《納米顆粒兩相流體動力學》對納米顆粒兩相流進行了系統的論述，內容包括納米顆粒兩相流的普遍性、特殊性、複雜性、研究進展以及基本研究方法；求解納米顆粒通用動力學方程的泰勒展開矩方法及該方法在計算精度與計算效率方面的優勢；混合層、平面射流和圓射流場中納米顆粒分布的演變；矩形槽道和圓管流場中納米顆粒的輸運和沉積特性；汽車尾氣納米顆粒的生成與擴散特性；燃燒法生成二氧化鈦納米凝並體顆粒；非稀相及雙峰直徑分布納米顆粒的布朗凝並；具有分形結構的納米顆粒凝並體系統。 《納米顆粒兩相流體動力學》可供力學、機械、材料、化學化工、工程熱物理、生物、醫學、儀器儀表及相關專業的科研人員、工程技術人員、教師以及研究生和高年級本科生閱讀。
基本介紹
- 中文名：納米顆粒兩相流體動力學
- 書名：納米顆粒兩相流體動力學
- 出版社：科學出版社
- 頁數：391頁
- 開本：B5
- 作者：林建忠 於明州
- 出版日期：2013年6月1日
- 語種：簡體中文
- 品牌：科學出版社
內容簡介,圖書目錄,文摘,
內容簡介
林建忠、於明州、林培鋒、劉演華所著的《納米顆粒兩相流體動力學》介紹了納米顆粒兩相流的套用、特點、重要性、進展和基本研究方法；提出了描述顆粒Brownian凝並的泰勒展開矩方法；探討了全尺度區間顆粒Brownian凝並的泰勒展開矩方法；研究了射流與混合層流場、槽道與方形管道流場、圓管道流場以及汽車尾氣中納米顆粒的生成、擴散與演變；給出了燃燒法生成二氧化鈦納米凝並體顆粒、非稀相復相系統的顆粒Brownian凝並、具有分形形態的納米顆粒凝並體系統的研究結果；闡述了納米顆粒Brownian凝並的碰撞效率。
圖書目錄
前言
第1章 緒論
1.1 顆粒直徑與密度的基本描述
1.2 納米顆粒兩相流的普遍性及套用
1.2.1 大氣中的納米顆粒
1.2.2 可吸入顆粒及其對人體的危害
1.2.3 添加納米顆粒強化傳熱
1.2.4 納米材料的製備
1.2.5 在檢測和分離中的套用
1.3 納米顆粒兩相流的特殊性與複雜性
1.3.1 特殊性
1.3.2 複雜性
1.4 納米顆粒兩相流的部分研究進展
1.4.1 理論研究
1.4.2 實驗研究
1.4.3 數值模擬
參考文獻
第2章 納米顆粒兩相流的基本研究方法
2.1 顆粒運動分析方法
2.1.1 牛頓阻力
2.1.2 Stokes阻力及其Cunningham修正
2.1.3 分子動力學理論
2.1.4 擴散特性分析
2.1.5 沉積特性分析
2.1.6 顆粒相對連續介質相動量方程的影響
2.2 顆粒通用動力學方程求解方法
2.2.1 矩方法
2.2.2 分區方法
2.2.3 蒙特卡羅方法
2.3 格子Boltzmann方法
2.3.1 簡介
2.3.2 格子Boltzmann方法原理
2.3.3 格子模型
2.3.4 邊界條件
2.3.5 格子Boltzmann方法在顆粒兩相流中的套用
2.4 格子Boltzmann-虛擬區域方法
2.4.1 虛擬區域方法
2.4.2 直接力作用方法
2.4.3 格子Boltzmann-直接力作用/虛擬區域方法
2.5 大渦模擬方法
2.5.1 脈動的過濾
2.5.2 控制方程
2.5.3 常用的亞格子模型
參考文獻
第3章 泰勒展開矩方法及顆粒的布朗凝並
3.1 概述
3.2 理論推導
3.2.1 自由分子區的顆粒布朗凝並
3.2.2 連續介質區的顆粒凝並
3.2.3 近連續介質區的顆粒凝並
3.2.4 全區間的顆粒凝並
3.3 計算結果及分析
3.3.1 自由分子區的顆粒布朗凝並
3.3.2 連續介質區的顆粒布朗凝並
3.3.3 全區間的顆粒凝並
參考文獻
第4章 混合層與平面射流場中納米顆粒分布的演變
4.1 混合層納米顆粒兩相流場顆粒的晶核化與凝並
4.1.1 基本方程
4.1.2 計算方法和條件
4.1.3 計算結果與討論
4.2 平面淹沒約束射流納米顆粒兩相流場的晶核化與顆粒凝並
4.2.1 基本方程
4.2.2 計算方法和條件
4.2.3 計算結果與討論
4.3 平面射流納米顆粒兩相流場顆粒的凝並
4.3.1 基本方程
4.3.2 計算方法和條件
4.3.3 計算結果與討論
4.4 平面淹沒射流納米顆粒兩相流場顆粒的凝並與破碎
4.4.1 基本方程
4.4.2 泰勒展開矩方法的套用
4.4.3 方程的量綱為一化
4.4.4 計算方法和條件
4.4.5 計算結果與討論
4.5 平面衝擊射流納米顆粒兩相流場
4.5.1 基本方程
4.5.2 計算方法和條件
4.5.3 計算結果與討論
參考文獻
第5章 圓射流場中納米顆粒分布的演變
5.1 單個圓射流納米顆粒兩相流場顆粒的演變
5.1.1 基本方程和模型
5.1.2 計算方法和條件
5.1.3 計算結果與討論
5.2 平行雙圓射流納米顆粒兩相流場顆粒的演變
5.2.1 基本方程
5.2.2 計算結果與討論
5.3 平行雙圓衝擊射流納米顆粒兩相流場顆粒的演變
5.3.1 基本方程
5.3.2 流場與計算參數
5.3.3 計算結果與討論
參考文獻
第6章 矩形槽道中納米顆粒的輸運和沉積特性
6.1 二維槽道內納米顆粒兩相流場顆粒的演變
6.1.1 基本方程
6.1.2 計算參數和計算條件
6.1.3 計算結果與討論
6.2 二維矩形槽道內納米顆粒兩相湍流場顆粒的演變
6.2.1 基本方程與表達式
6.2.2 計算條件和基本參數
6.2.3 計算結果與討論
6.3 彎曲方管內納米顆粒兩相湍流場顆粒的演變
6.3.1 基本方程
6.3.2 參數定義
6.3.3 計算方法及驗證
6.3.4 計算結果與討論
參考文獻
第7章 圓管中納米顆粒的輸運和沉積特性
7.1 直圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的輸運與沉積
7.1.1 主要作用力與方程
7.1.2 流場及計算條件
7.1.3 計算結果與討論
7.2 直圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的布朗凝並
7.2.1 流場描述
7.2.2 顆粒基本方程
7.2.3 計算結果與討論
7.3 彎曲圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的輸運和沉積
7.3.1 控制方程
7.3.2 攝動解方法
7.3.3 沉積效率
7.3.4 計算結果與討論
7.4 彎曲圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的凝並與分布
7.4.1 基本方程
7.4.2 計算方法及驗證
7.4.3 計算結果與討論
7.5 旋轉彎曲圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的分布特性
7.5.1 控制方程
7.5.2 計算方法及驗證
7.5.3 計算結果與討論
參考文獻
第8章 汽車尾氣納米顆粒的生成與擴散
8.1 研究動態概述
8.2 二元均質晶核化相關理論
8.2.1 基本方程
8.2.2 顆粒演變的物理模型
8.3 計算方法及條件
8.3.1 泰勒展開矩方法
8.3.2 流場及計算條件
8.4 計算結果與討論
8.4.1 泰勒展開矩方法計算結果驗證
8.4.2 實驗驗證
8.4.3 瞬態分析
8.4.4 時均分析
參考文獻
第9章 燃燒法生成二氧化鈦納米凝並體顆粒
9.1 研究動態概述
9.2 相關理論與方程
9.2.1 化學動力學理論與方程
9.2.2 燃燒動力學理論與方程
9.3 計算方法及條件
9.4 計算結果與討論
9.4.1 燃燒流場結構及實驗驗證
9.4.2 凝並體顆粒尺度分布特性分析
9.4.3 凝並體內原始小顆粒動力學特性分析
9.4.4 凝並體形狀特性分析
9.4.5 凝並體間的碰撞特性
參考文獻
第10章 非稀相及雙峰直徑分布納米顆粒的布朗凝並
10.1 非稀相納米顆粒的布朗凝並研究概述
10.2 Smoluchowski理論及其求解方法
10.2.1 考慮顆粒體積率情況下的滲透壓力
10.2.2 考慮顆粒體積率時的Stokes阻力
10.2.3 單一尺度顆粒濃相系統顆粒的擴散及其顆粒碰撞頻率
10.2.4 多顆粒尺度濃相系統顆粒的碰撞
10.3 非稀相納米顆粒布朗凝並的計算結果及討論
10.4 雙峰直徑分布納米顆粒布朗凝並研究概述
10.5 雙峰顆粒直徑分布的矩方程
10.6 雙峰顆粒直徑分布顆粒凝並計算結果及討論
10.6.1 計算參數
10.6.2 自由分子區雙峰分布顆粒布朗凝並
10.6.3 近連續介質區雙峰分布的顆粒布朗凝並
10.6.4 自由分子區和過渡區雙峰分布的顆粒布朗凝並
10.6.5 自由分子區和近連續介質區雙峰分布的布朗凝並
參考文獻
第11章 具有分形結構的納米顆粒凝並體系統
11.1 研究概述
11.1.1 顆粒形態的分形描述
11.1.2 凝並體的凝並及破碎
11.2 理論模型
11.2.1 自由分子區的矩方程
11.2.2 連續-近連續介質區的矩方程
11.2.3 全尺度空間的矩方程
11.3 計算結果及討論
11.3.1 計算方法和條件
11.3.2 計算方法與驗證
11.3.3 過渡區內凝並體動力學分析
11.3.4 自由分子區凝並體動力學分析
11.3.5 連續-近連續介質區動力學分析
11.3.6 計算效率分析
11.4 湍流場中的分形結構凝並體系統
11.4.1 研究背景
11.4.2 擬單相系統控制方程
11.4.3 離散系統動力學分析
參考文獻
附錄1
附錄2
常用基本符號說明
第1章 緒論
1.1 顆粒直徑與密度的基本描述
1.2 納米顆粒兩相流的普遍性及套用
1.2.1 大氣中的納米顆粒
1.2.2 可吸入顆粒及其對人體的危害
1.2.3 添加納米顆粒強化傳熱
1.2.4 納米材料的製備
1.2.5 在檢測和分離中的套用
1.3 納米顆粒兩相流的特殊性與複雜性
1.3.1 特殊性
1.3.2 複雜性
1.4 納米顆粒兩相流的部分研究進展
1.4.1 理論研究
1.4.2 實驗研究
1.4.3 數值模擬
參考文獻
第2章 納米顆粒兩相流的基本研究方法
2.1 顆粒運動分析方法
2.1.1 牛頓阻力
2.1.2 Stokes阻力及其Cunningham修正
2.1.3 分子動力學理論
2.1.4 擴散特性分析
2.1.5 沉積特性分析
2.1.6 顆粒相對連續介質相動量方程的影響
2.2 顆粒通用動力學方程求解方法
2.2.1 矩方法
2.2.2 分區方法
2.2.3 蒙特卡羅方法
2.3 格子Boltzmann方法
2.3.1 簡介
2.3.2 格子Boltzmann方法原理
2.3.3 格子模型
2.3.4 邊界條件
2.3.5 格子Boltzmann方法在顆粒兩相流中的套用
2.4 格子Boltzmann-虛擬區域方法
2.4.1 虛擬區域方法
2.4.2 直接力作用方法
2.4.3 格子Boltzmann-直接力作用/虛擬區域方法
2.5 大渦模擬方法
2.5.1 脈動的過濾
2.5.2 控制方程
2.5.3 常用的亞格子模型
參考文獻
第3章 泰勒展開矩方法及顆粒的布朗凝並
3.1 概述
3.2 理論推導
3.2.1 自由分子區的顆粒布朗凝並
3.2.2 連續介質區的顆粒凝並
3.2.3 近連續介質區的顆粒凝並
3.2.4 全區間的顆粒凝並
3.3 計算結果及分析
3.3.1 自由分子區的顆粒布朗凝並
3.3.2 連續介質區的顆粒布朗凝並
3.3.3 全區間的顆粒凝並
參考文獻
第4章 混合層與平面射流場中納米顆粒分布的演變
4.1 混合層納米顆粒兩相流場顆粒的晶核化與凝並
4.1.1 基本方程
4.1.2 計算方法和條件
4.1.3 計算結果與討論
4.2 平面淹沒約束射流納米顆粒兩相流場的晶核化與顆粒凝並
4.2.1 基本方程
4.2.2 計算方法和條件
4.2.3 計算結果與討論
4.3 平面射流納米顆粒兩相流場顆粒的凝並
4.3.1 基本方程
4.3.2 計算方法和條件
4.3.3 計算結果與討論
4.4 平面淹沒射流納米顆粒兩相流場顆粒的凝並與破碎
4.4.1 基本方程
4.4.2 泰勒展開矩方法的套用
4.4.3 方程的量綱為一化
4.4.4 計算方法和條件
4.4.5 計算結果與討論
4.5 平面衝擊射流納米顆粒兩相流場
4.5.1 基本方程
4.5.2 計算方法和條件
4.5.3 計算結果與討論
參考文獻
第5章 圓射流場中納米顆粒分布的演變
5.1 單個圓射流納米顆粒兩相流場顆粒的演變
5.1.1 基本方程和模型
5.1.2 計算方法和條件
5.1.3 計算結果與討論
5.2 平行雙圓射流納米顆粒兩相流場顆粒的演變
5.2.1 基本方程
5.2.2 計算結果與討論
5.3 平行雙圓衝擊射流納米顆粒兩相流場顆粒的演變
5.3.1 基本方程
5.3.2 流場與計算參數
5.3.3 計算結果與討論
參考文獻
第6章 矩形槽道中納米顆粒的輸運和沉積特性
6.1 二維槽道內納米顆粒兩相流場顆粒的演變
6.1.1 基本方程
6.1.2 計算參數和計算條件
6.1.3 計算結果與討論
6.2 二維矩形槽道內納米顆粒兩相湍流場顆粒的演變
6.2.1 基本方程與表達式
6.2.2 計算條件和基本參數
6.2.3 計算結果與討論
6.3 彎曲方管內納米顆粒兩相湍流場顆粒的演變
6.3.1 基本方程
6.3.2 參數定義
6.3.3 計算方法及驗證
6.3.4 計算結果與討論
參考文獻
第7章 圓管中納米顆粒的輸運和沉積特性
7.1 直圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的輸運與沉積
7.1.1 主要作用力與方程
7.1.2 流場及計算條件
7.1.3 計算結果與討論
7.2 直圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的布朗凝並
7.2.1 流場描述
7.2.2 顆粒基本方程
7.2.3 計算結果與討論
7.3 彎曲圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的輸運和沉積
7.3.1 控制方程
7.3.2 攝動解方法
7.3.3 沉積效率
7.3.4 計算結果與討論
7.4 彎曲圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的凝並與分布
7.4.1 基本方程
7.4.2 計算方法及驗證
7.4.3 計算結果與討論
7.5 旋轉彎曲圓管中納米顆粒兩相流場顆粒的分布特性
7.5.1 控制方程
7.5.2 計算方法及驗證
7.5.3 計算結果與討論
參考文獻
第8章 汽車尾氣納米顆粒的生成與擴散
8.1 研究動態概述
8.2 二元均質晶核化相關理論
8.2.1 基本方程
8.2.2 顆粒演變的物理模型
8.3 計算方法及條件
8.3.1 泰勒展開矩方法
8.3.2 流場及計算條件
8.4 計算結果與討論
8.4.1 泰勒展開矩方法計算結果驗證
8.4.2 實驗驗證
8.4.3 瞬態分析
8.4.4 時均分析
參考文獻
第9章 燃燒法生成二氧化鈦納米凝並體顆粒
9.1 研究動態概述
9.2 相關理論與方程
9.2.1 化學動力學理論與方程
9.2.2 燃燒動力學理論與方程
9.3 計算方法及條件
9.4 計算結果與討論
9.4.1 燃燒流場結構及實驗驗證
9.4.2 凝並體顆粒尺度分布特性分析
9.4.3 凝並體內原始小顆粒動力學特性分析
9.4.4 凝並體形狀特性分析
9.4.5 凝並體間的碰撞特性
參考文獻
第10章 非稀相及雙峰直徑分布納米顆粒的布朗凝並
10.1 非稀相納米顆粒的布朗凝並研究概述
10.2 Smoluchowski理論及其求解方法
10.2.1 考慮顆粒體積率情況下的滲透壓力
10.2.2 考慮顆粒體積率時的Stokes阻力
10.2.3 單一尺度顆粒濃相系統顆粒的擴散及其顆粒碰撞頻率
10.2.4 多顆粒尺度濃相系統顆粒的碰撞
10.3 非稀相納米顆粒布朗凝並的計算結果及討論
10.4 雙峰直徑分布納米顆粒布朗凝並研究概述
10.5 雙峰顆粒直徑分布的矩方程
10.6 雙峰顆粒直徑分布顆粒凝並計算結果及討論
10.6.1 計算參數
10.6.2 自由分子區雙峰分布顆粒布朗凝並
10.6.3 近連續介質區雙峰分布的顆粒布朗凝並
10.6.4 自由分子區和過渡區雙峰分布的顆粒布朗凝並
10.6.5 自由分子區和近連續介質區雙峰分布的布朗凝並
參考文獻
第11章 具有分形結構的納米顆粒凝並體系統
11.1 研究概述
11.1.1 顆粒形態的分形描述
11.1.2 凝並體的凝並及破碎
11.2 理論模型
11.2.1 自由分子區的矩方程
11.2.2 連續-近連續介質區的矩方程
11.2.3 全尺度空間的矩方程
11.3 計算結果及討論
11.3.1 計算方法和條件
11.3.2 計算方法與驗證
11.3.3 過渡區內凝並體動力學分析
11.3.4 自由分子區凝並體動力學分析
11.3.5 連續-近連續介質區動力學分析
11.3.6 計算效率分析
11.4 湍流場中的分形結構凝並體系統
11.4.1 研究背景
11.4.2 擬單相系統控制方程
11.4.3 離散系統動力學分析
參考文獻
附錄1
附錄2
常用基本符號說明
文摘
第1章 緒論
對納米顆粒兩相流的研究是多相流研究的一個分支。本章介紹顆粒直徑與密度的基本描述、納米顆粒兩相流的普遍性及套用、納米顆粒兩相流的特殊性與複雜性以及納米顆粒兩相流的部分研究進展。
1.1 顆粒直徑與密度的基本描述
通常根據顆粒的直徑將顆粒分為三個區域：一是核模式區，又稱Aitken區，該區內的顆粒直徑小於50nm，如光化學煙霧中的硫酸鹽和硝酸鹽粒子；二是積累模式區，該區內的顆粒直徑介於50nm 和2mm 之間，如直接燃燒生成的含碳顆粒物；三是粗模式區，該區內的顆粒直徑大於2mm。在不同情況下，不同直徑的顆粒所占的比例也不同，圖1.1是通常情況下空氣中不同直徑的顆粒所占的比例。由該圖可見，核模式區的顆粒數量比其他兩個區域大很多，但積累模式區內的顆粒質量則占絕對高的比例。此外，在不同行業領域中，不同直徑的顆粒也有一些特殊的名稱，如在工業排放標準中，把直徑小於10mm（PM10）的顆粒稱為粗重顆粒，小於2.5mm（PM2.5）的顆粒稱為精細顆粒，小於0.1mm 的顆粒稱為超精細顆粒，小於0.05mm 的顆粒稱為納米顆粒。關於納米顆粒的定義並不統一，有的將直徑為0.1～1mm 的顆粒稱為亞微米顆粒，0.1mm 以下的顆粒稱為納米顆粒；有的將1mm以下的顆粒稱為納米顆粒；本書涉及的納米顆粒主要是1mm 以下的顆粒。顆粒直徑、數密度和質量密度分布是納米顆粒兩相流中最基本也是最重要的分布。
1.2 納米顆粒兩相流的普遍性及套用
納米顆粒兩相流在自然界中極為常見。同時，納米顆粒兩相流在工業等多個領域有著廣泛的套用，以下給出幾種典型的情況。
1.2.1 大氣中的納米顆粒
飄浮在空氣中的雲、瀰漫在城市中的霧和霾等都是懸浮在空氣中的固體或液體顆粒，通常也稱為氣溶膠。氣溶膠一方面能產生美麗壯觀的自然景象，另一方面也帶來了嚴重的污染。大氣中的顆粒物主要由硫氧化物、氮氧化物、碳氫化合物、一氧化碳以及其他懸浮顆粒物構成。硫氧化物主要是二氧化硫這種無色有毒的氣體；氮氧化物主要指一氧化氮和二氧化氮；碳氫化合物主要指有機烴類；懸浮顆粒物通常指煙、塵、霧、霾等。
大氣中的顆粒物主要有自然來源和人為來源兩類。
自然來源主要由以下幾個因素構成：一是地面揚塵，大風吹過地面時，將地面上的沙粒、塵埃以及其他顆粒吹入空氣中並懸浮著；二是海水濺出的浪，海洋中產生的海浪把海洋中的鈉、鎂等鹽類、海洋生物排放的物質以及其屍體分解產生的物質一併捲起來帶向空中；三是火山爆發的迸出物，火山爆發會產生大量的二氧化碳、氯化氫、氫氟酸、二氧化硫、硫化氫等；四是天然森林火災的燃燒物，火災中除了會向空中排放一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、醛類氣體、氰化氫外，還會散發出大量的炭黑粒子、灰分以及其他燃燒分解物顆粒；五是生物界產生的顆粒物，如植物上的花粉、孢子等往往會被風或者其他動物帶入空氣中。
大氣中顆粒物的人為來源與地球上人口數量急劇增加和工業化進程的加快相關，主要包括以下幾個方面：一是燃料燃燒產生的顆粒物，人類對燃料的要求從最初的木炭到後來的煤炭、液化石油氣、天然氣等，來自於地下的可燃燒物由動植物屍體分解而形成，燃燒後產生二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、甲醛、多環芳香烴等有機化合物；二是生產性粉塵，如在煉鐵、煉鋼中會形成氧化鐵、三氧化二鐵、氧化鈣、二氧化矽、三氧化二鋁、氧化鎂、氧化錳、硫和磷等粉塵進入空氣中；三是汽車尾氣排放，汽車在行駛中排放出的尾氣含有100多種物質，如一氧化碳、一氧化氮、磷、苯並芘、碳煙、油霧等。
大氣顆粒物對人類健康和經濟發展有很大影響，直徑越小的顆粒被人體吸入後，其危害性越大。此外，大氣顆粒物對光的散射和吸收作用直接影響大氣的能見度。所以，有效地控制大氣顆粒物產生的源頭以及粒徑的分布具有重要的意義。
1.2.2 可吸入顆粒及其對人體的危害
以上大氣顆粒中，有一部分顆粒被世界衛生組織稱為可吸入顆粒，它是顆粒直徑小於或等於10mm 顆粒的總稱，記為PM10。其中，根據顆粒直徑的大小，通常又分成兩類，一是粒徑為2.5～10mm 的顆粒，記為PM10-2.5；二是粒徑小於2.5mm的顆粒，記為PM2.5。這兩類顆粒對人體健康影響的方式和機理不同，PM10-2.5顆粒能通過呼吸進入人體的呼吸道，而PM2.5顆粒的表面吸附大量的有毒有害物質，顆粒通過呼吸沉積在肺泡，甚至可以進入血液循環到達其他器官。
可吸入顆粒濃度的增加與人們呼吸系統疾病、心肺疾病的發病率和死亡率密切相關，目前已知的可吸入顆粒對人體健康的影響主要包括：增加重病和慢性病患者的死亡率；使呼吸系統、心臟系統疾病惡化；改變肺功能及其結構；改變免疫功能；患癌率增加。研究結果表明，1m3 空氣中可吸入顆粒每增加10mg，每日的總死亡率上升1%，呼吸系統疾病上升3.4%，心血管病上升1.4%，哮喘上升3%，肺功能下降0.1%[2～4]。
可吸入顆粒被人體吸入後，對人體的危害程度主要取決於其成分、濃度和粒徑。顆粒的成分是主要的致病因子，決定了疾病的種類；顆粒的濃度決定了顆粒的吸入量，濃度越高，危害就越大；顆粒的粒徑決定了顆粒在呼吸道內是沉積、滯留還是被清除。一般而言，大於10mm 的顆粒大部分滯留在鼻腔或口腔內，小於10mm 的顆粒有10%～60%穿過氣管後沉積在肺部，這些沉積在肺部的顆粒其粒徑呈雙峰值分布，峰值一是粒徑為3mm 的顆粒，占20%；峰值二是粒徑為30nm 的顆粒，占60%，沉積在肺部的顆粒能存留數周乃至數年。PM2.5的顆粒在PM10中占相當大的比例，其對毒性組分的富集作用明顯大於PM10-2.5，所以PM2.5顆粒對健康的影響更嚴重。PM2.5顆粒在大氣中存在的時間最長、輸送的距離最遠、影響的範圍也最廣。它被吸入後致病的機理大致有四種：一是進入肺後，與肺上皮細胞作用，刺激釋放各種細胞因子，導致肺炎和肺纖維化；二是PM2.5顆粒與細胞作用後，釋放活性氧，氧化損傷組織細胞和遺傳物質；三是PM2.5顆粒引起細胞增生，最後可能導致惡變；四是PM2.5顆粒的化學組分或活性氧直接損害遺傳物質，導致癌基因激活、抑癌基因失活、遺傳物質突變，乃至可能形成肺癌。
1.2.3 添加納米顆粒強化傳熱
20世紀90年代以來，人們開始探索利用納米顆粒來強化傳熱，即把粒徑小於100nm 的金屬或非金屬納米顆粒以一定方式分散到水、醇、油等傳統換熱介質中，製備成均勻、穩定、高導熱的新型換熱介質。實驗研究表明，即使加入少量的納米顆粒，換熱介質也可顯示出驚人的導熱性，其導熱係數可以比原先的流體介質高出百分之幾十甚至超過百分之百。
與傳統的純液體工質或在液體中添加毫米或微米級顆粒相比，在液體中加入納米顆粒後的換熱介質有以下優點：一是導熱性顯著增加；二是一般情況下，納米顆粒的沉降可以忽略不計，懸浮穩定性好，且不易產生磨損或堵塞等現象；三是在顆粒體積分數相同情況下，納米顆粒的表面積遠大於毫米或微米級顆粒的表面積，因而有助於傳熱；四是與單相流體相比，納米顆粒兩相流動引起的壓降並無明顯增加，無需增加很多的額外動力；五是所需的納米顆粒一般不多，可以節約成本。以上優點使得納米顆粒換熱介質在車輛、航天航空、船舶、電子等領域能夠滿足大功率發動機、空調裝置、熱泵系統、超導磁體、大功率電子設備、超級計算機等設備高負荷的冷卻要求。同時，在日益微型化時代，納米顆粒換熱介質對微機電系統和納機電系統的換熱和冷卻能起到重要作用。
儘管已經認識到了液體中加入納米顆粒後強化傳熱的事實，但是對於其機理卻仍處在研究之中，目前研究得到的有關顆粒強化傳熱機理的要素包括顆粒本身的布朗運動、顆粒布朗運動引起的微對流、液體與固體交界面的液體層、納米顆粒內部的熱傳輸、納米顆粒的團聚等。其中，顆粒的布朗運動是納米顆粒區別於其他大顆粒的重要特徵，布朗運動既加速了流場中熱量的傳輸，又打破了流場原有的結構，減小了傳熱熱阻，增強了流場的湍流強度，促進了換熱。
1.2.4 納米材料的製備
在氣相燃燒合成納米顆粒和以納米糰簇或單體顆粒為基體的納米材料製備中，凝並體納米顆粒的結構、尺度、化學成分組成和分散程度的設計與納米顆粒兩相流密切相關。納米顆粒具有大的比表面積、活性大並具有高的擴散速率，因而用納米粉體進行燒結時，緻密化速度快還可降低燒結溫度並提高力學性能。
當顆粒的尺度小到一定臨界值時，就轉入超順磁性狀態，在該狀態下，材料具有高矯頑力、巨磁電限等性能，因而可用於製備磁致冷、永磁材料、磁性液體、磁記錄器件、磁光元件、磁存儲元件及磁探測器等磁元件，磁性液體可用於動態密封、促進潤滑、增進揚聲器功率、增大阻尼、比重分離等。常見的磁性物質一般屬於多磁區的集合體，當顆粒尺度小至無法區分其磁區時，即形成單磁區的磁性物質，所以磁性材料製成納米顆粒或薄膜時，將成為優異的磁性材料。
納米金屬顆粒在低溫下呈絕緣性，由典型的鐵電體變成了順電體，此時可用來製作導電漿料、絕緣漿料、電極、超導體、量子器件、靜電禁止材料、壓敏和非線性電阻及熱電材料等。化纖製品加入金屬納米顆粒可降低靜電效應。
由於每一納米顆粒組成的原子少，表面原子處於一種不穩定狀態，使其表面晶格振動的振幅較大，所以其具有較高的表面能量，這就導致納米顆粒具有較低的熔點，再加上納米顆粒比大顆粒更容易在較低溫度下燒結，所以可成為良好的燒結促進材料。
在適當的蒸發沉積條件下，金屬可得到易吸收光的黑色金屬納米顆粒，這種光吸收率大的特性可套用於紅外線感測器材料。
以上材料的製備過程常涉及納米顆粒兩相流。
1.2.5 在檢測和分離中的套用
實驗研究表明，可以通過測定加入納米顆粒的布朗運動來準確計量微裝置中的溫度分布。通過追蹤顆粒布朗運動的軌跡可以測量軟材料的黏彈性反應、聚合物體的表面結構以及分子馬達的力學屬性。
利用納米顆粒可以進行細胞分離、細胞染色，也可製成特殊藥物或新型抗體進行局部定向治療等。利用納米顆粒可將血樣中極少量胎兒細胞分離並準確判斷胎兒細胞是否有遺傳缺陷。利用納米顆粒進行細胞分離可以在腫瘤早期血液中檢查出癌細胞，實現癌症早期的診斷和治療。在某些病毒、細胞、蛋白質或納米顆粒等的分離過程中，可以通過一些特殊的通道[10，11]（見圖1.2和圖1.3）或施加電勢（見圖1.4）來限制顆粒布朗運動的方向，使其偏向於某一特定方向，從而通過顆粒布朗擴散係數的不同來實現分離。
1.3 納米顆粒兩相流的特殊性與複雜性
納米顆粒兩相流有著與微米及更大尺度顆粒兩相流所不同的特性，這些特性又決定了納米顆粒兩相流的複雜性。
1.3.1 特殊性
首先是小尺度效應。在納米顆粒兩相流中，除了與大顆粒一樣要考慮顆粒與流體間的拖曳力外，還必須考慮大尺度顆粒通常所忽略的London-vanderWaals力、禁止靜電力、布朗運動導致的脈動力等。周圍氣體分子的離散效應對顆粒的動力學特性也有較大影響。在納米顆粒系統中，單個顆粒的尺度較小且存在巨大的顆粒數密度，所以通常關注的是大數目顆粒體現出的綜合效應，如數密度、質量密度、尺度分散度、平均粒徑、粒徑方差等統計平均量。
其次是跨尺度效應。納米顆粒運動介於分子運動理論和連續介質理論之間，研究時往往要把微觀機制下的物理量變化體現在巨觀量的表達式上。納米顆粒兩相流具有多尺度譜的分布特徵，流場中既有大尺度的流場信息，也有小尺度的顆粒信息。就弛豫時間而言，流場演變、顆粒碰撞和相變三者存在較大的跨度。
最後是存在相變及尺度變化，納米顆粒兩相流中氣-固或氣-液轉換（即凝結成核）、熱泳或電導致的顆粒遷移、湍流和布朗運動導致的顆粒凝並、由異質性凝結或顆粒表面化學反應所導致的顆粒體積增長、流場湍動所導致的顆粒破碎、顆粒在壁面的沉積等都涉及顆粒的相變和顆粒尺度的變化。所以，納米顆粒兩相流還關注顆粒表面積濃度、顆粒系統化學組分組成、顆粒聚並體的分形維數等參數的
對納米顆粒兩相流的研究是多相流研究的一個分支。本章介紹顆粒直徑與密度的基本描述、納米顆粒兩相流的普遍性及套用、納米顆粒兩相流的特殊性與複雜性以及納米顆粒兩相流的部分研究進展。
1.1 顆粒直徑與密度的基本描述
通常根據顆粒的直徑將顆粒分為三個區域：一是核模式區，又稱Aitken區，該區內的顆粒直徑小於50nm，如光化學煙霧中的硫酸鹽和硝酸鹽粒子；二是積累模式區，該區內的顆粒直徑介於50nm 和2mm 之間，如直接燃燒生成的含碳顆粒物；三是粗模式區，該區內的顆粒直徑大於2mm。在不同情況下，不同直徑的顆粒所占的比例也不同，圖1.1是通常情況下空氣中不同直徑的顆粒所占的比例。由該圖可見，核模式區的顆粒數量比其他兩個區域大很多，但積累模式區內的顆粒質量則占絕對高的比例。此外，在不同行業領域中，不同直徑的顆粒也有一些特殊的名稱，如在工業排放標準中，把直徑小於10mm（PM10）的顆粒稱為粗重顆粒，小於2.5mm（PM2.5）的顆粒稱為精細顆粒，小於0.1mm 的顆粒稱為超精細顆粒，小於0.05mm 的顆粒稱為納米顆粒。關於納米顆粒的定義並不統一，有的將直徑為0.1～1mm 的顆粒稱為亞微米顆粒，0.1mm 以下的顆粒稱為納米顆粒；有的將1mm以下的顆粒稱為納米顆粒；本書涉及的納米顆粒主要是1mm 以下的顆粒。顆粒直徑、數密度和質量密度分布是納米顆粒兩相流中最基本也是最重要的分布。
1.2 納米顆粒兩相流的普遍性及套用
納米顆粒兩相流在自然界中極為常見。同時，納米顆粒兩相流在工業等多個領域有著廣泛的套用，以下給出幾種典型的情況。
1.2.1 大氣中的納米顆粒
飄浮在空氣中的雲、瀰漫在城市中的霧和霾等都是懸浮在空氣中的固體或液體顆粒，通常也稱為氣溶膠。氣溶膠一方面能產生美麗壯觀的自然景象，另一方面也帶來了嚴重的污染。大氣中的顆粒物主要由硫氧化物、氮氧化物、碳氫化合物、一氧化碳以及其他懸浮顆粒物構成。硫氧化物主要是二氧化硫這種無色有毒的氣體；氮氧化物主要指一氧化氮和二氧化氮；碳氫化合物主要指有機烴類；懸浮顆粒物通常指煙、塵、霧、霾等。
大氣中的顆粒物主要有自然來源和人為來源兩類。
自然來源主要由以下幾個因素構成：一是地面揚塵，大風吹過地面時，將地面上的沙粒、塵埃以及其他顆粒吹入空氣中並懸浮著；二是海水濺出的浪，海洋中產生的海浪把海洋中的鈉、鎂等鹽類、海洋生物排放的物質以及其屍體分解產生的物質一併捲起來帶向空中；三是火山爆發的迸出物，火山爆發會產生大量的二氧化碳、氯化氫、氫氟酸、二氧化硫、硫化氫等；四是天然森林火災的燃燒物，火災中除了會向空中排放一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、醛類氣體、氰化氫外，還會散發出大量的炭黑粒子、灰分以及其他燃燒分解物顆粒；五是生物界產生的顆粒物，如植物上的花粉、孢子等往往會被風或者其他動物帶入空氣中。
大氣中顆粒物的人為來源與地球上人口數量急劇增加和工業化進程的加快相關，主要包括以下幾個方面：一是燃料燃燒產生的顆粒物，人類對燃料的要求從最初的木炭到後來的煤炭、液化石油氣、天然氣等，來自於地下的可燃燒物由動植物屍體分解而形成，燃燒後產生二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、甲醛、多環芳香烴等有機化合物；二是生產性粉塵，如在煉鐵、煉鋼中會形成氧化鐵、三氧化二鐵、氧化鈣、二氧化矽、三氧化二鋁、氧化鎂、氧化錳、硫和磷等粉塵進入空氣中；三是汽車尾氣排放，汽車在行駛中排放出的尾氣含有100多種物質，如一氧化碳、一氧化氮、磷、苯並芘、碳煙、油霧等。
大氣顆粒物對人類健康和經濟發展有很大影響，直徑越小的顆粒被人體吸入後，其危害性越大。此外，大氣顆粒物對光的散射和吸收作用直接影響大氣的能見度。所以，有效地控制大氣顆粒物產生的源頭以及粒徑的分布具有重要的意義。
1.2.2 可吸入顆粒及其對人體的危害
以上大氣顆粒中，有一部分顆粒被世界衛生組織稱為可吸入顆粒，它是顆粒直徑小於或等於10mm 顆粒的總稱，記為PM10。其中，根據顆粒直徑的大小，通常又分成兩類，一是粒徑為2.5～10mm 的顆粒，記為PM10-2.5；二是粒徑小於2.5mm的顆粒，記為PM2.5。這兩類顆粒對人體健康影響的方式和機理不同，PM10-2.5顆粒能通過呼吸進入人體的呼吸道，而PM2.5顆粒的表面吸附大量的有毒有害物質，顆粒通過呼吸沉積在肺泡，甚至可以進入血液循環到達其他器官。
可吸入顆粒濃度的增加與人們呼吸系統疾病、心肺疾病的發病率和死亡率密切相關，目前已知的可吸入顆粒對人體健康的影響主要包括：增加重病和慢性病患者的死亡率；使呼吸系統、心臟系統疾病惡化；改變肺功能及其結構；改變免疫功能；患癌率增加。研究結果表明，1m3 空氣中可吸入顆粒每增加10mg，每日的總死亡率上升1%，呼吸系統疾病上升3.4%，心血管病上升1.4%，哮喘上升3%，肺功能下降0.1%[2～4]。
可吸入顆粒被人體吸入後，對人體的危害程度主要取決於其成分、濃度和粒徑。顆粒的成分是主要的致病因子，決定了疾病的種類；顆粒的濃度決定了顆粒的吸入量，濃度越高，危害就越大；顆粒的粒徑決定了顆粒在呼吸道內是沉積、滯留還是被清除。一般而言，大於10mm 的顆粒大部分滯留在鼻腔或口腔內，小於10mm 的顆粒有10%～60%穿過氣管後沉積在肺部，這些沉積在肺部的顆粒其粒徑呈雙峰值分布，峰值一是粒徑為3mm 的顆粒，占20%；峰值二是粒徑為30nm 的顆粒，占60%，沉積在肺部的顆粒能存留數周乃至數年。PM2.5的顆粒在PM10中占相當大的比例，其對毒性組分的富集作用明顯大於PM10-2.5，所以PM2.5顆粒對健康的影響更嚴重。PM2.5顆粒在大氣中存在的時間最長、輸送的距離最遠、影響的範圍也最廣。它被吸入後致病的機理大致有四種：一是進入肺後，與肺上皮細胞作用，刺激釋放各種細胞因子，導致肺炎和肺纖維化；二是PM2.5顆粒與細胞作用後，釋放活性氧，氧化損傷組織細胞和遺傳物質；三是PM2.5顆粒引起細胞增生，最後可能導致惡變；四是PM2.5顆粒的化學組分或活性氧直接損害遺傳物質，導致癌基因激活、抑癌基因失活、遺傳物質突變，乃至可能形成肺癌。
1.2.3 添加納米顆粒強化傳熱
20世紀90年代以來，人們開始探索利用納米顆粒來強化傳熱，即把粒徑小於100nm 的金屬或非金屬納米顆粒以一定方式分散到水、醇、油等傳統換熱介質中，製備成均勻、穩定、高導熱的新型換熱介質。實驗研究表明，即使加入少量的納米顆粒，換熱介質也可顯示出驚人的導熱性，其導熱係數可以比原先的流體介質高出百分之幾十甚至超過百分之百。
與傳統的純液體工質或在液體中添加毫米或微米級顆粒相比，在液體中加入納米顆粒後的換熱介質有以下優點：一是導熱性顯著增加；二是一般情況下，納米顆粒的沉降可以忽略不計，懸浮穩定性好，且不易產生磨損或堵塞等現象；三是在顆粒體積分數相同情況下，納米顆粒的表面積遠大於毫米或微米級顆粒的表面積，因而有助於傳熱；四是與單相流體相比，納米顆粒兩相流動引起的壓降並無明顯增加，無需增加很多的額外動力；五是所需的納米顆粒一般不多，可以節約成本。以上優點使得納米顆粒換熱介質在車輛、航天航空、船舶、電子等領域能夠滿足大功率發動機、空調裝置、熱泵系統、超導磁體、大功率電子設備、超級計算機等設備高負荷的冷卻要求。同時，在日益微型化時代，納米顆粒換熱介質對微機電系統和納機電系統的換熱和冷卻能起到重要作用。
儘管已經認識到了液體中加入納米顆粒後強化傳熱的事實，但是對於其機理卻仍處在研究之中，目前研究得到的有關顆粒強化傳熱機理的要素包括顆粒本身的布朗運動、顆粒布朗運動引起的微對流、液體與固體交界面的液體層、納米顆粒內部的熱傳輸、納米顆粒的團聚等。其中，顆粒的布朗運動是納米顆粒區別於其他大顆粒的重要特徵，布朗運動既加速了流場中熱量的傳輸，又打破了流場原有的結構，減小了傳熱熱阻，增強了流場的湍流強度，促進了換熱。
1.2.4 納米材料的製備
在氣相燃燒合成納米顆粒和以納米糰簇或單體顆粒為基體的納米材料製備中，凝並體納米顆粒的結構、尺度、化學成分組成和分散程度的設計與納米顆粒兩相流密切相關。納米顆粒具有大的比表面積、活性大並具有高的擴散速率，因而用納米粉體進行燒結時，緻密化速度快還可降低燒結溫度並提高力學性能。
當顆粒的尺度小到一定臨界值時，就轉入超順磁性狀態，在該狀態下，材料具有高矯頑力、巨磁電限等性能，因而可用於製備磁致冷、永磁材料、磁性液體、磁記錄器件、磁光元件、磁存儲元件及磁探測器等磁元件，磁性液體可用於動態密封、促進潤滑、增進揚聲器功率、增大阻尼、比重分離等。常見的磁性物質一般屬於多磁區的集合體，當顆粒尺度小至無法區分其磁區時，即形成單磁區的磁性物質，所以磁性材料製成納米顆粒或薄膜時，將成為優異的磁性材料。
納米金屬顆粒在低溫下呈絕緣性，由典型的鐵電體變成了順電體，此時可用來製作導電漿料、絕緣漿料、電極、超導體、量子器件、靜電禁止材料、壓敏和非線性電阻及熱電材料等。化纖製品加入金屬納米顆粒可降低靜電效應。
由於每一納米顆粒組成的原子少，表面原子處於一種不穩定狀態，使其表面晶格振動的振幅較大，所以其具有較高的表面能量，這就導致納米顆粒具有較低的熔點，再加上納米顆粒比大顆粒更容易在較低溫度下燒結，所以可成為良好的燒結促進材料。
在適當的蒸發沉積條件下，金屬可得到易吸收光的黑色金屬納米顆粒，這種光吸收率大的特性可套用於紅外線感測器材料。
以上材料的製備過程常涉及納米顆粒兩相流。
1.2.5 在檢測和分離中的套用
實驗研究表明，可以通過測定加入納米顆粒的布朗運動來準確計量微裝置中的溫度分布。通過追蹤顆粒布朗運動的軌跡可以測量軟材料的黏彈性反應、聚合物體的表面結構以及分子馬達的力學屬性。
利用納米顆粒可以進行細胞分離、細胞染色，也可製成特殊藥物或新型抗體進行局部定向治療等。利用納米顆粒可將血樣中極少量胎兒細胞分離並準確判斷胎兒細胞是否有遺傳缺陷。利用納米顆粒進行細胞分離可以在腫瘤早期血液中檢查出癌細胞，實現癌症早期的診斷和治療。在某些病毒、細胞、蛋白質或納米顆粒等的分離過程中，可以通過一些特殊的通道[10，11]（見圖1.2和圖1.3）或施加電勢（見圖1.4）來限制顆粒布朗運動的方向，使其偏向於某一特定方向，從而通過顆粒布朗擴散係數的不同來實現分離。
1.3 納米顆粒兩相流的特殊性與複雜性
納米顆粒兩相流有著與微米及更大尺度顆粒兩相流所不同的特性，這些特性又決定了納米顆粒兩相流的複雜性。
1.3.1 特殊性
首先是小尺度效應。在納米顆粒兩相流中，除了與大顆粒一樣要考慮顆粒與流體間的拖曳力外，還必須考慮大尺度顆粒通常所忽略的London-vanderWaals力、禁止靜電力、布朗運動導致的脈動力等。周圍氣體分子的離散效應對顆粒的動力學特性也有較大影響。在納米顆粒系統中，單個顆粒的尺度較小且存在巨大的顆粒數密度，所以通常關注的是大數目顆粒體現出的綜合效應，如數密度、質量密度、尺度分散度、平均粒徑、粒徑方差等統計平均量。
其次是跨尺度效應。納米顆粒運動介於分子運動理論和連續介質理論之間，研究時往往要把微觀機制下的物理量變化體現在巨觀量的表達式上。納米顆粒兩相流具有多尺度譜的分布特徵，流場中既有大尺度的流場信息，也有小尺度的顆粒信息。就弛豫時間而言，流場演變、顆粒碰撞和相變三者存在較大的跨度。
最後是存在相變及尺度變化，納米顆粒兩相流中氣-固或氣-液轉換（即凝結成核）、熱泳或電導致的顆粒遷移、湍流和布朗運動導致的顆粒凝並、由異質性凝結或顆粒表面化學反應所導致的顆粒體積增長、流場湍動所導致的顆粒破碎、顆粒在壁面的沉積等都涉及顆粒的相變和顆粒尺度的變化。所以，納米顆粒兩相流還關注顆粒表面積濃度、顆粒系統化學組分組成、顆粒聚並體的分形維數等參數的
