二氧化钛纳米颗粒的生成与成长过程的数值模拟研究

论文摘要

纳米材料所体现的优越特性使其获得方法越来越受重视。化学气相沉积法是制备纳米粉体众多方法之一，该方法所得颗粒纯度高，同时具有良好的热稳定性等优点，适合粉体材料的大规模工业生产。例如日常用的碳黑、钛白粉颜料（TiO2）等都可以用该方法制得。本文综合了流体动力学和颗粒动力学的基本理论，对火焰中二氧化钛颗粒的生成，运动，长大等过程进行了详细的数值模拟。首先应用CFD商业软件FLUENT，对颗粒生成及成长的环境进行模拟，计算得到接近实验结果的火焰场，并对不同工况下计算得出的火焰场进行比较分析，得到火焰结构特点，为颗粒成长部分的模拟提供良好的条件。其中丙烷的燃烧及四氯化钛的氧化过程采用单步化学反应的假设；化学反应的速度采用涡团耗散模型计算，湍流扩散火焰场通过非平衡壁面函数法下的RNGκ—ε模型进行模拟，从而得到接近实验条件下的温度场，速度场和组分场。其次利用FLUENT的UDF功能，引入采用c语言编写的颗粒动力学数学模型。该模型是在颗粒碰撞模型的基础上，引入了成核及气体对TiO2颗粒的稀释作用。模型中对气体向颗粒的凝结成核过程进行了简化，假定所有的先驱物TiCl4在反应后，首先全部转化为自由的TiO2分子单体，这些单体即为最初级的颗粒；接着，初级颗粒在前期算得的火焰场中不断相互碰撞、凝并和长大。由于颗粒尺寸小且薄，颗粒的运动可看作与气体的相似，同时忽略了颗粒相对流体的影响。模拟计算结果显示该模型对颗粒成长过程的预测与实验数据相符合。同时文中还分析了火焰温度，火焰长度，火焰结构和气体的稀释等因素对生成颗粒或者颗粒聚集块尺寸的影响。结果表明，温度在颗粒的成长过程中发挥着主导的作用，温度越高，颗粒长大的越快；颗粒在火焰中的停留时间对颗粒平均直径也有一定的影响，火焰越长，停留时间越长，出口颗粒的平均直径越大；稀释作用对颗粒尺寸的影响也很明显，稀释作用越强烈，对颗粒的增长速度抑制作用越强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号意义和单位
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米材料的结构性能和特性
• 1.1.2 纳米粉体的制备方法概述
• 1.2 国内外纳米技术的研究进展
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 数值模拟
• 1.3 本文的研究方法概述
• 1.3.1 商业软件FLUENT简介
• 1.3.2 本文研究内容及方法步骤
• 2 湍流扩散火焰的数值模拟
• 2.1 实验概述
• 2.2 数学模型的建立
• 2.2.1 通用控制方程
• 2.2.1.1 气体状态方程
• 2.2.1.2 控制方程通用微分形式
• 2.2.2 湍流的模拟
• 2.2.2.1 湍流数值模拟的概述
• 2.2.2.2 壁面函数法
• 2.2.3 辐射的模拟
• 2.2.3.1 辐射的基本概念
• 2.2.3.2 辐射的数值模拟
• 2.2.4 化学反应的模拟
• 2.3 数值模拟计算过程
• 2.3.1 数值方式的选取和计算区域的网格划分
• 2.3.2 边界条件的处理
• 2.3.3 物性的选取
• 2.4 结果和讨论
• 2.4.1 温度场分布
• 2.4.2 组分分布
• 2.5 小结
• 3 颗粒成长过程的数值模拟
• 3.1 火焰场中的浮质动力学
• 3.2 颗粒动力学模型
• 3.3 颗粒动力学和计算流体力学的结合
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 颗粒在燃烧器内的成长过程的计算结果
• 3.4.1.1 温度场对颗粒的影响
• 3.4.1.2 火焰结构对颗粒平均直径的影响
• 3.4.2 稀释作用对颗粒成长的影响
• 3.4.3 热迁移的初步探讨
• 3.4.4 颗粒的尺寸分布
• 3.5 结论
• 4 结论与展望
• 4.1 本文的结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢