基于准静态力矩平衡的新型高效颗粒再悬浮预测模型

一组研究人员探索了沉积颗粒在气流作用下的再悬浮机制。采用先进的图像检测技术和数值模拟方法，建立了基于准静态力矩平衡的颗粒再悬浮模型。该模型考虑了流动特性、颗粒形态和粗糙壁面的影响，提高了再悬浮现象预测的准确性，可应用于污染物的溯源分析。

再悬浮是指沉积在表面上的颗粒通过流体流动的作用被带走的物理过程。颗粒再悬浮是二次环境污染的重要来源。例如，携带放射性物质的尘埃颗粒在核反应堆事故中因再悬浮而扩散到大气中;沉积在地面上的灰尘由于车辆行驶的再悬浮而被人类吸入。

为了建立更具普适性和物理性的再悬浮模型，研究团队利用原子力显微镜和高速相机进行了大量的颗粒再悬浮可视化实验，探索气流速度、颗粒大小和壁面粗糙度对颗粒再悬浮的影响。再悬浮过程。与常识一致，空气动力和粘附力是决定颗粒再悬浮的关键力。因此，随着流速和粒径的增加，颗粒的再悬浮分数增加。然而，对于粘附力低的粗糙壁，它可能会产生惊人的低再悬浮分数，这与常识相反。

清华大学副教授彭伟说：“通过分析颗粒在再悬浮过程中的运动，我们发现颗粒在脱离壁面之前更喜欢滚动运动。因此，对于微米级颗粒，其破裂气动力矩和颗粒上的粘附力矩之间的平衡是再悬浮的主要原因。对于一些粘附力较低的粗糙壁面，可能会产生较大的力臂，进而引起较大的粘附力矩，从而抑制颗粒的再悬浮。”

再悬浮模型开发的难点在于近壁流动和粗糙壁的波动是随机的。为此，研究团队旨在建立一个统计再悬浮模型。其中，通过光学轮廓仪获取并拟合粗糙壁面形貌分布，通过大涡模拟方法计算流动脉动特性。

基于力矩平衡和概率分布，开发了一种新的高效颗粒再悬浮预测模型。由于引入波动特性和粗糙壁形态，研究团队提出的模型比经典的再悬浮模型更准确。

“下一步，我们的研究团队将重点研究可变条件下的加速流动和多层颗粒沉积结构对再悬浮的影响。” 彭说。这样，研究人员可以将现有模型应用到更多领域。

研究团队包括孙启、于素元、彭伟。清华大学核能与新能源技术研究院孙奇、彭伟。Suyuan Yu，清华大学能源与动力工程系教授。

该研究得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划和中核集团青年人才项目的资助。

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