静电收集前肋状受限流场中亚微米氯化钠气溶胶的湍流致粒径重新分布

《Journal of Aerosol Science》：Turbulence-Induced Size Redistribution of Submicron NaCl Aerosols in Ribbed Confined Flows Prior to Electrostatic Collection

　　

•肋片几何形状改变了气溶胶碰撞区的湍流和回流。
•Z 型肋片将最大的回流区域与横向尾流结合在一起。
•NaCl 气溶胶在 0.3–0.8 μm 粒径区间内减少，并转移到更大的粒径区间。
•粒径重新分配使 0.3 μm 粒径区间的捕集率从约 15% 提高到接近 50%。
•肋片解析的流场将气溶胶重新分配与电捕集联系起来。

引言
亚微米气溶胶在受限气流中的传输、碰撞、团聚和沉积仍然是气溶胶科学的核心问题，因为粒子尺寸的小变化会强烈改变扩散传输、惯性响应和电气迁移率（Zhang 等，2024）。0.1–1 μm 范围内的粒子特别难以操控，因为它们处于一个过渡区，布朗运动、湍流分散、荷电行为和气动力传输都可能影响其轨迹（Xu, Kumar 等，2026）。因此，理解和控制亚微米气溶胶的传输与转化对于预测工程气流系统中的粒子行为仍然很重要。

静电除尘为研究气溶胶荷电、电气迁移和粒径依赖性捕集之间的耦合提供了有用的平台。在两级静电除尘（ESP）系统中，荷电和捕集发生在不同的区域，这使得可以考察上游气溶胶调理对下游电捕集的影响。近期关于荷电喷雾和电流控制荷电的研究进一步表明，电极设计、电荷极性、液滴荷电和工作电压可以控制气溶胶捕集（Guette 等，2025；Xu 等，2024a）。尽管这些湿法或混合系统与此处使用的干式肋片通道不同，但它们说明了为什么必须将粒径调理与荷电获取和电气迁移结合起来解释。

气溶胶科学中一个持续的挑战是亚微米范围内粒子捕集效率的降低，这通常与较低的电气迁移率和粒径依赖性荷电行为有关。亚微米粒子的电气迁移由获得的电荷、粒子直径、滑移修正、气体粘度和电场强度决定。因此，静电捕集前的粒径修改可以改变气动力传输和电气迁移之间的平衡（Sharma 等，2020）。当粒子的气动力传输与静电迁移竞争时，捕集效率将强烈依赖于粒子尺寸、荷电状态和停留时间。因此，上游粒径修改提供了一种有用的策略，将亚微米气溶胶转移到更容易被静电捕集的粒径范围。

粒子团聚是捕集或沉积前修改气溶胶粒径分布的一种途径。碰撞可以将粒子数量从小粒径类别转移到较大粒径类别，从而改变气溶胶群体的气动和电气响应。团聚可能由电场、声学激发、凝结生长、化学调理、湍流混合或气溶胶 - 液滴相互作用诱导，每条途径通过不同机制改变碰撞频率和粘附概率（He 等，2020；Qi 等，2021；Zheng 等，2020）。特别是，电气荷电水雾系统促进了气溶胶与雾滴的遭遇以及喷雾洗涤前的静电聚并（Xu, Sharma 等，2026；Xu 等，2024b）。这些混合方法拓宽了可用的预处理策略，而本研究隔离了干式、肋片诱导的流动效应。

湍流诱导团聚是一种有吸引力的方法，因为它可以在不引入额外化学试剂的情况下修改粒子轨迹；然而，其有效性取决于局部湍流结构、粒子惯性、浓度和停留时间。该技术利用湍流中固有的波动来增加粒子碰撞的可能性。在湍流中，速度波动和相干涡结构可以增加相对粒子速度和碰撞机会，而回流区可以延长团聚区域内的停留时间。值得注意的是，湍流诱导团聚可以显著将粒子粒径分布向更适合静电捕集的较大直径方向转移。近期研究表明，湍流混合可以通过增加相对速度、停留时间和局部粒子遭遇频率来提高粒子碰撞率（Ray 等，2025；Sun 等，2025；Sun 等，2020）。

肋片通道和产生涡流的障碍物提供了产生剪切层、尾流回流和含粒气流中二次运动的受控手段。因此，这些结构适合考察几何解析湍流如何修改气溶胶的碰撞环境。对于气溶胶而言，肋片诱导流动破坏的相关后果是修改停留时间、湍流分散和粒子间碰撞概率。采用计算流体力学（CFD）模拟的研究表明，特定的肋片几何形状可以显著改变湍流特征，从而修改粒子遭遇频率、停留时间和粒径重新分配（Li 等，2020；Qian 等，2022）。

尽管人们对湍流辅助气溶胶团聚的兴趣日益增长，但在解析流动结构、粒径分辨的气溶胶重新分配和下游电捕集之间的定量实验联系仍然有限。先前的 CFD 研究阐明了障碍物如何影响轨迹和遭遇率，但它们的结论依赖于湍流封闭、碰撞核和粘附假设。实验研究则往往报告总体去除率，而没有解析捕集前的局部流动结构。因此，由此产生的知识空白不是湍流是否可以改变粒子传输，而是在相同操作条件下，哪些实验解析的回流、横向运动和速度波动的组合与可测量的粒径区间重新分配和静电捕集改善相吻合（Jaworek 等，2024；Yang 等，2020）。

为了弥补这一空白，本研究使用平面粒子图像测速（PIV）来量化肋片受限流团聚器内部的流场，并将测量的湍流特征与 NaCl 气溶胶粒径重新分配和下游静电捕集联系起来。通过系统地改变肋片几何形状，本研究旨在表征局部湍流强度、回流行为和速度波动。然后，这些湍流指标与亚微米和微米范围内粒子粒径分布的变化和静电捕集效率的变化进行比较。本研究的目的是确定哪些肋片诱导的流动结构最能有效促进亚微米气溶胶的减少并向较大粒子粒径区间转移。

这项工作的新颖性在于在相同操作条件下，使用 PIV 解析流场、粒径分辨的 NaCl 数量分布和下游 ESP 捕集，对八种肋片几何形状进行了受控的实验比较。尽管 CFD 为湍流诱导的粒子传输和团聚提供了宝贵的见解，但建模多分散气溶胶在计算上具有挑战性，因为必须跨不同粒径解析粒子传输、碰撞和团聚过程。因此，先前的数值研究可能专注于选定的粒子尺寸或简化条件，使得在相同操作条件下难以建立跨全粒径分布的直接几何 - 几何比较。相比之下，本实验设计允许在相同的流量、气溶胶生成程序、通道尺寸和施加的 ESP 电压下比较不同肋片几何形状的影响。这使得能够一致地评估八种配置中相干回流、横向流、局部湍流强度、表观粒径区间减少和下游电捕集之间的关系。本研究不直接成像碰撞事件，也不将团聚与沉积分开；相反，它测试较小粒径粒子的减少和较大粒径粒子的富集是否与独立测量的流动结构和电捕集共变。本文的结构如下：第 1 节为引言，第 2 节为方法论，第 3 节为结果，第 4 节为讨论，第 5 节总结重要发现。

章节片段
方法论
本研究采用受控的气溶胶 - 流动实验来评估肋片诱导的湍流如何修改静电捕集前的 NaCl 气溶胶粒径分布。调查包括两种耦合测量：基于 PIV 的肋片团聚器通道内气相流场的量化，以及用于量化表观粒径区间减少和静电捕集的粒子数粒径分布测量。实验装置示意图是

肋片气溶胶团聚器中的几何相关流动结构
PIV 测量表明，肋片几何形状强烈修改了与停留时间、横向传输和粒子 - 粒子碰撞机会相关的局部气相流动结构。图 4 显示了 u 分量速度分布。测量是在入口下游 255 mm 处进行的，捕捉了 ESP 前的流动发展。流向和横向坐标由水力直径归一化，允许直接比较不同配置之间的流动结构

讨论
本研究的主要贡献是实验性、几何分辨的比较，将平面 PIV 观察与粒径分辨的气溶胶数量变化和下游静电捕集联系起来。最强的响应并未出现在局部湍流强度最大值最高的配置中。相反，3 型将解析的回流、横向流交互作用和中等局部湍流强度与最大的小粒径区间减少和更大粒径区间

结论
本研究实验比较了八种肋片几何形状，用于静电捕集前的亚微米 NaCl 气溶胶调理。PIV 表明几何形状控制了面内流分离、回流、横向运动和局部湍流强度。无中心间隙之字形几何形状产生了解析回流和横向交互作用的最强组合。这种配置使回流区中的总湍流强度最高，并产生了

CRediT 作者贡献声明
林荣先：可视化，软件，数据整理。田维信：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。哈桑·萨菲克·毛拉纳：写作 – 原稿，可视化，软件，调查，形式化分析，数据整理

未引用参考文献
Xu 等，2026。

数据可用性
数据将根据请求提供。

资助
本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专门拨款。

利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

哈桑·萨菲克·毛拉纳|林荣先|田维信