2023年，国防科技大学迎来了办学70周年。为推动创新驱动发展战略，全面展现国防科技大学光学工程学科建设发展的重要成果，中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》在芙蓉迎夏的6月与国防科技大学联合出版“国防科技大学?光学工程学科专刊”，并特邀国防科技大学电子对抗学院的顾有林教授为专刊撰写“气溶胶粒子凝聚模型研究进展” 综述文章，文中分析了气溶胶粒子的凝聚机理，阐述了几种主要的气溶胶粒子凝聚模型，介绍了凝聚模型在光学、天体物理学和动力学等领域的应用，总结了主要凝聚模型的优化，并对此进行了展望。
撰稿人：顾有林
论文题目：气溶胶粒子凝聚模型研究进展（特邀）
作者：顾有林，张熙，胡以华，孟凡昊，陈国龙，丁婉莹，何海浩
完成单位：国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室，先进激光技术安徽省实验室，国防科技大学
气溶胶粒子凝聚模型是当前气溶胶领域的研究热点之一，通常将悬浮在大气中且粒径大小在1纳米至100微米范围内的固体、液体或固液混合物粒子称作气溶胶粒子。它在生态环境和人类生产活动中广泛存在，主要组成包含燃烧电焊等产物、金属粉末、微生物粒子、粉尘尘埃等。气溶胶粒子可通过凝聚现象改变其浓度和粒度特性，从而达到运用除尘仪器进行净化防护，实现对气溶胶治理的目的。气溶胶粒子对可见光、红外及其它波段的电磁波具有吸收或散射作用，能直接影响大气能见度、降水过程和雾霾等，进而影响地区气候。此外，具有强消光特性的气溶胶能够遮蔽部分红外或可见光信号，降低敌方无人机侦察、光电观瞄或精确制导武器效能，保护己方重要设施设备安全。因此，研究气溶胶粒子在大气中的空间结构及运动状态对生态环境治理、气候变化控制和消光材料开发应用等方面具有重要意义。气溶胶粒子凝聚模型是利用蒙特卡洛或分子动力学等方法，模拟给定空间内所有粒子的随机运动轨迹，形成粒子间相切的复杂空间结构的数值模拟模型。它可用来描述自然界各种现象的凝聚过程，分析凝聚体结构性能。该模型是研究气溶胶沉降扩散过程的一个重要手段，可以为模拟星体尘埃粒子凝聚碰撞、粉尘或煤烟等粒子消光性能等方面实际应用研究提供依据。近年来，随着数值模拟仿真方法的不断发展，粒子凝聚过程的模拟逼真度需求不断提高。为了提高模拟的准确性，气溶胶粒子凝聚模型应考虑多因素对凝聚过程的影响，研究气溶胶粒子空间分布的实时演化特性，构建非球形粒子凝聚模型。基于此，从气溶胶粒子凝聚机理出发，分析影响粒子凝聚的主要因素及其基础理论，介绍了几种主要的气溶胶粒子凝聚模型，简要回顾了气溶胶粒子凝聚模型的应用现状和优化方向，最后提出了气溶胶粒子凝聚模型的发展趋势。气溶胶作为空气中分散的多相体系，粒子空间结构特征、粒子凝聚作用力以及环境因素等对气溶胶粒子凝聚过程均有影响，且各因素对凝聚过程的影响存在着一定耦合关系。首先，气溶胶粒子具有各种空间结构形状、粒径、密度、吸湿性、疏水性等物理特性及化学反应特性，在模拟过程中，粒子的粒径形状、大小、初始粒子浓度等空间结构特征均会导致凝聚体之间的距离、粒子间作用力、碰撞次数与凝聚状态发生变化，从而影响凝聚过程。其次，气溶胶粒子和团簇或团簇和团簇之间的引力和斥力等相互作用力以及剪切力等外力会影响碰撞粘附概率，改变凝聚速率，从而影响团簇结构特征，表现出不同的凝聚特性。再次，大气温度、湿度、PH值以及重力等环境会对气溶胶凝聚过程产生重要影响。如气溶胶粒子粒径分布范围不同，其受重力的沉降和凝聚速度等动力学性质有较大差异；或者在空气中吸湿凝结，与其他物质发生反应，也会使凝聚过程发生较大变化。下图1为多因素对气溶胶粒子凝聚影响示意图。
图1 多因素对气溶胶粒子凝聚示意图
在复杂的环境中，粒子凝聚过程往往会受到多种因素的共同作用影响，进而影响其凝聚动力学特性和凝聚体结构特征等。由于自然凝聚过程的复杂性，针对具体的应用领域时，还需要考虑风力、化学键等因素对粒子凝聚过程的影响。目前可用于气溶胶粒子凝聚过程研究的主要理论包括分形、数理统计和分子模拟等理论。气溶胶粒子凝聚模型按初始粒子的形态特征分为球形粒子凝聚模型与非球形粒子凝聚模型。目前球形粒子凝聚模型研究深入，应用简便，但与真实凝聚体结构有一定的偏差，现实粒子多以非球形粒子形态存在，非球形粒子凝聚模型产生的凝聚体逼真度更高，算法复杂，较难实现。粒子凝聚模型根据其模拟方式可分为晶格模拟和非晶格模拟。在晶格模拟过程中，粒子的存在与运动受晶格的限制，粒子只能朝邻近晶格（前后左右上下）方向移动晶格单元的整数倍。对于非晶格模拟，粒子的运动方式更接近现实模拟，其方向和步长不受约束，可自由运动，但其算法复杂，计算量较大，耗时较长。下图2为三维晶格体系和非晶格体系的示意图。图2 三维晶格体系（左）和非晶格体系（右）示意图
按参与凝聚的对象类型可大体分为粒子-团簇凝聚和团簇-团簇凝聚两种模型。其中凝聚模型的主要过程是设定有限区域作为粒子或团簇的运动空间，让粒子或团簇运动游走，与初始粒子或团簇发生碰撞，当凝聚概率为1时，形成团簇，以此类推，当所有达成条件的粒子凝聚在一起，只剩下一个团簇，该凝聚过程终止。粒子-团簇凝聚模型是在区域中心放置一个初始静止粒子，在区域边缘添加其余粒子进行运动，它的凝聚对象是单个粒子；而团簇-团簇凝聚是在区域内随机生成粒子或团簇进行运动，它的凝聚对象是是粒子和团簇。根据粒子和团簇的移动凝聚方式（随机运动或线性运动）和凝聚概率（一发生碰撞就凝聚或多次碰撞才凝聚）等凝聚条件，可进一步分为扩散限制凝聚(DLA)、反应限制凝聚(RLA)、弹道凝聚(BA)、弹道粒子-团簇凝聚(BPCA)、扩散限制团簇凝聚(DLCA)、反应限制团簇凝聚(RLCA)、团簇-团簇凝聚(CCA)和弹道团簇凝聚(BCCA)模型。图3为气溶胶粒子凝聚模型分类示意图。
图3 气溶胶粒子凝聚模型分类示意图
其中粒子碰撞的判断条件：遍历团簇A(单个运动粒子或运动团簇)与团簇B(单个粒子或团簇)的位置关系，当团簇A和团簇B中的最小粒子间距等于对应的两个粒子半径之和时发生碰撞。下图4列举了二维非晶格DLA和BA凝聚模型的示意图。
图4 二维非晶格DLA（左）和BA（右）凝聚模型示意图
不同模型的运动机制、结构特征和应用范围等特点均有一定的差异，气溶胶粒子凝聚仿真模型的比较具体如表1所示。
气溶胶粒子凝聚模型广泛应用于光学、天体物理学和动力学等领域，但研究气溶胶粒子凝聚过程及其应用时，应根据实际情况选择相对合理的理论方程和模型进行完善。比如，枝晶生长和电化学沉积等非平衡生长现象的凝聚粒子作无规则扩散运动，在一定条件下满足拉普拉斯方程，可利用DLA模型模拟其过程。粒径较大的气溶胶，例如尘埃粒子和飞沫粒子等，其粒子平均自由程远大于团聚体尺寸，其凝聚过程可利用BA、BPCA和BCCA模型模拟。胶体化学凝聚和气凝胶凝聚等过程受化学反应条件限制，需多次碰撞发生凝聚，RLA和RLCA模型模拟更适用。
目前气溶胶粒子凝聚模型在算法效率、模拟方式、应用精度等方面仍具有发展潜力，可针对实际应用情况进行优化。例如，为了研究多分散凝聚粒子结构的光学特性，对BCCA模型进行优化，实现了模型粒径大小和数量可任意设置的功能，由不同粒径大小和数量的单粒子组成的凝聚体的三维可视图如图5所示，其中N为粒子数量，P为由粒径大小计算得出的孔隙率参数。近年来气溶胶粒子凝聚模型在消光特性、天体运行规律和动力学特性相关工作研究也取得一定的进展。但新型气溶胶粒子凝聚模型的提出构建、各因素耦合凝聚模型的模拟分析和凝聚模型的应用扩展等方面仍存在一些挑战。随着仿真技术的进步，模拟更符合自然无序运动粒子的凝聚状态，研究现实粒子的凝聚动力学特性，提高模型的逼真度，针对具体的应用领域，分析多因素耦合作用下的凝聚机理，建立随机取向的不规则非球形粒子凝聚模型是未来气溶胶粒子凝聚模型的重要工作。与此同时，为了更好地描述气溶胶粒子的凝聚动力学过程，分析风速、温度对粒子空间分布、凝聚特性和凝聚体结构特征的影响，气溶胶凝聚粒子空间实时分布仿真将成为未来气溶胶粒子凝聚模型应用的重要趋势。第一作者/通讯作者：
顾有林，国防科技大学教授，博士生导师，2008年博士毕业于中国科学院研究生院，同年进入原解放军电子工程学院博士后流动站工作，2016赴美国马里兰大学访学一年。长期从事消光材料、空间信息处理等方面研究，近年来重点研究生物消光材料的电磁衰减机理和性能测试技术。主持了国家自然科学基金面上项目、安徽省自然科学基金项目等10多项课题，获安徽省科学技术一等奖2项；发表学术论文90余篇，SCI或EI检索50余篇；获授权发明专利30余项；出版专著1部、教材和译著共3部；《红外与激光工程》青年编委，多个国内外期刊审稿人。
顾有林, 张熙, 胡以华, 孟凡昊, 陈国龙, 丁婉莹, 何海浩. 气溶胶粒子凝聚模型研究进展（特邀）[J]. 红外与激光工程. doi: 10.3788/IRLA20230243
全文链接：http://www.irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230243（阅读原文）
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