Математическая модель эволюции аэрозоля с учетом испарения и коагуляции капель

Аннотация

Для решения задачи очистки и дезинфекции воздуха и поверхностей помещений с использованием аэрозолей необходимо понимать закономерности их эволюции. Наиболее перспективны мелкодисперсные аэрозоли с большой удельной поверхностью частиц. Предложена математическая модель распространения аэрозоля с каплями размером до 100 мкм в воздухе помещений. При этом учтены процессы испарения, диффузии, коагуляции капель, осаждения под действием силы тяжести и на стенках. Получены аналитические выражения для оценки массы капель, их размеров и концентрации в воздухе и на поверхностях в зависимости от времени. Проведено параметрическое исследование модели для оценки степени влияния условий распыления и физико-химических свойств жидкости. Введено выражение для коэффициента скорости осаждения частиц, зависящего от их размера нелинейно, определен критический диаметр, при котором осаждение минимально, а частицы дольше остаются в воздухе. Исследовано испарение частиц и его зависимость от влажности. Разработаны аналитические выражения для изменения массы аэрозоля во времени для импульсных и непрерывных источников. Экспериментально определены свободные параметры модели. Результаты работы могут быть полезны для развития методов аэрозольной очистки и дезинфекции, оптимизации таких методов относительно размеров частиц в заданных условиях распыления

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 23-19-00875, https://rscf.ru/project/23-19-00875/)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Кудряшова О.Б., Шалунов А.В., Генне Д.В. и др. Математическая модель эволюции аэрозоля с учетом испарения и коагуляции капель. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 3 (120), с. 4--25. EDN: LYNJNG

Литература

[1] Левин Е.В., Окунев А.Ю., Цешковская Е.Ю. Экология помещений. Влияние строительных и отделочных материалов. Строительные материалы, 2021, № 6, с. 41--46. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-792-6-41-46

[2] Rosario Filho N.A., Urrutia-Pereira M., d’Amato G., et al. Air pollution and indoor settings. World Allergy Organ. J., 2021, vol. 14, iss. 1, art. 100499. DOI: https://doi.org/10.1016/j.waojou.2020.100499

[3] Kudryashova O.B., Muravlev E.V., Antonnikova A.A., et al. Propagation of viral bioaerosols indoors. PloS ONE, 2021, vol. 16, no. 1, art. e0244983. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0244983

[4] Gonzalez-Martin J., Kraakman N.J.R., Perez C., et al. A state-of-the-art review on indoor air pollution and strategies for indoor air pollution control. Chemosphere, 2021, vol. 262, art. 128376. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.128376

[5] Andersen B.M., Rasch M., Hochlin K., et al. Decontamination of rooms, medical equipment and ambulances using an a

[6] Крючков А.В., Смирнов М.Б., Бакулин В.М. Технические средства для проведения аэрозольной дезинфекции помещений. Дезинфекционное дело, 2019, № 1, c. 5--11. EDN: YZIKIP

[7] Мыльников И.К. Разработка технических требований к системам подавления дыма в помещениях и на путях эвакуации при пожаре. Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России, 2000, № 3, c. 46--49. EDN: SWTIGH

[8] Белоусов В.В., Бодряга В.В., Недопекин Ф.В. Подавление выбросов бурого дыма при переливах чугуна азотно-водным аэрозолем. Вестник Донецкого национального университета. Сер. Г. Технические науки, 2018, № 2, c. 68--72. EDN: ZBMPSP

[9] Кондрашин Н.А. Современные технологии увлажнения воздуха. АВОК, 2021, № 5, c. 52--55. EDN: UDTELZ

[10] Semeniuk K., Dastoor A. Current state of atmospheric aerosol thermodynamics and mass transfer modeling: a review. Atmosphere, 2020, vol. 11, iss. 2, art. 156. DOI: https://doi.org/10.3390/atmos11020156

[11] Тукмаков А.Л., Ахунов А.А. Эволюция состава и изменение характера колебаний коагулирующей газовзвеси в волновом поле акустического резонатора. ТВТ, 2022, т. 60, № 6, c. 873--879. EDN: GAERHK. DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364422050131

[12] Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Голых Р.Н. Метод расчета ультразвуковой коагуляции частиц размером менее 2,5 мкм в трехмерных вихревых и турбулентных акустических течениях. Сибирский журнал индустриальной математики, 2024, т. 27, № 1, c. 72--86.

[13] Антонникова А.А., Коровина Н.В., Кудряшова О.Б. Ультразвуковое осаждение мелкодисперсного аэрозоля. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2014, т. 324, № 2, c. 57--62. EDN: SALFWX

[14] Kudryashova O.B., Pavlenko A.A., Titov S.S. Symmetry in aerosol mechanics. Symmetry, 2022, vol. 14, iss. 2, art. 363. DOI: https://doi.org/10.3390/sym14020363

[15] Хмелев В.Н., Шалунов А.В. Экспериментальное исследование коагуляции аэрозолей при формировании вихревых течений в неоднородном ультразвуковом поле. ТВТ, 2024, т. 62, № 2, c. 279--286. DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364424020164

[16] Sheikhnejad Y., Aghamolaei R., Fallahpour M., et al. Airborne and aerosol pathogen transmission modeling of respiratory events in buildings: an overview of computational fluid dynamics. Sustain. Cities Soc., 2022, vol. 79, art. 103704. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scs.2022.103704

[17] Kudryashova O., Shalunov A., Genne D., et al. Innovative acoustic-hydraulic method for high-performance fine liquid atomization. Appl. Sci., 2023, vol. 13, iss. 22, art. 12330. DOI: https://doi.org/10.3390/app132212330

[18] Kudryashova O.B., Korovina N.V., Pavlenko A.A., et al. Aerosol cloud propagation in a closed space. J. Eng. Phys. Thermophys., 2015, vol. 88, pp. 568--574. DOI: https://doi.org/10.1007/s10891-015-1224-4

[19] Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. М., Изд-во АН СССР, 1958.

[20] Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М., Изд-во АН СССР, 1955.

[21] Davies C.N., Aylward M., Leacey D. Impingement of dust from air jets. AMA Arch. Ind. Hyg. Occup. Med., 1951, vol. 4, no. 4, pp. 354--397.

[22] Thomson W. On the equilibrium of vapour at a curved surface of liquid. Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 1872, vol. 7, pp. 63--68. DOI: https://doi.org/10.1017/S0370164600041729

[23] Langmuir I. Chemical reactions at very low pressures. I. The clean-up of oxygen in a tungsten lamp. J. Amer. Chem. Soc., 1913, vol. 35, iss. 2, pp. 105--127. DOI: https://doi.org/10.1021/ja02191a001

[24] Hussein T., Hruska A., Dohanyosova P., et al. Deposition rates on smooth surfaces and coagulation of aerosol particles inside a test chamber. Atmos. Environ., 2009, vol. 43, iss. 4, pp. 905--914. DOI: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.10.059

[25] Smoluchowski M. Three reports on diffusion, Brownian molecular movement and coagulation of colloid particles. Phys. Z., 1916, vol. 17, no. 557-571, pp. 585--599.

[26] Friedlander S.K. Smoke, dust, and haze. Oxford Univ. Press, 2000.