根据图6(a)所示，随着表面张力的增加，液桥的最大高度和颗粒聚并时间呈现出递减趋势。液膜表面张力系数为0.030N/m时，液桥最大高度为0.109μm，液膜表面张力系数为0.072N/m时，液桥最大高度为0.081μm，降低了24.7%。这是因为表面张力的增加导致液体表面趋于收缩，分子之间更加紧密地排列，从而使液桥的高度减小。同时，表面张力系数较大的液桥对颗粒有更强的吸引力，使颗粒更快被拉回液膜表面，加快了湿颗粒的聚并过程。图6(b)显示了表面张力变化对各能量损耗部分的影响。非弹性碰撞引起的能量损失Ec对表面张力的变化不敏感，大约占初始动能的30%。由压差阻力引起的能量损失Ep是主要损耗部分，并且随着表面张力系数的增加而显著增加，当液膜表面张力系数为0.072N/m时，Ep占比总动能损失的47.9%。表面张力系数更大的液膜表面更加稳定，需要更大的力来改变表面形状或面积，这种力的存在引起了表面附近的压力差异，形成压差阻力。随着表面张力增大，压差阻力迅速增加，导致颗粒速度减慢和反弹高度减少，液桥力的作用距离也随之缩短。

图6   液桥行为特性及表面张力对能量损失的影响分析

3.2 液膜厚度的影响

液膜厚度是影响湿颗粒黏附的关键参数之一。在初始释放速度设为10m/s、液体表面张力系数固定为0.072N/m的模拟条件下，液膜厚度从0.05Rp增加至0.25Rp时湿颗粒碰撞过程的变化。根据模拟结果，不同液膜厚度的湿颗粒都均遵循类似的运动模式：液膜变形、反弹和聚并或分离。在所有情况下，颗粒1在最高点处的动能都完全耗尽，随后在液桥力和重力的共同作用下被拉回液膜表面，与颗粒2聚并在一起。整个碰撞过程中液桥保持稳定，没有发生破裂。值得注意的是，随着液膜厚度的增加，液体体积相应增加，但处于相同运动阶段的液桥高度却逐渐降低。

液膜直径对液桥最大高度，颗粒与液膜接触至发生碰撞所需时间的影响。当液膜厚度为0.05Rp时，液桥最大高度为0.34μm，随着液膜厚度的增加，液桥高度迅速减小，液膜厚度为0.25Rp时，液桥最大高度仅为0.34μm。液膜厚度为0.05Rp时两颗粒在0.006μs发生碰撞，随着厚度的增加，颗粒在接触液膜后需要进一步下降以克服更大的阻力，导致其速度迅速减小，从而延长了从接触液膜到发生碰撞的时间，当液膜厚度为0.05Rp时，碰撞时间延长至0.06μs。液膜厚度对能量耗散的影响，由压差阻力引起的能量损失Ep是主要损耗部分，随着液膜厚度增加，Ep显著增加。当液膜厚度达到0.25Rp时，压差阻力损失占比达到57.4%。此外，液膜增加也导致液桥变宽，液桥高度更低，表面张力做功的范围增大，但作用距离减小，Esf变化较小，约占总能量损失的22%。黏性阻力引起的能量损失最少，占总能量损失的10%以下，因此可以忽略其影响。

3.3 碰撞前相对速度的影响

在颗粒碰撞过程中，撞击速度是影响其反弹和黏附行为的关键因素之一。在颗粒法向碰撞过程中，改变碰撞前相对速度显著地影响了液桥的形态。模拟中液膜厚度被控制为0.05Rp，液体的表面张力系数为0.072N/m。颗粒1的初始释放速度在10~20m/s之间变化。结果显示，当释放初速度达到10m/s时，湿颗粒经历了接近、碰撞和聚并的三个明显阶段。然而，随着颗粒的初速度升至15m/s和20m/s，颗粒1在碰撞反弹，液桥也变得更长更细，最终导致液桥断裂。此外，初速度更高的湿颗粒在拉伸过程中形成的液桥也相应地达到了更高的高度。

撞击速度对液桥最大高度和碰撞时间的影响。碰撞前相对速度从10m/s增加至20m/s，湿颗粒碰撞时间从0.006μs缩短至0.002μs。由于速度更高的颗粒具有更高的初始动能，使得颗粒更能抵抗表面张力束缚，实现更显著的液桥拉伸，碰撞前相对速度为20m/s时，液桥最大高度能达到0.757μm，较10m/s时增加了0.417μm。碰撞前相对速度对能量耗散的影响，随着撞击速度的提高，耗散能量占初始动能的比例由100%减少到73.6%，颗粒分离时总动能并未被完全消耗。在较低初始速度时，颗粒最终发生聚并，压差阻力引起的Ep是最主要的能量损耗，占总动能损失的41.2%；而初始速度增大后，颗粒最终分离，表面张力成为主要的能量耗损部分，Esf最高占总动能损失的39.1%。

4 结论

通过耦合VOF模型、CSF模型和重叠网格模型，对微米级湿颗粒的法向碰撞过程进行了直接数值模拟。分析了表面张力、液滴直径和碰撞前相对速度对颗粒运动行为及其动能耗散的影响，为提升湿颗粒聚合效率，进而设计更高效的除尘系统提供了理论支持。得出以下主要结论。

（1）湿颗粒法向碰撞过程通常包括液膜变形、反弹和聚并或分离等运动模式，并且相对速度在15m/s以下时，颗粒更可能发生聚并现象。相对速度大于15m/s时，颗粒发生碰撞分离，此时动能损失主要是由表面张力引起的。

（2）表面张力增加会提高液桥对颗粒的吸引力，加速颗粒的聚并过程。压差阻力造成的能量损失是动能耗散的主要来源，当液膜表面张力系数为0.072N/m时，压差阻力占总动能损失的47.9%。

（3）随着液膜厚度增加，颗粒速度减小、反弹高度降低，同时液桥宽度增加，扩大了表面张力的作用面积，加强了液桥横向收缩，反弹高度从而进一步降低。