摘要 霧給現(xiàn)代交通和人類身體健康造成嚴(yán)重影響，人工消霧對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要價(jià)值。但目前關(guān)于消霧機(jī)理仍存在一定爭(zhēng)議，關(guān)于催化劑粒徑的選擇也具有較大不確定性。本研究基于15 000 m3大型霧室，開展了不同粒徑催化劑顆粒對(duì)暖霧清除效果的研究。結(jié)果表明：A催化劑（粒徑為75 μm）具有良好的消霧能力，消霧時(shí)間約為自然沉降的20％;B催化劑（粒徑為100 μm）消霧時(shí)間約為自然沉降的40％，消霧效果相比A催化劑偏差。為驗(yàn)證和計(jì)算最優(yōu)催化劑粒徑，本研究利用重力連續(xù)碰并增長(zhǎng)模型，從理論上分析了消霧催化劑的最優(yōu)粒徑。結(jié)果表明：催化劑顆粒過小，捕獲的霧滴少，碰并耗水少，消霧時(shí)間長(zhǎng);催化劑顆粒過大，下降速度快，消霧時(shí)間短，但捕獲的霧滴少，碰并耗水少。綜合來看，最優(yōu)的催化劑顆粒直徑為40～80 μm。本研究結(jié)果可為外場(chǎng)消霧試驗(yàn)提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞大型霧室;消霧試驗(yàn);吸濕性催化劑;重力連續(xù)碰并增長(zhǎng)模型;能見度

霧是在貼地層空氣中懸浮的大量水滴或冰晶微粒而使水平能見距離降到1 km以下的天氣現(xiàn)象（中國(guó)氣象局，2007，2018）。當(dāng)近地面環(huán)境場(chǎng)相對(duì)濕度接近100％時(shí)，水汽于凝結(jié)核上凝結(jié)活化成霧滴或者凝華成冰晶形成霧（顧震潮，1980;李子華，2001;吳兌等，2007;陸春松等，2011;盛裴軒等，2013;銀燕等，2021;鄔昊鵬等，2023）。霧對(duì)水、陸、空等交通運(yùn)輸造成較大危害，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、身體健康、環(huán)境和軍事活動(dòng)等也有不同程度的影響（楊軍等，2021;劉若嵐等，2023）。因此，針對(duì)消霧需求，多年來諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于人工消霧的研究和試驗(yàn)（李大山等，2002;楊朝輝和趙悅，2005;高建秋等，2010）。

20世紀(jì)20年代美、英等國(guó)就已開始使用人工方法在機(jī)場(chǎng)進(jìn)行消霧試驗(yàn)。20世紀(jì)30年代美國(guó)麻省理工學(xué)院采用吸濕法即地面噴灑氯化鈣溶液來消除暖霧;英國(guó)空軍采用地面固定裝置加熱法，即通過破壞逆溫層的同時(shí)加速干濕空氣混合來進(jìn)行消霧。自20世紀(jì)50年代以來，英、法、蘇聯(lián)等先后進(jìn)行了諸多人工消霧的試驗(yàn)，例如利用干冰、液態(tài)二氧化碳、碘化銀、液氮以及丙烷（類似于干冰的作用）發(fā)生器消除過冷霧，采用渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)加熱和吸濕法等消除暖霧（盛裴軒等，2013）。

我國(guó)也是開展人工消霧試驗(yàn)較早的國(guó)家之一，國(guó)內(nèi)學(xué)者成功進(jìn)行了外場(chǎng)人工消霧試驗(yàn)（李大山等，2002;楊朝輝和趙悅，2005;賈玉強(qiáng)等，2006;高建秋等，2010）。自1958年以來，相繼在北京使用干冰消除過冷霧，在長(zhǎng)白山、廬山使用燒煙、碘化銀丙酮溶液等方法消除云霧，在上海機(jī)場(chǎng)使用撒播氯化鈣、氯化鈉粉的方法消除暖霧（郭恩銘等，1990;楊軍等，2011;牛生杰等，2016）。20世紀(jì)60年代，我國(guó)分別在廬山、重慶及福建邵武等地進(jìn)行了小范圍的人工消霧試驗(yàn)（蘇正軍等，2009;王偉民等，2011）。此外，自20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)學(xué)者在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)人工消霧試驗(yàn)的前提下，進(jìn)行了兩個(gè)更加嚴(yán)格的人工消霧科學(xué)試驗(yàn)計(jì)劃：第1個(gè)是20世紀(jì)80年代后期在成都雙流機(jī)場(chǎng)進(jìn)行消除暖霧的試驗(yàn)（郭恩銘等，1989）;第2個(gè)是20世紀(jì)90年代在北京首都機(jī)場(chǎng)進(jìn)行消除冷霧的試驗(yàn)（曹學(xué)成等，1999）。

影響我國(guó)的霧多為暖霧（鄧雪嬌等，2002;李子華等，2011;王元等，2021;張浩等，2021），消暖霧主要有3種方法：加熱法、擾動(dòng)混合法和吸濕劑法（Gultepe et al.，2006;高建秋等，2008）。本研究采用吸濕劑法開展消霧試驗(yàn)，即向霧中播撒吸濕作用強(qiáng)并且又不對(duì)環(huán)境造成危害的顆粒，例如鹽粉、氯化鈣、尿素等，它們通過吸收水汽，降低相對(duì)濕度，促使霧滴蒸發(fā)消失，它們自身又利用溶液效應(yīng)凝結(jié)長(zhǎng)大，在下落過程中再碰并一部分霧滴。這種方法的消霧效果和吸濕劑的粒子直徑大小密切相關(guān)。如果吸濕性粒子太小，它們將懸浮在霧中使能見度進(jìn)一步惡化;如果粒子太大，它們?cè)诳諝庵械耐Ａ魰r(shí)間不夠長(zhǎng)，其清除效果降低且需要較大劑量。粒子最合適的大小是使用盡可能少的吸濕性物質(zhì)使其能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間里產(chǎn)生所要求的能見度。然而，目前針對(duì)吸濕劑粒徑對(duì)消霧效果影響的研究還比較匱乏。

本研究圍繞人工消霧催化劑粒徑的選擇問題，利用人工大型霧室開展兩種不同粒徑催化劑消霧能力試驗(yàn);同時(shí)，為了驗(yàn)證和計(jì)算最優(yōu)催化劑粒徑，進(jìn)一步利用吸濕增長(zhǎng)和重力碰并增長(zhǎng)模型，從理論上分析最優(yōu)化的消霧催化劑播撒粒徑。本文的研究結(jié)果可為外場(chǎng)的消霧試驗(yàn)提供科學(xué)參考。

1 資料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本研究中室內(nèi)試驗(yàn)的霧室為湖南國(guó)網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)中心榔梨人工氣候室（周羽生等，2017;倪宏偉等，2021），該霧室體積達(dá)15 000 m3，其長(zhǎng)、寬、高均為25 m，是目前國(guó)內(nèi)最大霧室。該大型霧室含有制冷和制霧系統(tǒng)（孫利朋等，2016），可制造不同的溫度與濕度環(huán)境，溫度控制范圍為5～25 ℃，濕度控制范圍為20％～100％（蔣正龍等，2016;孫利朋等，2019）?？紤]到大型霧室空間均勻性問題，本次試驗(yàn)在大型霧室中設(shè)置了4個(gè)采樣點(diǎn)（周羽生等，2017）。

1.2 大型造霧設(shè)備和吸濕性催化劑

在造霧系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)，將液態(tài)水輸送到設(shè)備中先后經(jīng)過凈化、預(yù)加熱和電加熱（大于100 ℃）3個(gè)步驟形成高溫蒸汽，通過管道上的小孔噴撒將蒸汽通入霧室。管路中加載有流量計(jì)用于精確計(jì)算和控制通入霧的質(zhì)量。大型霧室噴霧后約2 min，霧即可較為均勻地分布在整個(gè)大型霧室中。通過制冷系統(tǒng)可調(diào)節(jié)通入霧的環(huán)境溫度，溫度控制在5～25 ℃。在噴霧結(jié)束后，因?yàn)樵囼?yàn)室是一個(gè)密閉環(huán)境，暖霧蒸汽的溫度較高，所以霧會(huì)受熱上升，逐漸密布大型霧室內(nèi)，在暖霧分布穩(wěn)定后，大型霧室會(huì)出現(xiàn)上面溫度高、下面溫度低的“逆溫層”現(xiàn)象，這是霧維持的有利條件，但在水平方向空氣較穩(wěn)定，幾乎沒有對(duì)流，這為霧的維持提供了靜態(tài)穩(wěn)定的大氣環(huán)境，有利于霧的穩(wěn)定維持。

本研究共開展兩種催化劑播撒試驗(yàn)，在大型霧室（溫度小于10 ℃）中通過熱水管釋放蒸汽，高濕度環(huán)境下形成強(qiáng)濃霧，造霧結(jié)束后，在頂部播撒A類催化劑（75 μm）共4 kg，保持同樣條件播撒B類催化劑（100 μm）共4 kg。最后測(cè)量不同播撒催化劑霧的維持情況，通過對(duì)比霧的消散速度，判斷消霧效果。

1.3 霧滴譜測(cè)量

霧室中的能見度利用Vaisala公司前向散射能見度儀（PWD22）完成測(cè)量，同時(shí)采用美國(guó)DMT公司的霧滴譜儀（FM-120）測(cè)量大型霧室內(nèi)霧滴譜的變化，時(shí)間分辨率為1 s。根據(jù)所測(cè)量霧滴譜可計(jì)算出霧滴的粒子總數(shù)濃度N（cm-3）、峰值直徑dpeak（μm）、平均直徑dmean（μm）、平均體積直徑dvol（μm）、最大直徑dmax（μm）、液態(tài)水含量CLW（g／m3）等。

平均直徑dmean（μm）：

其中：N（di）為第i檔直徑的霧滴數(shù)濃度（cm-3）;di為第i檔霧滴直徑;n代表霧滴直徑檔總數(shù)（共計(jì)30個(gè)直徑檔，其中2～14 μm間隔1 μm、14～50 μm間隔2 μm）。

平均體積直徑dvol（μm）：

峰值直徑dpeak（μm）：霧滴數(shù)濃度最大值對(duì)應(yīng)的直徑，即N（di）最大值所對(duì)應(yīng)的直徑。

液態(tài)水含量CLW（g／m3）：

2 結(jié)果與討論

2.1 霧本底沉降的過程分析

圖1為造霧后不播撒催化劑情況下霧自然沉降過程。可見，16時(shí)00分完成了人工造霧過程，霧滴總數(shù)濃度達(dá)到約5 500 cm-3，在未使用催化劑的情況下，16時(shí)20分大霧霧滴總數(shù)濃度從約5 500 cm-3下降至約2 000 cm-3，共花費(fèi)時(shí)間約20 min，17時(shí)00分霧滴總數(shù)濃度下降至約1 000 cm-3，共需要60 min的時(shí)間。與此同時(shí)，霧滴液態(tài)水含量從16時(shí)08分的約7 g／m3下降至17時(shí)00分的約1.5 g／m3。大霧霧滴的峰值直徑dpeak從16時(shí)00分的3 μm逐步增加至9 μm，平均體積直徑dvol從4 μm增加至約10 μm，最大直徑dmax從約5 μm增加至30～40 μm。從霧滴譜圖可看出（圖1d），在人工造霧后，霧滴主要分布在2～16 μm的通道（共計(jì)30個(gè)直徑檔，其中2～14 μm間隔1 μm、14～50 μm間隔2 μm）中，霧滴粒子數(shù)濃度下降速度并不明顯，在經(jīng)過約90 min后各通道的粒子數(shù)趨于一致。

2.2 播撒催化劑后效果分析

大型霧室噴入霧后，經(jīng)過約2 min，大霧即可較均勻地分布在整個(gè)霧室中，造霧結(jié)束后，立即開始播撒催化劑。圖2為播撒A型催化劑效果圖。由圖2可見：03：10人工造霧過程完成，霧滴總數(shù)濃度達(dá)到約5 800 cm-3;使用A催化劑4 kg后，03：18霧滴總數(shù)濃度從約5 800 cm-3下降至約2 000 cm-3，用時(shí)約8 min，03：20霧滴總數(shù)濃度下降至約1 000 cm-3，用時(shí)約10 min。由圖2還可見，液態(tài)水含量與霧滴總數(shù)濃度變化成正相關(guān)關(guān)系，使用A型催化劑后，霧中的液態(tài)水含量從03：14的2.45 g／m3下降至03：20的0.2 g／m3。霧滴的峰值直徑dpeak從03：10的3 μm逐步增加至7～8 μm，平均體積直徑dvol從6 μm增加至約18 μm，最大直徑dmax從約10 μm增加至40～50 μm。從霧滴譜圖（圖2d）可看出，在人工造霧后，霧滴主要分布在2～16 μm的通道中，隨著A催化劑的使用，霧滴粒子數(shù)下降明顯。

圖3為播撒B型催化劑效果圖。由圖3可見：11：52人工造霧過程完成，霧滴總數(shù)濃度達(dá)到約4 600 cm-3;使用B催化劑4 kg后，12：00霧滴總數(shù)濃度從約4 600 cm-3下降至約2 000 cm-3，用時(shí)約8 min，12：12霧滴總數(shù)濃度下降至約1 000 cm-3，用時(shí)20 min。同時(shí)，使用B催化劑后，霧中的液態(tài)水含量從11：52的3 g／m3下降至12：12的1 g／m3。霧滴的峰值直徑dpeak從11：52的3 μm逐步增加至9 μm，平均體積直徑dvol從6 μm增加至約15 μm，最大直徑dmax從約15 μm增加至40～50 μm。由霧滴譜圖（圖3d）可看出，在人工造霧后，霧滴主要分布在2～18 μm的通道中，隨著B催化劑的使用，霧滴粒子數(shù)下降明顯，并且在碰并過程中，霧滴轉(zhuǎn)向直徑更大的通道，并成為雨滴下落。

在試驗(yàn)過程中，未使用催化劑時(shí)，霧滴總數(shù)濃度從約5 500 cm-3降至2 000 cm-3，需要20 min，而降至1 000 cm-3，則需要約60 min;使用A催化劑（粒徑為75 μm）后，霧滴總數(shù)濃度從5 800 cm-3減少至2 000 cm-3需要8 min，降至1 000 cm-3需要10 min，液態(tài)水含量從2.45 g／m3減少至0.2 g／m3，霧滴平均直徑由6～8 μm增加至10～20 μm，能見度由5 m迅速提高到約10 km，消霧時(shí)間約為自然沉降的20％;B催化劑（粒徑為100 μm）在大霧條件下可促成雨滴，播撒后霧滴總數(shù)濃度從4 600 cm-3減少至2 000 cm-3需要8 min，降至1 000 cm-3需要20 min，液態(tài)水含量從3 g／m3減少至1 g／m3，霧滴平均直徑由6 μm增加至10～16 μm，能見度由5 m迅速提高到約10 km，消霧時(shí)間約為自然沉降的40％。

2.3 最優(yōu)催化劑粒徑理論模型計(jì)算

本研究使用的催化劑可以快速吸收空氣中的水分形成液滴，液滴經(jīng)過碰并增長(zhǎng)后在重力作用下將沉降至地面，由此完成消霧。在試驗(yàn)室條件下測(cè)得，在濕度為80％～90％的條件下，播撒催化劑后幾十秒就可以生成體積3～4倍大的液滴，吸濕性強(qiáng)且反應(yīng)性快。因此，將催化劑撒入霧中后發(fā)生了兩個(gè)過程：一個(gè)是催化劑的瞬時(shí)吸濕過程;另一個(gè)是碰并過程。在吸濕過程中，假設(shè)催化劑撒入霧中立刻吸濕增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換為催化劑溶液滴，溶液滴的半徑約是干催化劑顆粒半徑的3倍，且吸濕耗水量約為催化劑質(zhì)量的2.6倍。隨后發(fā)生碰并增長(zhǎng)，碰并增長(zhǎng)的初始液滴為催化劑吸水后的溶液滴。本研究選取了10種不同直徑的催化劑顆粒用于分析最優(yōu)催化劑直徑，催化劑在播撒后立即吸濕增長(zhǎng)，大約變?yōu)楸旧碇睆降?倍，本研究假設(shè)初始溶液滴的半徑r1分別為20、30、40、50、60、80、100、150、200和300 μm。

碰并過程包括重力、布朗和湍流碰并等多種，而重力碰并對(duì)霧的形成影響最顯著。因此，本研究只考慮重力碰并，并利用重力碰并連續(xù)增長(zhǎng)模型來討論催化劑入霧后的增長(zhǎng)情況。

在討論重力碰并增長(zhǎng)問題時(shí)，簡(jiǎn)化為假設(shè)大小和數(shù)密度不變的小霧滴均勻地布滿整個(gè)空間，相同尺度的大滴通過此空間時(shí)霧滴質(zhì)量以相同的速率增長(zhǎng)，即重力碰并的連續(xù)增長(zhǎng)模式。本研究采用重力碰并連續(xù)增長(zhǎng)模型，假設(shè)霧中有一穩(wěn)定上升氣流，速度為w（m／s），則液滴半徑r（μm）隨高度的變化率為：

式中：ρw為水的密度（g／cm3）;vw（m／s）為液滴的下落末速度;E為碰并系數(shù)。vw由下式（盛裴軒等，2013）給出：

本研究假設(shè)上升氣流較弱，即w～0，可得：

方程兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，可得到液滴半徑隨時(shí)間的變化關(guān)系為：

根據(jù)人工造霧試驗(yàn)，造霧結(jié)束后，假設(shè)霧室內(nèi)液態(tài)水含量為3 g／m3，人工霧室的長(zhǎng)、寬、高均為25 m，因此人工霧室內(nèi)的總的液態(tài)含水量約為47 kg。在本次試驗(yàn)過程中，催化劑播撒的質(zhì)量均為4 kg，水的密度取ρw=1 g／cm3，由于催化劑播撒入霧中后立即吸濕增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化為催化劑溶液滴，溶液滴半徑約是催化劑顆粒半徑的3倍，吸濕耗水量約為催化劑質(zhì)量的2.6倍，即播撒催化劑后，立即耗水質(zhì)量為10.4 kg。隨后溶液滴發(fā)生碰并增長(zhǎng)，再消耗液態(tài)水。

在霧滴半徑為r2的大霧環(huán)境下，初始半徑為r1的溶液滴在25 m高度的霧中碰并增長(zhǎng)后，其溶液滴半徑增長(zhǎng)為R，具體結(jié)果見表1。由公式（7）可進(jìn)一步分析出溶液滴下落25 m所需的時(shí)間，結(jié)果見表2。根據(jù)溶液滴碰并增長(zhǎng)情況，可計(jì)算出碰并過程中消耗液態(tài)水的質(zhì)量（mp），結(jié)果見表3。結(jié)合表2和表3可看出，催化劑粒徑過小時(shí)，質(zhì)量小，碰并下落時(shí)間長(zhǎng)，并且由于截面積小，所以能捕獲的小滴少，因此碰并耗水量小。相反，催化劑粒徑過大時(shí)，雖然截面積大，可以捕獲更多的小滴，但是由于下落時(shí)間短，導(dǎo)致碰并過程耗水量減小。因此，催化劑顆粒太小時(shí)，由于質(zhì)量太輕，消霧時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，并且可能會(huì)在空中懸浮，導(dǎo)致二次污染，形成霾，所以催化劑顆粒不能太小;相反，催化劑顆粒太大時(shí)，吸濕變成溶液滴后在重力作用下快速落下，在空中懸浮的時(shí)間太短，也會(huì)影響消霧的最終效果。

如上文所述，理想條件下計(jì)算得出的霧室內(nèi)液態(tài)水含量共有47 kg，要使得霧完全消散，碰并過程中最少耗水量要達(dá)到36.6 kg。從公式（4）可看出，10種尺度大小的催化劑溶液滴的增長(zhǎng)軌跡是：從霧頂作自由落體運(yùn)動(dòng)，液滴半徑呈線性增長(zhǎng)，且半徑越大的液滴碰并增長(zhǎng)速率越快。假設(shè)環(huán)境霧滴半徑為6 μm，可得到消霧時(shí)溶液滴半徑從20、30、40、50、60、80、100、150、200和300 μm分別增長(zhǎng)到21.13、32.44、44.31、55.63、67.13、89.75、111.25、162.38、209.56和313.50 μm，結(jié)果見表4。此時(shí)，初始溶液滴下落25 m用時(shí)分別為481.07、208.87、114.67、62.34、51.81、38.8、31.71、21.07、16.07和10.73 s。霧滴半徑為8、10和15 μm時(shí)，催化劑溶液滴半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律與霧滴半徑為6 μm的結(jié)果類似。

表4給出了給定環(huán)境下10種不同大小溶液滴的增長(zhǎng)情況。隨著初始液滴半徑的增大，吸濕率先減小后增大，而碰并率先增加后減小。綜上所述，催化劑顆粒耗水能力并非隨催化劑粒徑單調(diào)增加，而是在多種粒徑中存在峰值（表3和表4）。對(duì)于同等質(zhì)量的催化劑，初始半徑為50 μm的液滴的消霧能力與100 μm的液滴相當(dāng)，但需時(shí)約為62 s，是100 μm的液滴的2倍。因此，在選擇催化劑顆粒時(shí)，不宜選擇過大或過小。

在試驗(yàn)霧室背景下，通過播撒催化劑來消除霧，計(jì)算可得各尺度溶液滴所需的原始催化劑質(zhì)量，結(jié)果見表5。由于試驗(yàn)中播撒的催化劑質(zhì)量為4 kg，所以初始溶液滴的半徑只能選擇40～100 μm，綜合考慮時(shí)間因素和消霧效果，對(duì)于半徑為6 μm的霧滴，溶液滴半徑選擇60～100 μm較好（該結(jié)果同樣適用于半徑為8、10、15 μm的霧滴）?？偟膩砜?，選擇溶液滴半徑為80 μm左右較合適，即催化劑直徑選擇40～80 μm較合適。

3 結(jié)論與討論

本研究利用人工大型霧室進(jìn)行的消霧試驗(yàn)測(cè)試了兩種不同粒徑催化劑的消霧效果，并利用簡(jiǎn)化的重力碰并增長(zhǎng)模型對(duì)實(shí)際消霧所需催化劑的量進(jìn)行估算，得到以下結(jié)論：

1）基于大型霧室的實(shí)際催化結(jié)果分析表明，相比粒徑為100 μm的催化劑，粒徑為75 μm的催化劑具有更好的消霧能力，使霧滴總數(shù)濃度從5 800 cm-3減少至2 000 cm-3需時(shí)8 min，降至1 000 cm-3需時(shí)10 min，液態(tài)水含量從2.45 g／m3減少至0.2 g／m3，霧滴平均體積直徑由6～8 μm增加至10～20 μm，整體用時(shí)約是霧自然沉降的20％。

2）理論模型的計(jì)算結(jié)果表明，在25 m高的霧室中，對(duì)于6 μm的霧滴，半徑為50 μm與100 μm的催化劑溶液滴碰并效果相當(dāng)，碰并效率約為80％，所需催化劑質(zhì)量均為3.52 kg，而半徑為50 μm的消霧時(shí)間需要62 s，是100 μm的兩倍。綜合來看，對(duì)于半徑為6～15 μm的霧滴，溶液滴半徑選擇在60～100 μm范圍內(nèi)較合適。

3）催化劑顆粒太小，由于截面能捕獲的霧滴少，所以碰并耗水少，消霧時(shí)間長(zhǎng);催化劑顆粒過大，消霧時(shí)間短，下降速度快，能捕獲的霧滴少，碰并耗水少。在本次大型霧室人工消霧試驗(yàn)背景下，綜合考慮時(shí)間和經(jīng)濟(jì)因素，催化劑顆粒直徑宜選擇在40～80 μm范圍內(nèi)。

本文研究催化劑的消霧過程，所得結(jié)果是利用簡(jiǎn)化的理論模型進(jìn)行估算的，還未考慮垂直速度、不同的過飽和度條件以及含水量隨高度的變化等因素，且在考慮霧滴半徑時(shí)存在一定簡(jiǎn)化。為此，需要對(duì)這些方面進(jìn)行進(jìn)一步考慮，以完善消霧的理論機(jī)制、計(jì)算更精細(xì)的催化劑用量。

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Cloud chamber investigation into the mechanisms of artificial warm fog dissipation using hygroscopic materials

Abstract Heavy fog significantly impacts modern transportation and public health.Thus，artificial fog dispersal crucial for disaster prevention and mitigation.Despite its importance，the mechanism underlying fog dispersal and the optimal particle size of dispersal catalyst remains uncertain.This study，conducted in a 15 000 cubic meter cloud chamber，explores the influence of different catalyst particle sizes on warm fog clearance.We found that catalyst A，with a particle size of 75 μm，effectively reduced the number concentration of fog droplets from 5 800 g／cm3 to 2 000 g／cm3 within 8 minutes and further to 1 000 g／cm3 within 10 minutes，while decreasing the liquid water content from 2.45 g／m3 to 0.2 g／m3.The mean volume diameter of the fog droplets increased from 6—8 μm to 10—20 μm，accelerating the fog clearance to 20％ of the time required for natural sedimentation.In contrast，Catalyst B （with a particle size of 100 μm） induced raindrop formation under heavy fog conditions，clearing the fog in 40％ of the time taken by natural sedimentation，albeit with slightly less effectiveness than catalyst A.

To determine the optimal catalyst particle size，we employed a gravitational continuous collision and growth model to evaluate the fog dispersal efficacy of different particle sizes，providing a theoretical basis for selecting the most effective size.Theoretical calculations suggest that for a droplet radius of 6 μm in a 25 m high cloud chamber，the collision efficiencies catalyst particles sized 50 μm and 100 μm are comparable （approximately 80％），requiring a catalyst mass of 3.52 kg.However，the dispersal for 50 μm radius particles is twice as long as for 100 μm particles.The study indicates that for droplets radii of 6—15 μm，catalyst particles in the 60—100 μm range are most effective.

Further analysis revealed that excessively small catalyst particles capture fewer fog droplets，require more time for fog dispersal，and consume less water during collisions.Conversely，overly large catalyst particles clear fog faster and have higher descent speed but are less effective in water consumption and droplet capture.Therefore，an optimal catalyst particle diameter of 40—80 μm is suggested.The findings presented here are based on a simplified gravitational continuous collision and growth model and do not consider factors such as vertical velocity and variations in liquid water content with height.Future studies should address these to refine the theoretical mechanisms of fog clearance and improve catalyst dosage calculations.

Keywords large-scale cloud chamber;fog elimination test;moisture absorbent catalyst;gravitational continuous coagulation and growth model;visibility