大气中长椭球形气溶胶颗粒沉降速度的直接理论计算方法及其应用

推荐：本研究针对非球形气溶胶颗粒沉降速度计算的理论缺陷，提出了一种基于长椭球体（prolate spheroid）定向概率分布与速度-力向量关系的直接计算方法。通过整合Mallios等（2021）的颗粒定向理论与Mailler等（2024）的阻力模型，实现了对随机/水平定向颗粒沉降速度±5%精度的预测，为大气传输模型（如FLEXPART）提供了高效计算模块，解决了传统方法忽略动态定向影响的瓶颈问题。

　　

在大气科学领域，气溶胶颗粒的沉降行为是影响气候模型精度和污染物扩散预测的关键因素。然而，现实中的颗粒——从冰晶、火山灰到微塑料纤维——往往呈现复杂的非球形形态，尤以长椭球体（prolate spheroid）最为常见。传统研究多将颗粒简化为球体计算，或仅考虑固定取向下的阻力（drag force），忽略了动态旋转与布朗运动（Brownian motion）的耦合效应，导致沉降速度预测误差高达20%。这一缺陷严重制约了大气寿命评估的准确性，亟需建立兼顾理论严谨性与计算效率的新方法。

法国国家科学研究中心（CNRS）的Sylvain Mailler与Sotirios Mallios团队在《Journal of Aerosol Science》发表的研究，创新性地将“迁移率问题”（mobility problem）作为核心切入点，通过整合速度-力向量关系与定向概率分布函数（PDF），构建了可直接计算长椭球体沉降速度的普适性模型。该研究采用三阶段技术路径：首先基于Clift-Gauvin阻力公式建立水平/垂直取向下的速度函数；其次引入Mallios等（2021）提出的非维度参数α（α = [a(1-e^3(1-ε))|F|/16kT]^1/2）描述布朗运动与气动扭矩（aerodynamic torque）的竞争效应；最后通过Fortran模块Aersett v3.0实现全参数化计算。

向量化速度-力关系
研究团队发现，当外力F与颗粒极轴平行或垂直时，沉降速度u可表示为u = (8/πμd_eq)S(|F|/3πμν)A^-1·F，其中d_eq为质量等效直径，μ为动态粘度。该公式通过形状因子S和矩阵A实现了对Stokes定律的广义拓展。

CFD与实验验证
与Sanjeevi等（2022）的CFD数据对比显示，新模型在Archimedes数（Ar = ρ_pgd_eq³/μ²）1-100范围内误差<5%。对Bhowmick等（2024）的3D打印颗粒实验数据，模型预测与实测值偏差仅±5%，显著优于Bagheri-Bonadonna经验公式（误差15%）和Wilson-Huang模型（误差12%）。

物理机制解析
研究揭示了两大关键规律：① 当α?1（小颗粒）时，随机取向主导，沉降速度较同体积球体降低10-20%；② 当α?1（大颗粒）时，水平取向占比超90%，速度降幅达峰值。这一发现解释了传统球体假设在粗颗粒场景中的系统性高估问题。

该研究的核心突破在于首次实现了从颗粒特性（aspect ratio、d_eq）到沉降速度的直接解析计算，避免了传统“阻力反演法”的迭代过程。其开发的Fortran模块已集成至FLEXPART模型，为微塑料（microplastic）传输模拟提供了物理基础。未来，该方法可拓展至扁球体（oblate spheroid）及多孔介质颗粒，有望推动大气化学传输模型进入“形状感知”新时代。