本發(fā)明是屬于利用激光梯度力來消除大氣中霧霾粒子的方法，特別涉及一種利用激光光梯度力消除氣溶膠霧霾粒子的方法。

背景技術(shù)：

霧霾，是空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔?/u>等形成的氣溶膠粒子，目前，氣溶膠霧霾越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重危害人們的健康及生活，面對(duì)頻發(fā)的霧霾及大氣污染，引發(fā)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的極大興趣，進(jìn)而對(duì)大氣污染進(jìn)行研究。目前國(guó)外大城市對(duì)于霧霾的治理，大概有以下幾種措施：一、是政治手段，政府大力推動(dòng)新能源汽車、公共交通和綠色交通；二、是法律手段，通過嚴(yán)格監(jiān)管強(qiáng)制督促實(shí)施環(huán)保方案；三、是經(jīng)濟(jì)手段，如通過排污權(quán)交易或者實(shí)施相應(yīng)的財(cái)稅政策節(jié)能減排；四、是環(huán)境手段，如搞綠化，多種樹。

當(dāng)前，面對(duì)霧霾，人們束手無策，只能采取一些其它措施防霧霾，如減少外出或減少戶外活動(dòng)、外出時(shí)一定要戴口罩、減少戶外鍛煉、關(guān)閉門窗以及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和人們生活習(xí)慣的改變等?？v觀國(guó)內(nèi)外專家治理霧霾的認(rèn)識(shí)只是停留在霧霾形成機(jī)理，盡管各地政府治霾措施都在加緊實(shí)施，但是，霧霾卻是去而復(fù)返。這些霧霾的治理措施需要相當(dāng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃和實(shí)施才能遏止，短期內(nèi)不能消除霧霾，以及提出治理霧霾的方法實(shí)施只是治標(biāo)不治本，效果微乎其微，非常有限。迄今為止，國(guó)內(nèi)外還沒有涉及用激光光梯度力消除霧霾的相關(guān)內(nèi)容。

激光光梯度力完全可以破壞大氣中霧霾顆粒所受力的平衡體系。因此，用激光光梯度力消除霧霾是可行的，這種新的解決霧霾的方法對(duì)人們的實(shí)際生活、環(huán)保及創(chuàng)建美麗的藍(lán)天具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種利用激光光梯度力消除氣溶膠霧霾粒子的方法，該用激光光梯度力消除霧霾，保護(hù)環(huán)境。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種利用激光光梯度力消除氣溶膠霧霾粒子的方法，具體步驟如下：

第一步：霧霾顆粒在大氣中的受力

霧霾顆粒在大氣流中所受力為：氣流拽引阻力F_r、旋轉(zhuǎn)升力、Saffman力、Basset力、重力和浮力、范德華力、靜電力、虛假質(zhì)量力、Basset力等，計(jì)算過程中，可以忽略其他次要力；

1).顆粒所受氣流拽引阻力F_r

${\stackrel{\→}{F}}_r=({\mathrm{\ρ}}_g{A}_g{C}_D/2)|{\stackrel{\→}{u}}_g-{\stackrel{\→}{u}}_p|({\stackrel{\→}{u}}_g-{\stackrel{\→}{u}}_p)---\left(1\right)$

式中，ρ_g為流場(chǎng)中氣體的密度；kg/m³；

A_g為顆粒物在與空氣主流流速垂直面上的投影；

C_D為粘性阻力系數(shù)，取C_D＝24/Re；

u_g，u_p-分別為氣流和霧霾粒子的速度，m³/s；

2).顆粒由于自轉(zhuǎn)而具有的升力，效應(yīng)旋轉(zhuǎn)升力F_m

$F_m=\frac{1}{8}{\mathrm{\π\ρ}}_p{d}_p^3({\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_g-{\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_p)\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

霧霾粒子并非球型粒子，故引入修正系數(shù)K

$F_m=\frac{K}{8}{\mathrm{\π\ρ}}_p{d}_p^3({\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_g-{\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_p)\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}---\left(3\right)$

式中，d_p為霧霾粒子直徑，m；

ρ_p為霧霾粒子密度，kg/m³；

ω為霧霾粒子旋轉(zhuǎn)速度，m³/s；

3).顆粒在有速度梯度的流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于顆粒上下部分的流速不同，顆粒將受到一個(gè)沿高度方向力的作用，當(dāng)顆粒上部的速度高于下部的速度時(shí)，此力為向上的Saffman升力F_s：

$F_s=1.61{\left({\mathrm{\μ}}_g{\mathrm{\ρ}}_g\right)}^{1/2}{d}_p^2(u_g-u_p)|{\mathrm{du}}_g/dy{|}^{1/2}---\left(4\right)$

式中，μ_g為氣體動(dòng)力粘度，Pa.s。其他符號(hào)同前；

4).范德華力

$F_a=\frac{2{\mathrm{\πwd}}_p}{3}\[\frac{1}{4}{\left(\frac{h}{z_0}\right)}^{-8}-{\left(\frac{h}{z_0}\right)}^{-2}\]---\left(5\right)$

其中，w為粘附功，h為顆粒間的間隙距離，z₀為范德華力平衡間距(0.4nm).

根據(jù)牛頓第二定理可得：

$m\frac{d{\stackrel{\→}{u}}_p}{dt}=\mathrm{\Σ}\stackrel{\→}{F}---\left(6\right)$

其中，為霧霾粒子所受的合力，力在x軸上和y軸分解經(jīng)化簡(jiǎn)得：

$\frac{d(u_p-u_g)}{dt}=-\frac{1}{\mathrm{\τ}}(u_p-u_g)+A/\mathrm{\τ}---\left(7\right)$

$\frac{d(w_p-w_g)}{dt}=-\frac{1}{\mathrm{\τ}}(w_p-w_g)+B/\mathrm{\τ}---\left(8\right)$

其中,

第二步：激光光梯度力的分析及計(jì)算

1)激光梯度力

光梯度力激光的本質(zhì)是電磁波，在激光范圍內(nèi)的微?？煽醋魇窃谝痪鶆驎r(shí)變電場(chǎng)內(nèi)，且微粒本身被電場(chǎng)所極化，被極化的微粒受電場(chǎng)力的吸引有移向電場(chǎng)較強(qiáng)區(qū)域的傾向，對(duì)激光微束而言，這種傾向就是朝向焦點(diǎn)的梯度力.不均勻激光場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生梯度力F_grad，梯度力大小可由下式給出：

$F(r,t)=\[p(r,t)\▿\].E(r,t)$

2)激光在大氣中的衰減情況

a.大氣引起激光衰減用beer表示為：

式中，I(R)是波長(zhǎng)為λ的激光在大氣中傳輸距離為R后的光強(qiáng)；I₀是激光發(fā)射出的光束強(qiáng)度；μ(r,λ)是大氣的衰減系數(shù)，

μ(λ)＝A_m(λ)+A_α(λ)+S_m(λ)+S_α(λ) (10)

A(λ)是吸收系數(shù)，S(λ)是散射系數(shù)，大氣衰減系數(shù)的單位為：Km^-1，下表m及α分別表示分子和氣溶膠。

b.霧霾粒子引起激光衰模型

由于霧霾特征較復(fù)雜，實(shí)際中，以下式經(jīng)驗(yàn)公式估算霧霾衰減系數(shù)：

$\mathrm{\μ}=\frac{3.912}{V_m}{\left(\frac{0.55}{\mathrm{\λ}}\right)}^a$

第三步：激光光梯度力恒大于霧霾顆粒在大氣中的受力，即霧霾粒子在大氣中所受力的力平衡體系被破壞，使霧霾粒子滿足沉降條件，從而使霧霾顆粒沉降。

霧霾粒子所受的合力的算法是用四階Runge-Kutta法求解各力數(shù)值解。

本發(fā)明的技術(shù)效果：在霧霾濃度為100ug-750ug，傳輸200m時(shí)，分析了強(qiáng)度為2×10²⁰w/cm²的激光經(jīng)衰減后的激光梯度力數(shù)量級(jí)恒大于其主要力(空氣拽阻力、范德華斥力、旋轉(zhuǎn)升力)的數(shù)量級(jí)，激光光梯度力完全可以破壞這些力的作用效果，進(jìn)一步證實(shí)了激光光梯度力完全可以破壞霧霾粒子的力平衡體系，使霧霾粒子達(dá)到沉降條件。

具體實(shí)施方式

霧霾顆粒在大氣中的受力分析

霧霾顆粒在大氣流中所受力為：氣流拽引阻力F_r、旋轉(zhuǎn)升力、Saffman力、Basset力、重力和浮力、范德華力、靜電力、虛假質(zhì)量力、Basset力等，計(jì)算過程中，可以忽略其他次要力。

1).顆粒所受氣流拽引阻力F_r

${\stackrel{\→}{F}}_r=({\mathrm{\ρ}}_g{A}_g{C}_D/2)|{\stackrel{\→}{u}}_g-{\stackrel{\→}{u}}_p|({\stackrel{\→}{u}}_g-{\stackrel{\→}{u}}_p)---\left(1\right)$

式中，ρ_g為流場(chǎng)中氣體的密度；kg/m³；

A_g為顆粒物在與空氣主流流速垂直面上的投影；

C_D為粘性阻力系數(shù)，取C_D＝24/Re；

u_g，u_p-分別為氣流和霧霾粒子的速度，m³/s。

2).顆粒由于自轉(zhuǎn)而具有的升力。效應(yīng)旋轉(zhuǎn)升力F_m

$F_m=\frac{1}{8}{\mathrm{\π\ρ}}_p{d}_p^3({\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_g-{\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_p)\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

霧霾粒子并非球型粒子，故引入修正系數(shù)K

$F_m=\frac{K}{8}{\mathrm{\π\ρ}}_p{d}_p^3({\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_g-{\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_p)\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}---\left(3\right)$

式中，d_p為霧霾粒子直徑，m；

ρ_p為霧霾粒子密度，kg/m³；

ω為霧霾粒子旋轉(zhuǎn)速度，m³/s。

3).顆粒在有速度梯度的流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于顆粒上下部分的流速不同，顆粒將受到一個(gè)沿高度方向力的作用。當(dāng)顆粒上部的速度高于下部的速度時(shí)，此力為向上的Saffman升力F_s：

$F_s=1.61{\left({\mathrm{\μ}}_g{\mathrm{\ρ}}_g\right)}^{1/2}{d}_p^2(u_g-u_p)|{\mathrm{du}}_g/dy{|}^{1/2}---\left(4\right)$

式中，μ_g為氣體動(dòng)力粘度，Pa.s。其他符號(hào)同前。

4).范德華力(未接觸)

$F_a=\frac{2{\mathrm{\πwd}}_p}{3}\[\frac{1}{4}{\left(\frac{h}{z_0}\right)}^{-8}-{\left(\frac{h}{z_0}\right)}^{-2}\]---\left(5\right)$

其中，w為粘附功，h為顆粒間的間隙距離，z₀為范德華力平衡間距(0.4nm).

根據(jù)牛頓第二定理可得：

$m\frac{d{\stackrel{\→}{u}}_p}{dt}=\mathrm{\Σ}\stackrel{\→}{F}---\left(6\right)$

其中，為霧霾粒子所受的合力，力在x軸上和y軸分解經(jīng)化簡(jiǎn)得：

$\frac{d(u_p-u_g)}{dt}=-\frac{1}{\mathrm{\τ}}(u_p-u_g)+A/\mathrm{\τ}---\left(7\right)$

$\frac{d(w_p-w_g)}{dt}=-\frac{1}{\mathrm{\τ}}(w_p-w_g)+B/\mathrm{\τ}---\left(8\right)$

其中,

2用四階Runge-Kutta法求解各力數(shù)值解

3激光光梯度力的分析及計(jì)算

3.1激光梯度力

光梯度力激光的本質(zhì)是電磁波，在激光范圍內(nèi)的微粒可看作是在一均勻時(shí)變電場(chǎng)內(nèi)，且微粒本身被電場(chǎng)所極化，被極化的微粒受電場(chǎng)力的吸引有移向電場(chǎng)較強(qiáng)區(qū)域的傾向，對(duì)激光微束而言，這種傾向就是朝向焦點(diǎn)的梯度力.不均勻激光場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生梯度力F_grad，梯度力大小可由下式給出：

$F(r,t)=\[p(r,t)\▿\].E(r,t)$

3.2激光在大氣中的衰減情況

1)大氣引起激光衰減用beer表示為：

式中，I(R)是波長(zhǎng)為λ的激光在大氣中傳輸距離為R后的光強(qiáng)；I₀是激光發(fā)射出的光束強(qiáng)度；μ(r,λ)是大氣的衰減系數(shù)，

μ(λ)＝A_m(λ)+A_α(λ)+S_m(λ)+S_α(λ) (10)

A(λ)是吸收系數(shù)，S(λ)是散射系數(shù)，大氣衰減系數(shù)的單位為：Km^-1，下表m及α分別表示分子和氣溶膠。

2)霧霾粒子引起激光衰模型

由于霧霾特征較復(fù)雜，實(shí)際中，以下式經(jīng)驗(yàn)公式估算霧霾衰減系數(shù)：

$\mathrm{\μ}=\frac{3.912}{V_m}{\left(\frac{0.55}{\mathrm{\λ}}\right)}^a$

3.3激光在霧霾均勻介質(zhì)中的光梯度力

經(jīng)計(jì)算分析不同濃度下，激光光梯度力的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒所受的阻力和范德華力及旋轉(zhuǎn)升力，從各個(gè)方向加梯度力：

1、激光光梯度不僅可以使空氣拽阻引力的作用效果減小，減小粒子在氣流中加速的程度，而且破壞了粒子與粒子之間依靠德華力斥力形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了粒子擴(kuò)散，不易粒子堆積增多；

2、激光光梯度力恒大于重力，在激光梯度力的作用下粒子不再被托起，而是在梯度力的作用下，粒子間的力平衡被破壞，粒子便沉降。

具體步驟：

1、霧霾粒子在大氣中的受力計(jì)算

1)由牛頓第二定理得到霧霾粒子在大氣中的受力方程組如下：

X軸上：

$\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}_p^3{p}_p\frac{{\mathrm{du}}_p}{dt}=3{\mathrm{\π\μ}}_g{d}_{p}f(u_g-u_p)+\frac{3}{2}{d}_p^2{\left({\mathrm{\π\ρ}}_g{\mathrm{\μ}}_g\right)}^{\frac{1}{2}}{\∫}_0^l\frac{d\mathrm{\τ}}{{(t-\mathrm{\τ})}^{\frac{1}{2}}}{\∫}_0^l(\frac{{\mathrm{du}}_g}{dt}-\frac{{\mathrm{du}}_p}{dt})$

Y軸上：

$\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}_p^3{p}_p\frac{{\mathrm{du}}_p}{dt}=3{\mathrm{\π\μ}}_g{d}_{p}f(u_g-u_p)+\frac{3}{2}{d}_p^2{\left({\mathrm{\π\ρ}}_g{\mathrm{\μ}}_g\right)}^{\frac{1}{2}}{\∫}_0^l\frac{d\mathrm{\τ}}{{(t-\mathrm{\τ})}^{\frac{1}{2}}}{\∫}_0^l(\frac{{\mathrm{dw}}_g}{dt}-\frac{{\mathrm{dw}}_p}{dt})$

$-\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}_p^3{\mathrm{\ρ}}_{p}g+\frac{1}{8}{\mathrm{\π\ρ}}_g{d}_p^3(u_g-u_p)\mathrm{\ω}+1.61{\left({\mathrm{\μ}}_g{\mathrm{\ρ}}_g\right)}^{\frac{1}{2}}{d}_p^2(u_g-u_p{\left(\frac{{\mathrm{du}}_g}{dy}\right)}^{\frac{1}{2}}$

2)用龍哥庫(kù)塔方法可得所受主要力的最大數(shù)量級(jí)(1e-12)N；

2、激光光梯度力的計(jì)算：

距地面300m,功率為(500-1000)w的激光在霧霾粒子形成的均勻介質(zhì)中，對(duì)濃度(70μg/cm³-700μg/cm³)的霧霾粒子，由公式:

$F(r,t)=\[p(r,t)\▿\].E(r,t)$

可計(jì)算出激光光梯度力的數(shù)量級(jí)范圍為(1e-11至1e-9)N；

3、在霧霾濃度為(70μg/cm³-700μg/cm³)時(shí)，激光光梯度力的數(shù)量級(jí)(1e-11至1e-9)N恒大于霧霾粒子所受主要力的數(shù)量級(jí)(1e-12)N，激光光梯度力完全可以破壞霧霾粒子的力平衡體系，使得霧霾粒子沉降。

激光在霧霾均勻介質(zhì)中的光梯度力

經(jīng)計(jì)算分析不同濃度下，激光光梯度力的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒所受的阻力和范德華力及旋轉(zhuǎn)升力，從各個(gè)方向加梯度力：

1、激光光梯度不僅可以使空氣拽阻引力的作用效果減小，減小粒子在氣流中加速的程度，而且破壞了粒子與粒子之間依靠德華力斥力形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了粒子擴(kuò)散，不易粒子堆積增多；

2、激光光梯度力恒大于重力，在激光梯度力的作用下粒子不再被托起，而是在梯度力的作用下，粒子間的力平衡被破壞，粒子便沉降。