和气流组织形式的影响；等研究了通风房间气流组织方式对气溶胶粒子扩散和去除影响，得出在较低的换气率下，单向混合通风可以更有效地将颗粒导向排气扩散器，而四向混合通风可以使更多的颗粒保持在空气中。（）载体气体和气溶胶颗粒之间的两相流方面主 要 是 认 为 载 体 气 体 为 连 续 介 质 的 流 体相，气溶胶颗粒为离散体颗粒相，气溶胶在气体中的迁移为颗粒在流体中的运移，气溶胶在气体中迁移存在气相和颗粒相之间的相互作用。李家骅等研究了雾层两相耦合场中气溶胶颗粒物的动力学性质；杨书申等研究了气体颗粒两相流动力学在气溶胶采样中的应用。（）载体气体滑移流动方面，侧重研究气体流动处于滑移流动状态时气溶胶在微通道中的扩散损失。等研究了气溶胶在微通道中的穿透效率，得出气溶胶在滑移流状态下穿透力减小，壁面颗粒浓度的非零边界条件对颗粒穿透没有任何显著影响。（）载体气体流量方面，针对不同载体气体流量对气溶胶的数量浓度、粒径分布和颗粒沉积行为进行研究。等研究了不同流动条件下管道组件中气溶胶沉积特征，得出了组件中的沉积分数，并解释了不同动力学过程的作用。（）载体气体有干扰风流影响方面，针对有风和无风条件下放射性气溶胶的扩散进行研究。王孔森等研究了核电事故中核素气溶胶扩散，得出源初始高度一定，风速越大，污染范围也会越大，地面浓度相对变小；风速一定，源初始高度越高，则放射性污染物地面沉积范围越大。总之，载体气流状态对气溶胶迁移的影响适合描述载体气流流态作用下气溶胶颗粒在载体气流中的分布状态，侧重研究载体气体层流、对流、湍流、通风条件、流量等载体气流的运动状态，以及载体气体和气溶胶颗粒之间的两相流。这种迁移规律未考虑外界物理场的影响，仅限于研究气溶胶颗粒、载体气流之间的相互影响，适合描述气溶胶迁移不受外界影响。外界物理场对气溶胶迁移的影响 气溶胶颗粒迁移过程中，除受到气溶胶颗粒自身因素的影响以及载体气流对气溶胶颗粒的影响之外，还受到外界物理场作用的影响。在外界物理场的作用下，由于外界能量传递，载体气体和气溶胶颗粒获得的能量增大，颗粒动能增大，载体气体的流动状态发生变化，呈现出不同的沉降特性。（）温度场的影响方面主要考虑外界壁温变化引起的气溶胶粒子沉积，分析粒子在热迁移和扩散迁移作用下颗粒沉积速率和粒子温度分布。等研究了变温垂直板层流中气溶胶粒子的沉积，得出粒子浓度场受普朗特数和壁面温度变化指数影响；等研究了层流自然对流、布朗扩散和热泳共同作用下气溶胶粒子在等温水平或垂直平板上的输运和沉积。得出沉积速度随颗粒直径的增大而减小，并且颗粒的热漂移有助于布朗扩散，导致沉积速度提高；等研究了混合对流对层流管流中气溶胶粒子热泳沉积的影响，得出对流改变了沉积，在垂直管内向下流动时，较短的轴向距离内沉积的颗粒比向上流动时沉积的颗粒多。（）磁场的影响方面主要考虑横向磁场对气溶胶颗粒输运和沉积的影响，分析磁场参数与流体边界层和热边界层的厚度、沉积速度之间的关系。等研究了自然对流条件下，热泳和横向磁场对气溶胶粒子在水平平板上输运和沉积的影响。得出流体边界层厚度和热边界层厚度均随磁场参数的增加而增加。沉积速度随磁场参数的增大而减小，随温度梯度引起的扩散系数增大而增大。（）电场作用的影响方面，针对电场对气溶胶扩散的影响，分析除布朗扩散外由具有相同电荷粒子的电迁移速度的分散而产生一种新的电扩散机制。等研究了电场和化学反应对多孔介质通道中气溶胶弥散的影响，得出气气溶胶迁移规律研究进展 赵勇溶胶相对于一个随大气流体平均速度移动的平面进行分散，以及气溶胶的平均凝聚速度随泰勒弥散系数进行分散。该系数随电荷数的增加而增大，随孔隙参数的增加而减小。（）湿度的影响方面侧重研究湿度对气溶胶粒径、沉积、粒子物理行为、粒子间相互作用力的影响。分析湿度变化作用下不同粒径气溶胶凝结、气溶胶的沉积效率、颗粒的团聚速度、团聚率、粒子表面的静电相互作用。等研究了温度和湿度变化对气溶胶粒径变化的影响及其对单种和多种混合物弯管中气溶胶沉积的影响，得出了颗粒尺寸的增大有利于惯性沉积，抑制扩散沉积，可以显著影响沉积颗粒的数量，导致壁面上沉积液体质量的增加；孙雪霆等设计了干燥及潮湿气氛下的气溶胶沉积试验，得出潮湿气氛空间内气溶胶浓度会由于扩散泳沉积作用而衰减得更快，并且水蒸气的凝结质量流量越大，气溶胶浓度衰减越快；等研究了大气湿度和粒子荷电状态对气溶胶粒子凝聚的影响，得出随着大气湿度的增加，颗粒的团聚速率增加，这是由于液体桥接力的增大，从而提高了颗粒的团聚速度。较高的湿度会增强颗粒表面的电离，从而影响静电相互作用。（）裂隙的影响方面主要研究气溶胶粒子大小、载体气体流速、裂隙高度对气溶胶在裂隙中穿透率的影响。高鸿恩等研究了气溶胶颗粒通过房屋裂隙进入室内的穿透特性，得出流速和裂隙高度增加会增大气溶胶的穿透率。通过进一步研究实际岩体裂隙中气溶胶的穿透行为，得出穿透率随着气溶胶粒径的增大而呈现先增大后减小，随着裂隙长度的增加而呈指数减小，随着裂隙高度的增加而显著增大。目前，外界物理场对气溶胶迁移的影响针对温度场、磁场、电场、湿度场展开研究，这种迁移状态侧重考虑外界因素对气溶胶迁移的影响，适合描述实际过程中气溶胶的迁移状态。但仅考虑单一物理场对气溶胶迁移的影响，没有从多物理场耦合角度进行分析气溶胶迁移，也没有针对外界物理场引起载体气流状态变化和气溶胶迁移变化进行研究。结语 综上所述，气溶胶迁移规律经历了研究气溶胶体自身特征影响迁移、载体气流状态对气溶胶迁移影响、外界物理场对气溶胶迁移的影响三个层次，由理想状态的迁移到受外界影响的迁移研究，对人们认识气溶胶的迁移行为、迁移规律起到一定作用。目前仅针对单一物理场对气溶胶迁移的影响，存在以下几个方面的不足：（）气溶胶迁移规律影响因素研究角度不同，现有的迁移行为及规律均为研究某一种因素作用下气溶胶的迁移状态，实际迁移过程中气溶胶受到多因素影响。目前没有形成较为全面的影响因素相互作用下的迁移规律，因而适用范围有一定的局限性。（）针对多物理场耦合作用下气溶胶的迁移未展开研究。实际迁移过程中气溶胶受到多种物理场影响，目前仅针对单一物理场作用下气溶胶迁移规律展开研究，没有研究多种物理场相互耦合作用下载体气体的运移规律、气溶胶的迁移行为、载体气体运移变化对气溶胶行为的影响，并且没有形成相关的气溶胶迁移规律，也没有建立相关的多物理耦合场气溶胶迁移模型。针对多物理耦合场作用下，气溶胶的迁移行为及迁移规律展开研究，可有效分析多因素对气溶胶的迁移行为产生的主要影响，形成更为完善的迁移规律，为进一步有效的控制及消除气溶胶辐射危害提供理论基础。参考文献：，（）：，（）：，（）：，：王启燕，何启梅，马江 布朗扩散对颗粒床过滤的影响 环境科学与技术，（）：辐射防护通讯 年 月 第 卷 第 期 王珂，宋英韵，张泽寰，等 放射性气溶胶的扩散迁移规律与控制措施的模拟 中国科技论文，（）：，（）：徐新喜，孙栋，赵秀国，等 流固耦合作用下真实人体上呼吸道气溶胶扩散沉积的仿真与实验 中国生物医学工程学报，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：李家骅，丁珏，翁培奋 雾层两相耦合流场及气溶胶颗粒物的动力学性质 力学季刊，（）：杨书申，彭竹琴 气体颗粒两相流动力学及其在气溶胶采样中的应用 中原工学院学报，（）：，（）：，：王孔森 核电事故中核素气溶胶烟羽扩散的模拟研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：，：，（）：，气溶胶迁移规律研究进展 赵勇 ，：，（）：，（）：，：孙雪霆，陈林林，史晓磊，等 严重事故下水蒸气凝结对气溶胶扩散泳影响研究 原子能科学技术，（）：，：高鸿恩，王青海，郑军芳，等 气溶胶粒子在裂隙中穿透特性实验研究 中国粉体技术，（）：高鸿恩，李国申，黄晟敏，等 气溶胶在岩体裂隙中迁移特性的实验研究 中国粉体技术，（）：，（，；，），：；（责任编辑：杜晓丽）辐射防护通讯 年 月 第 卷 第 期