关键词：
霾污染
霾源识别
空间电荷密度
大气电场
电磁波衰减系数
无缝覆盖
静电除霾方案
净化空域
摘要：
近年来,霾污染已发展为全球环境污染的重要组成部分,不论是发达国家,还是发展中国家,霾污染对交通运输、人类健康和经济发展等构成了严重威胁。因此,实现对霾污染的科学治理已经成为化学、物理、大气、力学等学科共同关注的前沿科学问题之一。已有研究表明霾气溶胶是霾污染的主要成分,并且霾气溶胶跟沙尘天气中的颗粒物质相似,可携带不同性质的电荷,进而产生与风沙电场类似的霾电场。这样,对霾气溶胶带电特性的研究不仅可以使人们更深入地认识到霾电场对霾形成演化过程的影响,而且在揭示霾气溶胶对电磁波传播的影响以及寻求霾污染科学有效的治理等方面具有重要的科学意义。考虑到已有关于霾气溶胶带电特性的研究多在野外环境进行,而野外实验条件的复杂性和环境变量的不可控性严重制约了人们对霾气溶胶性质及其影响的认识。为此,本博士学位论文利用自主研发的霾气溶胶带电性质定量测量系统进行了一系列室内可控的定量实验,结合长时间的野外观测实验,揭示了霾气溶胶带电性质的一些新规律。以此为基础,构建了电磁波在带电霾气溶胶中传播时能量衰减的室内可控实验系统,并建立了宏观的理论预测模型,该模型计算结果与实验结果吻合良好。最后,提出了带电霾气溶胶在电场力作用下的运动模型并利用该模型讨论了静电除霾方案的可行性,给出了一些有意义的结果。1.第二章,介绍了自主研制的霾气溶胶带电性质定量测量系统,在条件变量可控的情形下开展了相关室内实验。结果显示,一次排放霾气溶胶的带电极性由燃料种类决定,而带电量则与燃烧的完全程度有关,燃烧越充分,排放的霾气溶胶带电量越大。霾颗粒中约有60%是带电的,且带正电、带负电和不带电颗粒在大气中是共存的。2.第三章,通过大量的野外实验分析,发现环境相对湿度RH>60%时,霾气溶胶的空间电荷密度和大气电场均会随相对湿度的增大而迅速增大,数值上比RH≤60%时大两到三个量级,以此为基础提出了新的雾霾和灰霾事件划分标准,即,雾霾RH>60%,灰霾RH≤60%。另外,灰霾期间空间电荷主要受一次排放气溶胶所带电荷的影响,可根据灰霾空间电荷的极性识别当地霾污染事件的主要污染源,雾霾气溶胶在电场力作用下会抑制气溶胶的垂向输运,从而可能导致污染加剧;3.第四章,构建了电磁波在霾气溶胶中传播时衰减系数的室内测试系统,该系统实现了气溶胶浓度、含水率和带电量等关键因素的定量可控,基于该装置,我们发现电磁波的衰减系数与气溶胶浓度成正比,并随气溶胶含水率和带电量的增大而线性增大等新的规律。本论文理论上从两个方面进行了分析,首先根据量纲理论给出了基于浓度因子、湿度因子和电导因子表征的电磁波衰减系数的一般形式,接着基于电磁波基本理论和能量守恒定理提出了一个确定霾气溶胶复介电常数的新方法,在此基础上,通过引入尺度转换系数,将微观上单个粒子的电导率和宏观上霾气溶胶等效荷质比结合,建立了一个计算电磁波在带电霾气溶胶中传播时衰减系数的预测模型,计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型,本论文以5G网络部署为应用背景,讨论了网络的无缝覆盖问题,当霾气溶胶含水率大于80%时,霾气溶胶所携带的水分和电荷可使3 cm波长电磁波信号覆盖范围降低80%以上。4.第五章,提出了带电霾颗粒在电场力作用下的运动模型,模拟结果表明在空气中施加空间电场可以在地表附近形成一个具有一定高度的净化空域,证实了静电除霾方案的可行性。考虑到基于静电吸附原理设计制造的静电除霾器存在吸附不完全和电晕极污染的缺点,本论文建议在电晕区前增设预吸附区来达到增强除霾效率和延长除霾器使用寿命的目的。
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