谈谈流体中微粒的“功”与“过”

姜楠^*，+

*(天津大学力学系，天津 300072)

+( 天津市现代工程力学重点实验室，天津 300072)

摘？ 要: 介绍了流体中掺杂的微小悬浮颗粒对人类健康和工程技术的影响，同时介绍了利用流体中微小悬浮颗粒增强混合，加快反应速度，提高传热效率等工程应用，最后介绍了利用流体中微小悬浮颗粒的跟随性和激光多普勒效应测量流体流动速度的激光多普勒测速技术（LDA）和粒子图像测速技术（PIV）。
关键词：流体，微粒，跟随性，激光多普勒测速技术，粒子图像测速技术

Talk on Their Merits and Faults of Particles Suspending in Fluid

JIANG Nan^*，+

*(Department of TianjinUniversity, Tianjin 300072, China)

+(Tianjin Key Laboratory of Modern Engineering Mechanics, Tianjin 300072, China)

Abstract: The merits and faults of fine particles suspending in fluid on human health and engineering technique is presented, as well as its applications on mixing enhancement, accelerating the reaction speed and increasing heat transfer efficiency. The Laser Doppler Velocimetry and Particle Image Velocimetry for flow velocity measurement are introduced based on tracking fidelity of fine particles suspending in fluid.
Key words: fluid; particle; tracking fidelity; laser Doppler velocimetry; particle image velocimetry

1空气中的颗粒物

我们日常生活中遇到的空气、水等流体都不是纯净的，或多或少地掺杂着颗粒形微小杂质。例如，如果近地面空气中悬浮大量的微小水滴或冰晶等气溶胶粒子，就形成了雾。而大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，就形成了霾。雾和霾对人体健康危害极大，雾霾中的气溶胶粒子携带有铅、汞、镉等重金属离子、细菌、病毒和致癌物，这些气溶胶粒子直接进入并黏附在人体呼吸道粘膜和肺泡上，引起鼻炎、支气管炎、哮喘等呼吸系统疾病。这些颗粒物主要来自污染源的直接排放，比如烟囱与车辆排放的废气和尾气，建筑工地的扬尘等。另一些则是由环境空气中硫的氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物互相作用形成的细小颗粒物，它们的化学和物理组成依地点、气候、一年中的季节不同而变化很大。研究表明，颗粒物的尺度越小，在空气中随风飘动的能力越强，对人体健康的危害越大，通常把粒径在10微米以下的颗粒物在空气中的含量称为PM10，又称为可吸入颗粒物，直径小于2.5微米的颗粒物在空气中的含量称为PM2.5，也称为可入肺颗粒物，与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，含有大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。PM2.5产生的主要来源，是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属、硫的氧化物、氮氧化物等有毒物质。人体的生理结构决定了对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐步暴露出其恐怖的一面。直径小于1微米的颗粒物在空气中的含量称为PM1，可通过毛细血管壁直接进入血液，对人类健康危害更大。PM10、PM2.5、PM1的单位都是微克/立方米。世界卫生组织（WH O）在2005年版《空气质量准则》中也指出：大气中细粒子浓度为日均值25微克/立方米，才基本算是一个安全清洁的阈值。当PM2.5年均浓度达到每立方米35微克时，人的死亡风险比每立方米10微克的情形约增加15%。美国国家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一张全球空气质量地图，专门展示世界各地PM2.5的密度。这张地图由加拿大达尔豪斯大学的两位研究人员制作。他们根据NASA的两台卫星监测仪的监测结果，绘制了一张显示出2001年至2006年PM 2.5平均值的地图。在这张图上红色（即PM2.5密度最高)出现在北非、东亚和中国。中国华北、华东和华中PM2.5的密度指数接近每立方米80微克，甚至超过了撒哈拉沙漠。在北京海淀区北四环五道口街头，从2011年11月1日起的连续十天中，最好一天的PM2.5平均浓度值是36微克/立方米，最差甚至记录到581微克/立方米，其平均浓度均值是246微克/立方米”，这一实测数据均值已接近WH O大气质量标准值的近十倍。

图1全球空气中PM2.5密度卫星地图

“爆竹声中一岁除，春风送暖入屠苏”，燃放烟花爆竹是中国人过年的传统习俗，它以辞旧迎新、驱邪避疫的仪式性意义，寄托着人们追求平安、幸福的美好愿望。然而，燃放烟花爆竹释放大量一氧化碳及多种金属颗粒，必然使PM2.5的浓度大为增加。据北京环保监测中心公布的数据，2012年1月22日除夕夜烟花爆竹的大量燃放，将刚刚开始发布的北京市综合监测实验室PM2.5实时监测数据大幅推高。除夕夜城区燃放烟花爆竹进入高峰期后，PM2.5浓度直线攀升，到大年初一凌晨1时达到1593微克/立方米，是平时浓度数值（20微克/立方米）的近80倍。之后两小时一直维持在1000微克/立方米以上的高浓度水平。2013年除夕尽管许多市民已经自觉减少燃放烟花爆竹，但除夕夜北京城区环境评测点的空气质量级别仍多为五级“重度污染”或六级“严重污染”，10日凌晨北京空气中PM2.5的平均浓度约为400微克／立方米，单站最高小时浓度超过1000微克/立方米。与去年相比，无论从持续时间、污染范围还是污染程度，均有明显好转。
1．2 沙尘与沙尘暴
空气中的另一种颗粒物是沙尘，当空气流速达到30米/秒(11级风)，粗沙(直径0.5~1.0毫米)会飞离地面几十厘米，细沙(