大气条件下气态污染物扩散系数与黏度联合获取和预测关联

With rapid economic development in China, air pollution has become a serious problem in recent years. Accurate transport property data of gaseous pollutants play a key role in the research on air pollution. Therefore, in this project, the transport properties of gaseous pollutants are investigated by both the experimental and theoretical approaches. First, an experimental system, based on the capillary method, is built for the accurate measurement of viscosity. The viscometer, with an estimated uncertainty of 0.5 %, works at temperatures from 200 to 700 K and at atmospheric pressure. Then, the viscosity of organic compounds and heavy metal vapor are measured, including ethylene, p-Xylene, HFC-134a, formaldehyde, methyl tert-butyl ether, and their binary mixtures, mercury vapor, and arsenic vapor. Next, new reduced collision integral equations are developed and used to calculate the diffusion coefficient of gaseous pollutants by the semi-empirical inversion method. Afterwards, the models of the transport properties of gaseous pollutants are presented by the group contribution method from the potential parameters of molecular groups. Finally, the LOESS technique is utilized to develop the correlations for the transport properties of gaseous pollutants, which cover a wide temperature range. The work of this project will assist the study of air pollution in the future.

近年来，随着我国经济的高速发展，大气污染问题日渐突出。气态污染物准确、可靠的输运性质数据是开展大气污染研究必须解决的关键问题之一。本项目跟随热物性领域的发展趋势，立足大气污染防治国家重大需求，采用实验和理论方法研究气态污染物的输运性质。搭建一套高精度的毛细管黏度测试系统，温度为200–700 K，压力为0.1 MPa，不确定度小于0.5 %。通过实验方法测量气态污染物中有机化合物和重金属蒸气的黏度，重点研究对象包括乙烯、对二甲苯、HFC-134a、甲醛、甲基叔丁基醚纯质及二元混合物、汞蒸气、砷蒸气，开发新的对比碰撞积分方程，根据半经验反转理论，预测气态污染物的扩散系数，借鉴“高阶基团贡献”思想，提取分子基团的势能参数，建立多种气态污染物输运性质模型，提供亟需的扩散系数和黏度数据，利用局部回归技术开发多种气态污染物的输运性质关联式，覆盖宽广的温度范围，为大气污染扩散研究提供科学支撑。

伴随着我国经济的持续发展，大气污染问题日益突出。大气污染物准确、可靠的理化性质基础数据是开展大气污染研究必须解决的关键问题之一。本项目立足大气污染防治国家重大需求，跟随热物性研究领域的发展趋势，分别采用实验和理论方法研究了多种重要大气污染物的物理化学性质。开展了大气化学反应速率常数实验系统研究，同时，基于量子力学从头算方法和气体动力理论研究了多种简单污染物的迁移性质，在此基础上，结合半经验反转理论研究了数种混合污染物的迁移性质。所取得的成果主要有：1)基于光腔衰荡光谱技术（cw-CRDS）和激光诱导荧光技术（LIF），搭建了一套气相化学反应速率常数测量系统。测量了甲基过氧自由基CH_3O_2与氢氧自由基OH反应速率常数，温度295 K，压力50 Torr。反应CH_3O_2 + OH -> Products速率常数测量结果为1.60*10^-10 cm^3.s^-1，考虑到拟合误差、激光发散和吸收横截面积误差等因素，反应速率常数包含测量不确定度的结果为(1.60+/-0.4)*10^-10 cm^3.s^-1。研究结果对于揭示RO_2自由基的大气化学和污染过程具有指导意义；2）采用量子力学从头算方法开发氪高精度二体势能，通过气体动力理论预测氪气迁移性质。计算的迁移性质包括黏度、热导率、质扩散系数和热扩散因子。研究的最低温度为116 K，最高温度为5,000 K。通过和相应文献数据的广泛对比验证了本研究理论计算结果的可靠性，为科学研究和工程实际提供了所需的高精度基础数据；3）根据气体动力理论，开展了氩气和和氦/氢混合物气相黏度、热导率、质扩散系数和热扩散因子从头算研究，涉及5种纯质和26种二元混合物。通过和大量文献数据的比较，验证了本文理论计算结果的可靠性，为科学研究和工业生产提供了准确的迁移性质基础数据；4）根据半经验反转理论，获得了多种混合污染物的分子间势能，包括R123-R134a、R123-R142b、R123-R152a、R142b-R134a和R142b-R152a。通过气体动力理论，由新的反转势能计算了上述气体低密度时的迁移性质，包括黏度、热导率、质扩散系数和热扩散因子。计算的最低温度为313.15 K，最高温度为973.15 K。与实验数据的比较表明，本文混合物计算结果准确，为相关领域的科学研究和工程应用提供了可靠的数据。