表面张力和粘度在可吸入粉尘微观润湿过程中的非线性耦合效应

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Non-linear Coupled Effects of Surface Tension and Viscosity on the Microscale Wetting of Respirable Dust

　　

徐龙龙|倪顺安|张金毅|辛海辉|韩方伟

辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，中国辽宁省葫芦岛市，125105

摘要

在湿式粉尘抑制过程中，微尺度液滴与颗粒碰撞时表面张力和粘度的耦合效应尚未得到充分量化。本研究采用基于耦合水平集和流体体积（CLSVOF）的三维瞬态模型，模拟了不同表面张力和粘度条件下的液滴润湿动态。降低表面张力有助于液滴扩散，而增加粘度则通过增强粘性耗散来抑制液滴收缩和振荡。值得注意的是，高粘度会减弱表面张力对最大扩散长度的影响，因此当粘性耗散占主导时，进一步降低表面张力的效果会逐渐减弱。随后构建了一个基于奥恩索格数（Ohnesorge number）的机制图。在相对速度为20 m/s的情况下，碰撞结果可分为振荡（Oh < 0.1）、收缩（0.1 ≤ Oh < 0.535）和纯扩散（Oh ≥ 0.535）三种情况。一个半经验的速度修正因子Kv ≈ 0.027 m/s，能够反映更高的碰撞速度需要更强的粘性阻尼以实现稳定的粉尘捕获。这些发现为基于速度匹配的粉尘抑制剂设计提供了定量依据，并阐明了控制液滴与颗粒碰撞的毛细作用-粘性机制。

引言

尘肺病是全球最常见的职业病之一，是一种不可逆的肺部疾病，对工人健康构成潜在致命威胁。2019年，全球范围内煤炭工人的尘肺病问题依然严重[1]。在中国，2024年职业性尘肺病仍是主要职业病类型，占新报告的职业病病例的7,251例（占64.2%[2]）。在美国，2014至2022年对煤矿工人的监测显示，包括肯塔基州、弗吉尼亚州和西弗吉尼亚州在内的中部阿巴拉契亚地区仍是尘肺病及其他呼吸系统损伤的高发区[3]。这些事实表明，粉尘控制和抑制技术对于保护职业健康至关重要[4]。湿式粉尘去除是粉尘抑制的重要方法，其核心机制依赖于液滴与粉尘颗粒的碰撞、润湿和聚集[5]。在此过程中，液滴的物理性质，尤其是表面张力和粘度，在控制润湿行为中起着决定性作用[6]、[7]、[8]。在工业实践中，常使用含有表面活性剂和增稠剂的化学抑制剂来有意改变这些性质[9]、[11]。在微观尺度上，液滴与粉尘颗粒之间的碰撞动力学和界面相互作用直接影响粉尘收集效率。因此，更清晰地理解液滴与颗粒的相互作用对于改进湿式粉尘抑制策略至关重要。

全球范围内已进行了大量关于液滴与颗粒碰撞行为的实验和数值研究，旨在根据流体性质和目标润湿性来预测各种碰撞结果[12]。在实验方面，Pasternak等人通过液滴与颗粒之间的二元碰撞实验，确定了四种不同的碰撞机制：反弹、沉积、飞溅和分离[13]。Tkachenko等人阐明了颗粒亲水性和疏水性对碰撞特性的影响，并建立了水滴与颗粒以及两个液滴碰撞时产生的二次碎片的尺寸分布[14]。Chen等人通过实验捕捉并分析了液滴撞击平面的动态过程，证明碰撞速度和接触角是形成瞬时附着液滴的主要驱动因素[15]。然而，涉及微米级液滴和粉尘颗粒的动态碰撞实验极具挑战性。因此，大多数现有实验集中在毫米级静态颗粒上，或者通过改变喷雾参数和颗粒大小来研究宏观尺度上的喷雾粉尘抑制，难以准确解析微米级液滴的碰撞和润湿特性。在数值方面，Gac等人使用双色格子玻尔兹曼方法模拟了液滴与颗粒的碰撞。他们发现韦伯数（Weber number）是决定三种碰撞结果（聚集、撕裂和涂层以及裙边散射）的关键参数[16]。相比之下，颗粒形状对碰撞动力学几乎没有影响[16]。Han等人研究了微米级液滴与固定粉尘颗粒之间的碰撞，发现液滴与颗粒的大小比例显著影响液滴在粉尘表面的动态润湿[17]。Zhang等人模拟了液滴与移动粉尘颗粒之间的碰撞，从碰撞速度、大小比例和表面粗糙度的角度系统分析了雾滴与粗糙煤尘的微观碰撞行为，并进一步研究了双液滴与颗粒的碰撞润湿特性[18]、[19]。Liu等人通过结合分子动力学、CLSVOF模拟和宏观实验，对可吸入煤尘的润湿进行了多尺度研究，发现液滴速度和液滴与颗粒的大小比例在决定其封装效率方面起关键作用[20]。Li等人利用多体耗散粒子动力学方法证明，固体球体的相对大小是控制液滴碰撞动力学和最终形态的主要因素。小球体倾向于导致完全封装或液滴滴落，这种行为强烈依赖于碰撞速度；而大球体只能使液滴在其顶表面保持稳定配置[21]。总体而言，以往的理论、实验和数值研究已经确定了影响粉尘去除效率和液滴与颗粒碰撞结果的关键参数。然而，大多数研究侧重于碰撞机制、速度效应、大小比例、润湿性或表面粗糙度，而液体物理化学性质与微观尺度碰撞-润湿转变之间的机制联系尚未得到充分阐明。

液体粘度和表面张力对液滴碰撞和润湿的影响也得到了广泛研究。从粘度的角度来看，增加粘度可以增强粘性耗散，有助于抑制碰撞后的收缩、反弹和振荡。在液滴与颗粒的碰撞系统中，Zhu等人表明，增加液滴粘度可以扩大有利于液体保留的速度范围，并提高疏水性颗粒上的残留液体比例[22]。从表面张力的角度来看，表面张力控制界面变形、表面能储存和毛细驱动的收缩。Hou等人报告称，降低表面张力可以加速液滴对颗粒的封装，并降低颗粒进入液滴所需的阻力[23]。Zhu等人还将液滴表面张力、粘度、直径比、密度比和接触角滞后纳入悬浮微米级液滴与颗粒的反弹阈值模型[24]。Liu等人研究了粘性液滴撞击平坦固体表面的最大扩散情况，发现基于We、Re和Oh的标度律可以描述不同的扩散机制，反映了惯性、毛细作用和粘性耗散之间的耦合竞争[25]。尽管如此，现有研究主要集中在粘度增强保留、表面张力控制的封装、反弹阈值预测或一般最大扩散标度上。对于微尺度液滴与颗粒的碰撞，表面张力和粘度之间的非线性耦合尚未得到充分量化，尤其是在其对能量分配和扩散-收缩-振荡转变的影响方面。

本研究的主要目的是阐明表面张力和粘度单独及共同作用时，如何调节液滴与可吸入粉尘颗粒之间的微观尺度碰撞-润湿行为。为此，构建了一个三维瞬态CLSVOF模型，以评估不同流体条件下的液滴扩散、最大扩散范围以及收缩-振荡行为。通过比较表面能增加和粘性耗散，进一步从能量平衡的角度解释了其背后的机制。最后，提出了一个基于奥恩索格数的机制图，以支持基于速度匹配的粉尘抑制剂配方设计。

章节摘录

CLSVOF方法

准确追踪气液界面对于模拟液滴与颗粒的碰撞至关重要。常见的界面捕捉技术包括流体体积（VOF）方法、水平集方法以及结合两者的耦合CLSVOF方法[26]、[27]。在CLSVOF方案中，水平集方法用于精确计算界面曲率和法向量，确保数值精度，而VOF方法用于校正体积分数，从而保持

表面张力对润湿特性的影响

为了阐明表面张力在液滴与颗粒润湿中的作用，模拟了γ从0.01变化到0.08 N/m的碰撞过程。图5展示了代表性条件下的液滴与粉尘颗粒的碰撞过程。碰撞过程包括四个阶段：液滴扩散、收缩、振荡以及在颗粒表面的最终稳定。对于亲水性颗粒（α = 45°），液滴迅速扩散到上半球并形成

结论

• (1)
  表面张力是决定最终碰撞后润湿状态的关键参数。降低表面张力有助于液滴扩散，而增加表面张力则会加剧收缩、反弹和振荡。这种效应在疏水性表面上尤为明显。粘度主导了润湿过程的动态阻尼。高粘度通过增强粘性耗散来抑制收缩和振荡。低粘度则使液滴扩散更快，最大扩散范围更大，

CRediT作者贡献声明

韩方伟：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。辛海辉：撰写——审稿与编辑、验证。张金毅：可视化、软件开发、形式分析。倪顺安：撰写——审稿与编辑、可视化、方法学研究。徐龙龙：撰写——初稿撰写、实验设计、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了辽宁振兴人才计划（项目编号XLYC2503183）、国家自然科学基金（项目编号52474226）以及鄂尔多斯研究院与辽宁工程技术大学校地科技合作培养项目（项目编号YJY-XD-2024-A-019）的支持。

作者衷心感谢矿山热力学灾害与控制重点实验室工作人员的支持，同时也感谢编辑们的辛勤工作。