3.2湿润性对尘—雾附着特性的影响

为研究湿润特性对尘—雾附着效果的影响，笔者按表6所列工况条件开展了数值模拟计算，图10a和图10b展示了颗粒直径分别为125μm和5μm时尘—雾碰撞速度及湿润特性对尘—雾附着效果的影响。对于粒径为125μm的强疏水性颗粒(α=168.4°,β=91.4°)，在低速碰撞时会发生“反弹(A)”行为，此时ψV=0。随着固体表面疏水度降低，可观察到“反弹(A)”行为在低速碰撞时不再发生。因此，通过向水中添加表面活性剂是防止反弹行为发生的有效手段。对于粒径为5μm的颗粒，由于雾滴黏性力作用显著强于粒径为125μm的情况，即使固体颗粒高度疏水，也未观察到反弹现象。相关原因已于3.1节进行了分析和解释。

当尘—雾碰撞速度很大时，在液滴在颗粒表面铺展的阶段，惯性力对液滴形变过程的影响远大于表面张力，不论前进角α是否小于90°，“膜状飞溅(D)”行为均会在液滴包裹颗粒前发生。当机械能在铺展过程中逐渐转化为热能和表面能，惯性力与表面张力逐渐趋于平衡。此时，在颗粒表面的液滴进入收缩阶段，部分液膜在惯性力作用下有逐渐变薄并脱离颗粒的趋势。在此阶段，后退角β越小，液滴越倾向于包裹颗粒，越有利于液膜抵抗惯性力，从而更容易附着在颗粒表面。因此，ψV主要受后退角β影响，而前进角α与ψV之间却无明显的规律性关系。如图10a所示，后退角β越小，在相同的碰撞速度下的液滴附着比例ψV越大。

图10μ=1.04 mPa·s时不同润湿性下颗粒表面液体附着比例

值得注意的是，随着液滴表面张力和接触角的减小，“完整聚并(B)”与“包裹后撕裂(C)”2种碰撞行为之间的临界速度减小。这意味着在中等碰撞速度范围内，降低表面张力和接触角反而不利于尘—雾附着效果的提升。降低液滴表面张力、提高颗粒的亲水性可导致固—液碰撞后液滴被穿透、颗粒上附着的液体减少，这表明本研究发现的新现象确实存在。造成此现象的原因有2方面。一方面，当前进接触角α降低时，液滴在颗粒表面的铺展过程所受阻力下降，“包裹”现象倾向于在较低的碰撞速度下发生。另一方面，在相同的碰撞速度下，降低表面张力，会增大奥内佐格数(Oh)和韦伯数(We)，从而导致表面张力对“液滴撕裂”现象的阻碍能力减弱。因此，在部分碰撞条件下，降低雾滴表面张力和接触角，反而不利于尘—雾附着效果提升。

3.3固—液连续碰撞后附着状态

将R1001增稠剂添加到水中，可以观察到液滴表面张力和接触角略微降低，而液滴黏度的显著增加。由于增稠剂溶液是非牛顿流体，它们的黏度可以使用表3中提供的方程来描述。向水中添加CTAB后使接触角和液滴表面张力急剧下降，而液滴与蒸馏水的黏度保持相似。

图11a对比了液滴连续碰撞疏水颗粒前后颗粒表面的液体附着状态。由于在实验中无法直接测量颗粒上附着液体的三维体积，因此笔者通过测量每次碰撞后基于二维实验图像的液滴面积的变化来进行定量对比。图11b对比了附着在颗粒上的测量的液体面积比例随碰撞次数增加而发生的变化。对比实验结果可发现，当蒸馏水滴与高疏水性颗粒反复碰撞时，保留在颗粒上的液体面积不超过5%。然而，当增稠剂被添加到水中时，在每次碰撞之后，附着在颗粒上的液体迅速增加。增稠剂浓度越高，附着在颗粒上面的液体比例增长速度越快。相反，当CTAB加入水中时，附着液体比例的增长速度比蒸馏水略快，但比增稠剂溶液明显更慢。这一结果表明，在提高疏水粉尘治理效果方面，增加液滴黏度比降低液滴表面张力更有效。此实验结果与之前的数值模拟结果相符，因此调控水雾流变特性是进一步提升其降尘效果的新思路，有望突破水雾降尘率瓶颈。

图11固—液连续碰撞后液体附着在颗粒上的现象

4.结论

总结了雾滴—尘粒碰撞过程会发生的“反弹”、“完整聚并”、“包裹后撕裂”、“膜状飞溅”4种行为类型，并发现碰撞后颗粒表面的液体附着比例变化曲线的转折点与相应的碰撞行为密切相关。

1)当粒径大于25μm的雾滴与疏水粉尘以低于5 m/s的速度碰撞时，“反弹”现象发生的概率较大，尘粒表面液体附着量接近0。对于尘、雾粒径均不超过5μm的情况，“反弹”现象几乎不会发生。因此，降低雾滴粒径有利于提高尘粒表面的液体附着量。

2)“完整聚并”行为发生时，雾滴完全附着在尘粒表面，此时降尘效果最佳；“包裹后撕裂”行为发生时，液体附着量随碰撞速度增大而迅速下降；“膜状飞溅”碰撞行为发生时，尘粒表面液体附着量随碰撞速度增大而缓慢减少，笔者得出了预测液体附着量的半经验模型。

3)通过向水中添加表面活性剂的方法降低雾滴表面张力和接触角虽然有利于避免“反弹”行为发生，也有利于在“膜状飞溅”行为发生时增大尘粒表面的液体附着量，但是降低了雾滴发生破裂的临界碰撞速度，导致发生“完整聚并”行为速度范围缩小，对降尘效果有不利影响。

4)降低雾滴粒径和增大雾滴黏度均有利于增大尘—雾碰撞过程中黏性摩擦损失，从而抑制“反弹”行为和雾滴破裂现象发生。含0.329%质量分数高分子成分R1001的液滴连续碰撞固体颗粒时，颗粒表面液体残留量比纯水液滴碰撞的情况可提高至少10倍，所以在水中添加增稠成分可显著提升粉尘增重、沉降效果。