高湿度瞬态气流中多组分气溶胶沉积的壁面边界条件建模与验证

为解决气溶胶多物理场耦合模拟中边界条件精度不足的问题，研究人员基于AeroSolved?平台开发了适用于高湿度瞬态流动的多组分气溶胶沉积边界条件模型。通过Raoult定律修正非理想混合物行为，结合欧拉漂移通量模型（drift-flux），实现了湿壁条件下气溶胶-气相质量传递的精确预测。该研究为呼吸道气溶胶剂量学（dosimetry）提供了关键计算工具，其网格无关性验证结果可直接应用于复杂气道模型。

　　

气溶胶研究在从大气科学到生命健康的广泛领域中扮演着关键角色，但多组分气溶胶的计算机模拟始终面临巨大挑战。当气溶胶颗粒包含多种可发生相变的化学成分时，其与周围环境的相互作用会变得异常复杂——尤其是在人体呼吸道这样的高湿度环境中，水蒸气凝结会显著改变颗粒动力学特性。传统模拟方法往往忽略这些多组分耦合效应，或采用稳态假设简化计算，导致沉积预测偏差。更棘手的是，气溶胶在近壁边界层的微尺度行为对网格分辨率极为敏感，而现有实验数据又十分匮乏，这使得开发可靠的边界条件成为计算气溶胶学的"圣杯"难题。

Philip Morris Products S.A.的研究团队Filippo Zacchei等人基于开源平台OpenFOAM开发的AeroSolved?计算框架，针对这一瓶颈问题展开了攻关。他们创新性地将Raoult定律与活度系数修正引入壁面边界条件，建立了从干燥颗粒到多组分液相颗粒的完整沉积模型体系。这项发表于《Journal of Aerosol Science》的研究，首次在欧拉混合模型（mixture model）框架下实现了瞬态高湿度流动中气溶胶-气相双向质量传递的耦合模拟。

研究采用三大关键技术：1) 基于漂移通量模型（drift-flux）的欧拉气溶胶追踪方法，包含固定截面（fixed-sectional）和双矩对数正态（two-moment log-normal）两种粒径分布（PSD）演化模型；2) 气液平衡（vapor-liquid equilibrium）相变算法，整合非理想混合物的活度系数修正；3) 多尺度网格验证策略，通过弯曲管道（bent pipe）这一简化上呼吸道几何模型，系统考察边界层分辨率对沉积预测的影响。

边界条件建模部分揭示了关键发现：对于含乙醇等有机物的多组分气溶胶，传统忽略活度系数的Raoult定律会高估壁面沉积率达17%；而引入修正后，在50μm近壁网格下即可获得网格无关解。特别值得注意的是，在模拟支气管黏液层这类"湿壁"场景时，水蒸气饱和条件会引发显著的Stefan流（Stefan flow）效应，这使得颗粒扩散沉积通量比干燥壁面条件增加2-3个数量级。

弯曲管道验证实验展现了模型的实用价值：在模拟电子烟吸入的瞬态过程（包含吸气-屏息-呼气三阶段）时，新边界条件能准确捕捉气溶胶粒径的动态演变——初始0.5μm颗粒因水汽凝结在1秒内增长至2.1μm，导致沉积热点从支气管弯曲外侧转向内侧。这种时空演化特性是传统稳态模型完全无法再现的。

这项研究的突破性在于建立了首个适用于复杂气溶胶-气相耦合作用的欧拉边界条件体系。通过严格的网格独立性验证，证实其预测结果可直接外推至真实气道几何。这不仅为吸入毒理学研究提供了新工具，更开创性地解决了高湿度环境下多组分气溶胶剂量学的计算瓶颈。作者特别指出，该方法在电子烟气溶胶肺部沉积、雾化药物靶向输送等场景具有直接应用价值，其开源特性（GPL协议）更利于学术共同体进一步优化发展。未来工作将聚焦于将该框架应用于基于CT扫描的个性化呼吸道模型，推动气溶胶医学从经验性研究向精准预测的范式转变。