灰霾早期阶段气溶胶PBE的矩分析方法
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摘要
近20年来,随着经济的快速增长和城市化进程的加快,中国超大城市的空气污染问题愈发受到关注。中国京津冀、长三角、珠三角乃至华北、华中大部均成为细颗粒物污染的重灾区。由化石燃料燃烧排放的一次污染物和由光化学氧化和多相反应而来的二次污染物对城市居民的环境和健康造成了极大地威胁。这些污染物以气溶胶的形式广泛存在与大气中,灰霾这种能见度小于十公里的气象现象就是由于高浓度的气溶胶污染造成的。大气气溶胶的化学成分、浓度、谱分布等在时间、空间尺度上具有较高的不确定性,使得大气气溶胶仿真成为地球科学领域研究的难点问题。在灰霾发展过程早期阶段,气溶胶浓度上升速度极快,对该过程的仿真难度很大。群体平衡方程(PBE)能够描述工业过程中离散相体系的离散相颗粒实体的尺度分布(粒径分布等)及其相间微观行为(聚并和破碎等),从而成为和传统双流体方程耦合来描述离散相系统的有效工具。群体平衡方程呈现内部属性坐标和外部空间、时间坐标的双重特性,且方程中通常有微分、单重积分或多重积分项,形式极其复杂,目前得不到一般意义的分析解,数值求解成为主要手段。文中采用群体平衡方程描述细颗粒的分布状态,利用以体积为内部属性的矩方法(QMOMV)对颗粒分布的变化过程进行求解,发展了传统的PBE求解方法。以各向同性离散相系统的实体聚并、实体破碎和长大等为例,介绍矩积分方法的求解过程。本文针对2015年12月在西安市发生的一次严重灰霾事件,采用FMPS监测颗粒物粒径分布,结合气象条件演变和其他污染物浓度,发展了传统气溶胶碰并模型,对群体平衡方程的矩方法进行修正。如图1所示,准确模拟该事件中细颗粒物浓度的变化和粒径的演变。
引文