0 引言

大气颗粒物(PM)是指悬浮在大气中的固体和液体颗粒的总称。它是由来自不同的人为或自然污染源，由大量不同化学组分组成的一种复杂可变的大气污染物。按粒径大小可分为总悬浮颗粒物(TSP，即空气动力学直径≤100 μm的颗粒)、可吸入颗粒物(PM₁₀, 即空气动力学直径≤10 μm的颗粒)和细颗粒物(PM_2.5, 即空气动力学直径≤2.5 μm的颗粒)^[1]。

PM₁₀称为可吸入颗粒物是因为它是室内外环境空气质量的重要监测指标。PM_2.5为呼吸性颗粒物，通常也称为细颗粒物, 它甚至可进入血液系统中去，直接导致心血管病等疾病。国际标准化组织(ISO)提出的易引起儿童和成人发生肺部疾病的高危险性颗粒物为粒径小于2.4μm的颗粒物，与PM_2.5甚为接近。2000年12月英国专家研究认为细颗粒物反而是导致人类死亡率上升的主要原因，尤其是呼吸系统疾病及心肺疾病的死亡率。

1 问题的提出

正由于粉尘在生产生活中产生如此大的危害，有必要使含尘气体净化，还人们以清新的自然空气。因此各种除尘方式应运而生，如惯性除尘、湿式除尘、静电除尘、袋除尘、颗粒除尘等，相应的这些除尘理论研究较深入，但对于一般尘源控制研究较少，而系统研究粉尘的扬尘(尘化)机理的研究就更少。任何粉尘都要经过一定的传播过程，才能向空气中扩散。使尘粒从静止状态变成悬浮状态的过程称作“尘化”过程，弄清尘化机理是治理粉尘的首要问题。如果能完全弄清楚粉尘的扬尘机理，那么就有可能从源头上控制粉尘的飞扬; 所以有必要对微米级的粉尘颗粒扬尘机理进行研究，以期为控制微细粉尘的“尘化”源头提供借鉴。

在工矿企业内散状物料的输运、转运、破碎、筛分和包装等生产工艺过程均可能成为粉尘产生的根源。

2 对产生粉尘的作用力 2.1 机械力

在物料的处理过程中，粉尘颗粒可能受到设备部件给它的作用力，从而使它以较高的初速度向某方向运动，像被投掷的物体一样，从而离开粉体或物体，这种情况在破碎和筛分设备中最为常见。由于微细粉尘颗粒极小，可以忽略其所受重力的影响，这样可以简化其在机械力作用下的运动规律研究。但是，粉尘颗粒不能单纯依靠机械力给予的动能而四处飞扬，即机械力不是粉尘飞扬的根本原因。

2.2 随机力

由于气体分子在不停地做无规则的热运动而使微细颗粒做无规则的布朗运动所受力的随机性，因而称该力为随机力。

微细颗粒本身由于与大量进行热运动的气体分子相碰撞而作布朗运动，但单独依靠它的运动而得到的扩散是微不足道的(这是指粉尘粒径> 1 μm) ^[2]。

2.3 黏性力

粉尘颗粒依靠随机力和重力作用而得到的运动速度很小，不能成为粉尘扩散和飞扬的主要原因，只有在粉尘粒子直径小于1 μm的情况下才有意义。那么粉尘的扩散和飞扬只能由空气的流动而产生的，即空气给予粉尘颗粒的黏滞动力。

室内的空气流速一般控制在0.2~0.5m/s之间，通过送风装置送入车间内的空气流速可达到1~2 m/s，相对于机械力作用而产生的速度、热运动扩散速度和重力沉降速度高得多，此时，可以完全不计重力、机械力以及随机力作用。因而粉尘本身没有离开空气的作用力(弱)而独立运动的能力，只能随风飘扬，这就说明，在这些作用力中起决定性作用的是空气对粉尘的黏性力。

3 扬尘机理分析

粉状物料在输送及加工过程中可能受到剪切压缩空气、诱导空气流、室内通风造成的流动空气及设备运动部件转动生成的气流，都会使粉状物料中的细微粉尘颗粒首先从中分离而飞扬，然后由于空气的流动而引起粉尘的扩散，从而完成了从粉尘产生到扩散的过程。

对于粉尘由静止到随风飞扬的过程，其机理是非常复杂的。为了更好地说明问题，首先从最简单一种物理模型出发。

水平溜槽是生产中常用的一种运输工具。若槽上装的是散状颗粒物(如煤粉)，煤粉的表层存在一层薄的空气附面层。如若空气和水平输运的煤粉存在相对运动，如图 1，假设该粉尘颗粒为直径相同球状颗粒。由于某种原因，如振动、由空气流动而产生球形颗粒上下压差所形成的升力等，表层细微颗粒获得一个竖直向上的速度而脱离表层进入流动的空气。

为了更详细地说明，假设该球形颗粒粉尘的直径D为1 μm，空气的主流速度v为1 m/s，空气的密度为ρ_空，该粉尘的真密度为ρ_尘，在标准状况下，空气运动黏性系数υ取15.7×10^-6 m²/s，则该颗粒由水平速度为0状态，在空气黏滞动力作用下，迅速加速，达到和水平空气主流速度一致，从而悬浮在空气中。空气黏滞力由下式计算:

(1)

其中:C为黏滞动力系数，与R_e (雷诺数)有关; A为颗粒物在与空气主流速度垂直面上的投影; v为空气主流速度。

则由牛顿第二定律得:

(2)

由于，所以C取，即:

(3)

(4)

联立(1)、(2)、(3)、(4)式得:

其中:;

由此可见，直径为1 μm的粉尘颗粒在一般气流风速下，由于黏性力作用其加速度可达到约10⁴~10⁶ m/s²。可见其在很短的时间内即可达到和空气主流速度一致，即十万分之一秒即可达到1 m/s。而重力加速度相对于此加速度非常小，所以在此忽略重力和浮力的影响是适当的。

上面的物理模型是建立在空气处于层流这种理想状况下的。而实际上，一方面大部分扬尘点是处于非层流状态，即紊流状态，在该流态当中产生大量的空间涡流，引发气动浮力，而气动力的空间方向是不确定的，其中向上的气动分力引起粉尘颗粒的悬浮; 另一方面气体流速分布的偏差将造成粉尘颗粒上下部的压力差，根据流体力学原理，空间某点的流速越高，该点的静压力越低，反之亦然，因此，当粉尘颗粒上部流速高于其下部的流速时，上部的静压力就会低于下部，从而粉尘颗粒获得向上的升力。还有在粉尘颗粒脱离表面后进入空气的过程中由于微细粉尘颗粒发生空间旋转而引发的升力，这时粉尘颗粒所作的运动有点类似于足球场上经典的“香蕉球”。

把这种由于微细粉尘颗粒发生空间旋转而引发的升力现象称为马格努斯效应。由此可见，对于微细粉尘的扬尘机理是非常复杂的^[2-4]。

4 结论

由于粉尘的搬运是经常发生的，在粉尘粒子集体迁移的过程中，部分微细的粉尘粒子首先脱离粉尘表面而进入大气，成为和空气一样静止的悬浮粒子(此时可假设空气是不动的)。经过对此过程的分析和计算得到以下几点:

(1) 对于大于1 μm小于10 μm的粉尘颗粒在扬尘过程中可忽略其所受的重力、浮力和随机力的影响，而机械力、由于压差而产生的升力及黏滞动力是其关键因素;

(2) 在理想情况下，对于微米级微细粉尘颗粒从静止到获得与主流速度一致所需时间极为短暂，可以视为瞬间完成;

(3) 微细粉尘扬尘过程是极其复杂多变的，主要原因是大部分扬尘点是处于非层流状态。