根據(jù)圖6(a)所示，隨著表面張力的增加，液橋的最大高度和顆粒聚并時(shí)間呈現(xiàn)出遞減趨勢。液膜表面張力系數(shù)為0.030N/m時(shí)，液橋最大高度為0.109μm，液膜表面張力系數(shù)為0.072N/m時(shí)，液橋最大高度為0.081μm，降低了24.7%。這是因?yàn)楸砻鎻埩Φ脑黾訉?dǎo)致液體表面趨于收縮，分子之間更加緊密地排列，從而使液橋的高度減小。同時(shí)，表面張力系數(shù)較大的液橋?qū)︻w粒有更強(qiáng)的吸引力，使顆粒更快被拉回液膜表面，加快了濕顆粒的聚并過程。圖6(b)顯示了表面張力變化對各能量損耗部分的影響。非彈性碰撞引起的能量損失Ec對表面張力的變化不敏感，大約占初始動能的30%。由壓差阻力引起的能量損失Ep是主要損耗部分，并且隨著表面張力系數(shù)的增加而顯著增加，當(dāng)液膜表面張力系數(shù)為0.072N/m時(shí)，Ep占比總動能損失的47.9%。表面張力系數(shù)更大的液膜表面更加穩(wěn)定，需要更大的力來改變表面形狀或面積，這種力的存在引起了表面附近的壓力差異，形成壓差阻力。隨著表面張力增大，壓差阻力迅速增加，導(dǎo)致顆粒速度減慢和反彈高度減少，液橋力的作用距離也隨之縮短。

圖6   液橋行為特性及表面張力對能量損失的影響分析

3.2 液膜厚度的影響

液膜厚度是影響濕顆粒黏附的關(guān)鍵參數(shù)之一。在初始釋放速度設(shè)為10m/s、液體表面張力系數(shù)固定為0.072N/m的模擬條件下，液膜厚度從0.05Rp增加至0.25Rp時(shí)濕顆粒碰撞過程的變化。根據(jù)模擬結(jié)果，不同液膜厚度的濕顆粒都均遵循類似的運(yùn)動模式：液膜變形、反彈和聚并或分離。在所有情況下，顆粒1在最高點(diǎn)處的動能都完全耗盡，隨后在液橋力和重力的共同作用下被拉回液膜表面，與顆粒2聚并在一起。整個(gè)碰撞過程中液橋保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生破裂。值得注意的是，隨著液膜厚度的增加，液體體積相應(yīng)增加，但處于相同運(yùn)動階段的液橋高度卻逐漸降低。

液膜直徑對液橋最大高度，顆粒與液膜接觸至發(fā)生碰撞所需時(shí)間的影響。當(dāng)液膜厚度為0.05Rp時(shí)，液橋最大高度為0.34μm，隨著液膜厚度的增加，液橋高度迅速減小，液膜厚度為0.25Rp時(shí)，液橋最大高度僅為0.34μm。液膜厚度為0.05Rp時(shí)兩顆粒在0.006μs發(fā)生碰撞，隨著厚度的增加，顆粒在接觸液膜后需要進(jìn)一步下降以克服更大的阻力，導(dǎo)致其速度迅速減小，從而延長了從接觸液膜到發(fā)生碰撞的時(shí)間，當(dāng)液膜厚度為0.05Rp時(shí)，碰撞時(shí)間延長至0.06μs。液膜厚度對能量耗散的影響，由壓差阻力引起的能量損失Ep是主要損耗部分，隨著液膜厚度增加，Ep顯著增加。當(dāng)液膜厚度達(dá)到0.25Rp時(shí)，壓差阻力損失占比達(dá)到57.4%。此外，液膜增加也導(dǎo)致液橋變寬，液橋高度更低，表面張力做功的范圍增大，但作用距離減小，Esf變化較小，約占總能量損失的22%。黏性阻力引起的能量損失最少，占總能量損失的10%以下，因此可以忽略其影響。

3.3 碰撞前相對速度的影響

在顆粒碰撞過程中，撞擊速度是影響其反彈和黏附行為的關(guān)鍵因素之一。在顆粒法向碰撞過程中，改變碰撞前相對速度顯著地影響了液橋的形態(tài)。模擬中液膜厚度被控制為0.05Rp，液體的表面張力系數(shù)為0.072N/m。顆粒1的初始釋放速度在10~20m/s之間變化。結(jié)果顯示，當(dāng)釋放初速度達(dá)到10m/s時(shí)，濕顆粒經(jīng)歷了接近、碰撞和聚并的三個(gè)明顯階段。然而，隨著顆粒的初速度升至15m/s和20m/s，顆粒1在碰撞反彈，液橋也變得更長更細(xì)，最終導(dǎo)致液橋斷裂。此外，初速度更高的濕顆粒在拉伸過程中形成的液橋也相應(yīng)地達(dá)到了更高的高度。

撞擊速度對液橋最大高度和碰撞時(shí)間的影響。碰撞前相對速度從10m/s增加至20m/s，濕顆粒碰撞時(shí)間從0.006μs縮短至0.002μs。由于速度更高的顆粒具有更高的初始動能，使得顆粒更能抵抗表面張力束縛，實(shí)現(xiàn)更顯著的液橋拉伸，碰撞前相對速度為20m/s時(shí)，液橋最大高度能達(dá)到0.757μm，較10m/s時(shí)增加了0.417μm。碰撞前相對速度對能量耗散的影響，隨著撞擊速度的提高，耗散能量占初始動能的比例由100%減少到73.6%，顆粒分離時(shí)總動能并未被完全消耗。在較低初始速度時(shí)，顆粒最終發(fā)生聚并，壓差阻力引起的Ep是最主要的能量損耗，占總動能損失的41.2%；而初始速度增大后，顆粒最終分離，表面張力成為主要的能量耗損部分，Esf最高占總動能損失的39.1%。

4 結(jié)論

通過耦合VOF模型、CSF模型和重疊網(wǎng)格模型，對微米級濕顆粒的法向碰撞過程進(jìn)行了直接數(shù)值模擬。分析了表面張力、液滴直徑和碰撞前相對速度對顆粒運(yùn)動行為及其動能耗散的影響，為提升濕顆粒聚合效率，進(jìn)而設(shè)計(jì)更高效的除塵系統(tǒng)提供了理論支持。得出以下主要結(jié)論。

（1）濕顆粒法向碰撞過程通常包括液膜變形、反彈和聚并或分離等運(yùn)動模式，并且相對速度在15m/s以下時(shí)，顆粒更可能發(fā)生聚并現(xiàn)象。相對速度大于15m/s時(shí)，顆粒發(fā)生碰撞分離，此時(shí)動能損失主要是由表面張力引起的。

（2）表面張力增加會提高液橋?qū)︻w粒的吸引力，加速顆粒的聚并過程。壓差阻力造成的能量損失是動能耗散的主要來源，當(dāng)液膜表面張力系數(shù)為0.072N/m時(shí)，壓差阻力占總動能損失的47.9%。

（3）隨著液膜厚度增加，顆粒速度減小、反彈高度降低，同時(shí)液橋?qū)挾仍黾樱瑪U(kuò)大了表面張力的作用面積，加強(qiáng)了液橋橫向收縮，反彈高度從而進(jìn)一步降低。