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人居學院博士研究生答辯安排信息表(賀沅平)

日期:2019-11-12 點擊數: 來源:

學號

4116022001

姓名

賀沅平

導師

顧兆林 教授

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研究方向

大氣顆粒物

論文題目

大氣顆粒的荷電機制、數值模擬及外場觀測研究

中文摘要

人類所處的大氣環境,如近地層和對流層,不僅包括氣體,還含有大量液態或固態懸浮顆粒物,這些顆粒物統稱為氣溶膠顆?;虼髿忸w粒。本課題主要討論近地層中灰霾顆粒和對流層中云顆粒的運動及荷電行為。氣流夾帶顆粒運動過程中由于顆粒接觸/碰撞、離子擴散/吸附等作用會使得顆粒攜帶電荷,進而影響到顆粒運動行為以及粒徑分布。重灰霾天氣以及強雷暴天氣是自然界兩大典型氣象過程,深刻理解它們的顆粒荷電機制對于解決環境問題具有重大意義,其物理模型都屬于氣–固兩相流運動。重灰霾事件常出現在靜穩天氣,氣溶膠顆粒間的作用力及大氣水分的相互作用是氣溶膠顆粒荷電及聚并的主要影響因素。雷暴云出現在強對流天氣,各種形態水分顆粒隨氣流的快速運動導致的顆粒內部熱不平衡及溫差起電,是雷暴天氣過程的基本起電機制。

本課題旨在研究大氣粒子的力學性質和動態演變過程,厘清大氣顆粒的碰撞、聚并和荷電過程。通過外場觀測實驗,獲得不同季節氣溶膠顆粒的荷電特征,分析了氣溶膠顆粒荷電行為與動態環境要素(例如,溫度、濕度)之間的關系;基于濕度參數及荷電實驗結果,采用離散單元方法(discrete element   method, DEM)模擬氣溶膠顆粒的碰撞、聚并和碎裂等行為,分析重灰霾天氣過程大氣濕度、顆粒荷電對顆粒間作用力及顆粒聚并行為的影響?;跍夭钇痣姷臋C制、雷暴天氣過程不同形態水分顆粒與大氣的傳熱特征分析,提出不同形態水分顆粒的非熱平衡起電機制以及雷暴過程的三階段演變模型及電場結構形成機制。主要研究內容如下:

1.    搭建顆粒荷電實驗裝置研究大氣顆粒物的荷電特征。在不同時間以及不同地區對近

地層氣溶膠顆粒進行電荷實驗觀測,分析顆粒荷電與大氣顆粒物濃度以及氣象要素的關系。實驗結果表明大部分氣溶膠顆粒帶有凈的正電荷或負電荷。細顆粒物PM2.5濃度的升高與顆粒的電荷量之間存在較強的滯后關系,說明灰霾的形成與顆粒荷電有關。大氣顆粒的基本電荷具有日變化和季節變化差異;冬季顆粒的平均荷電量高于夏季;沙塵天氣顆粒的平均荷電量比灰霾天氣下顆粒的平均荷電量低;在大風天氣,總懸浮顆粒(total suspended particulates,   TSPs)的區域傳輸以及增強的粒子間碰撞/接觸過程將影響大氣粒子的電荷特性。另外,通過對比西安市與渭南市在同一時期的空氣質量指數(AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3)、氣象條件以及顆粒荷電結果,發現氣溶膠顆粒的荷電量與大氣相對濕度(relative humidity, RH)、SO2濃度以及O3濃度具有強相關性。

2.    采用拓展的軟球離散單元法DEM模擬分析氣溶膠顆粒的聚并機理。通過分析不同粒徑顆粒在不同間距條件下顆粒之間的相互作用力,發現范德華力、液橋力、布朗力、靜電力在細顆粒運動過程中起主要作用。采用JKRJohnsonKendallRoberts)粘附理論,成功將粘附作用力(范德華力、液橋力、靜電力)以及布朗力引入到軟球DEM模型,拓展的軟球DEM模型可以更準確地描述大氣顆粒碰撞、聚并和碎裂等行為。通過顆粒吸水性測試得到大氣相對濕度與氣溶膠顆粒含水量之間的對應關系?;趯嶒灚@得的濕度比以及顆粒荷電量數據,在OpenFOAM平臺上對細顆粒的演變過程進行數值模擬,發現隨著環境濕度的增大,顆粒的聚并速率越大,這主要與液橋力、靜電力的改變有關。

3.    提出一種新的雷暴云內不同形態顆粒非熱平衡離子化起電機理。首先,綜述回顧冰晶–霰粒子的碰撞起電機制,包括顆粒內部電荷遷移、顆粒之間的電荷分離,并分析影響顆粒荷電符號及大小的影響因素(溫度、濕度、顆粒尺寸、顆粒形狀、相對速度),發現云顆粒荷電與溫差緊密相關。其次,通過比較雷暴強對流條件下冰粒子進入新環境的響應時間和熱松弛時間,發現雷暴中幾乎所有的云粒子均處于非熱平衡狀態。另外,通過比較非熱平衡離子化過程產生的荷電量和強雷暴云天氣電荷觀測數據,發現顆粒內部的非熱平衡過程以及顆粒之間的溫差作用是雷暴云顆粒起電的主要機制。區別于一般的熱電效應機理,非熱平衡離子化機制綜合考慮顆粒之間以及顆粒內部的熱電效應,可以更好地解釋動態雷暴云的發展以及起電過程。

4.    建立基于多相流特征分析的雷暴云演變動態模型?;诙嘞嗔鬟\動以及非熱平衡離子化理論,結合大氣對流、垂直濕度分布特性,將雷暴云的發展分為三個階段:多相顆?;旌?、顆粒荷電、形成電場。在基于多相流特征分析的雷暴云演變模型中,充分發展階段的上升氣流–下沉氣流的過渡層不僅僅是帶電顆粒大小分離區,還是電荷產生的主要區域。該模型成功地解釋了雷暴云中電場三區結構、電場四區結構以及更復雜電場結構的形成。此外,利用該模型能很好地解析深層對流云的電荷分布與冰雹等強降水之間的關系。

答辯時間

       2019 11 20   上午   下午   15:00開始

答辯地點

西安交通大學曲江校區西一樓A- 413

答辯秘書

羅昔聯

手機號碼

 

工作單位

西安交通大學

答辯評委

評委人數

姓名

職稱/是否博導

工作單位

 

1

李旭祥

教授     

西安交通大學

 

2

劉艷華

教授     

西安交通大學

 

3

金立文

教授     

西安交通大學

 

4

鄧順熙

教授     

長安大學

 

5

黃宇

教授     

中科院地球環境研究所

 

注:該生為西安交大-香港城市大學聯合培養博士研究生,香港城市大學導師組通過視頻參會方式全程參與答辯環節。

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