粒子碰撞在增强颗粒再悬浮中的作用：基于蒙特卡洛模型的机制解析与工程应用

【编辑推荐】本研究通过蒙特卡洛（Monte Carlo）模型首次量化了颗粒碰撞对再悬浮（resuspension）的贡献，揭示在中等至高表面浓度（surface concentration）下，碰撞效率参数（ε）和多颗粒链式撞击（chained collisions）可显著提升脱离率（detachment rate），为核安全（nuclear safety）和空气污染治理提供新理论依据。

　　

Highlight

数值模型

图1展示了模拟场景：微球体（microsphere）在气流作用下从平面脱离，当力或力矩平衡被打破时，通过算法评估临界条件。

敏感性分析

通过模拟评估碰撞参数对再悬浮动力学的影响，包括初始颗粒浓度、直径、碰撞效率（ε）、气流速度及链式碰撞次数（N_c）。

模型验证

采用Ibrahim等（2004）的实验数据验证模型：将直径d = 50 μm的不锈钢微球置于玻璃表面，在风洞中测试两种表面浓度（0.5和3 particles/mm²）。模拟中设定表面积0.02 m²，对应10,000和60,000颗粒，气流速度以0.1 m/s²线性递增。

讨论与结论

本研究通过蒙特卡洛模型揭示了颗粒碰撞对再悬浮的增强作用：

1. 1.

   低浓度时：脱离由空气动力学主导；

2. 2.

   高浓度时：碰撞贡献显著，尤其当移动颗粒的动量传递足够时；

3. 3.

   非线性曲线：碰撞效率ε即使较低也能显著提升再悬浮率；

4. 4.

   实验吻合：多颗粒撞击机制成功复现实验中观察到的陡峭脱离曲线。

创新点

首次将碰撞动力学与传统脱离机制整合，为核安全、工业过滤等领域的颗粒控制提供了新理论工具。