談?wù)劻黧w中微粒的“功”與“過(guò)”

姜楠^*，+

*(天津大學(xué)力學(xué)系，天津 300072)

+( 天津市現(xiàn)代工程力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

摘？ 要: 介紹了流體中摻雜的微小懸浮顆粒對(duì)人類(lèi)健康和工程技術(shù)的影響，同時(shí)介紹了利用流體中微小懸浮顆粒增強(qiáng)混合，加快反應(yīng)速度，提高傳熱效率等工程應(yīng)用，最后介紹了利用流體中微小懸浮顆粒的跟隨性和激光多普勒效應(yīng)測(cè)量流體流動(dòng)速度的激光多普勒測(cè)速技術(shù)（LDA）和粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）。
關(guān)鍵詞：流體，微粒，跟隨性，激光多普勒測(cè)速技術(shù)，粒子圖像測(cè)速技術(shù)

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空氣中的顆粒物

我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降目諝狻⑺攘黧w都不是純凈的，或多或少地?fù)诫s著顆粒形微小雜質(zhì)。例如，如果近地面空氣中懸浮大量的微小水滴或冰晶等氣溶膠粒子，就形成了霧。而大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，就形成了霾。霧和霾對(duì)人體健康危害極大，霧霾中的氣溶膠粒子攜帶有鉛、汞、鎘等重金屬離子、細(xì)菌、病毒和致癌物，這些氣溶膠粒子直接進(jìn)入并黏附在人體呼吸道粘膜和肺泡上，引起鼻炎、支氣管炎、哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病。這些顆粒物主要來(lái)自污染源的直接排放，比如煙囪與車(chē)輛排放的廢氣和尾氣，建筑工地的揚(yáng)塵等。另一些則是由環(huán)境空氣中硫的氧化物、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)化合物及其它化合物互相作用形成的細(xì)小顆粒物，它們的化學(xué)和物理組成依地點(diǎn)、氣候、一年中的季節(jié)不同而變化很大。研究表明，顆粒物的尺度越小，在空氣中隨風(fēng)飄動(dòng)的能力越強(qiáng)，對(duì)人體健康的危害越大，通常把粒徑在10微米以下的顆粒物在空氣中的含量稱(chēng)為PM10，又稱(chēng)為可吸入顆粒物，直徑小于2.5微米的顆粒物在空氣中的含量稱(chēng)為PM2.5，也稱(chēng)為可入肺顆粒物，與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，含有大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。PM2.5產(chǎn)生的主要來(lái)源，是日常發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車(chē)尾氣排放等過(guò)程中經(jīng)過(guò)燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬、硫的氧化物、氮氧化物等有毒物質(zhì)。人體的生理結(jié)構(gòu)決定了對(duì)PM2.5沒(méi)有任何過(guò)濾、阻攔能力，而PM2.5對(duì)人類(lèi)健康的危害卻隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，逐步暴露出其恐怖的一面。直徑小于1微米的顆粒物在空氣中的含量稱(chēng)為PM1，可通過(guò)毛細(xì)血管壁直接進(jìn)入血液，對(duì)人類(lèi)健康危害更大。PM10、PM2.5、PM1的單位都是微克/立方米。世界衛(wèi)生組織（WH O）在2005年版《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》中也指出：大氣中細(xì)粒子濃度為日均值25微克/立方米，才基本算是一個(gè)安全清潔的閾值。當(dāng)PM2.5年均濃度達(dá)到每立方米35微克時(shí)，人的死亡風(fēng)險(xiǎn)比每立方米10微克的情形約增加15%。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一張全球空氣質(zhì)量地圖，專(zhuān)門(mén)展示世界各地PM2.5的密度。這張地圖由加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的兩位研究人員制作。他們根據(jù)NASA的兩臺(tái)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制了一張顯示出2001年至2006年PM 2.5平均值的地圖。在這張圖上紅色（即PM2.5密度最高)出現(xiàn)在北非、東亞和中國(guó)。中國(guó)華北、華東和華中PM2.5的密度指數(shù)接近每立方米80微克，甚至超過(guò)了撒哈拉沙漠。在北京海淀區(qū)北四環(huán)五道口街頭，從2011年11月1日起的連續(xù)十天中，最好一天的PM2.5平均濃度值是36微克/立方米，最差甚至記錄到581微克/立方米，其平均濃度均值是246微克/立方米”，這一實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均值已接近WH O大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值的近十倍。

圖1全球空氣中PM2.5密度衛(wèi)星地圖

“爆竹聲中一歲除，春風(fēng)送暖入屠蘇”，燃放煙花爆竹是中國(guó)人過(guò)年的傳統(tǒng)習(xí)俗，它以辭舊迎新、驅(qū)邪避疫的儀式性意義，寄托著人們追求平安、幸福的美好愿望。然而，燃放煙花爆竹釋放大量一氧化碳及多種金屬顆粒，必然使PM2.5的濃度大為增加。據(jù)北京環(huán)保監(jiān)測(cè)中心公布的數(shù)據(jù)，2012年1月22日除夕夜煙花爆竹的大量燃放，將剛剛開(kāi)始發(fā)布的北京市綜合監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室PM2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大幅推高。除夕夜城區(qū)燃放煙花爆竹進(jìn)入高峰期后，PM2.5濃度直線攀升，到大年初一凌晨1時(shí)達(dá)到1593微克/立方米，是平時(shí)濃度數(shù)值（20微克/立方米）的近80倍。之后兩小時(shí)一直維持在1000微克/立方米以上的高濃度水平。2013年除夕盡管許多市民已經(jīng)自覺(jué)減少燃放煙花爆竹，但除夕夜北京城區(qū)環(huán)境評(píng)測(cè)點(diǎn)的空氣質(zhì)量級(jí)別仍多為五級(jí)“重度污染”或六級(jí)“嚴(yán)重污染”，10日凌晨北京空氣中PM2.5的平均濃度約為400微克／立方米，單站最高小時(shí)濃度超過(guò)1000微克/立方米。與去年相比，無(wú)論從持續(xù)時(shí)間、污染范圍還是污染程度，均有明顯好轉(zhuǎn)。
1．2 沙塵與沙塵暴
空氣中的另一種顆粒物是沙塵，當(dāng)空氣流速達(dá)到30米/秒(11級(jí)風(fēng))，粗沙(直徑0.5~1.0毫米)會(huì)飛離地面幾十厘米，細(xì)沙(