气溶胶迁移规律研究进展_赵勇.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、,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。
7、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
8、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
9、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
10、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
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