Photophoresis of aerosol particles in the free molecular and slip-flow regimes

An analysis of the photophoretic force and velocity on aerosol particles in both the free molecular and slip-flow regimes is presented. Under the assumption of unpolarized incident radiation, absorption of radiation with the particle is formulated from Lorenz/Mie theory. For both the free molecular and slip-flow regimes, the functional dependence of the photophoretic velocity upon the radiative size parameter and complex index of refraction is given by the photophoretic asymmetry factor J1. An exact infinite-series expression for J1 is derived which allows for rapid calculation of photophoretic behavior. Numerical results indicate that photophoresis can be a significant transport mechanism for micrometer-sized particulates in high radiative transfer combustion environments. On présente une analyse de la force photophorétique et des particules d'aérosol dans le régime moléculaire libre et celui du glissement. Avec les hypothèses d'un rayonnement incident non polarisé, l'absorption du rayonnement dans la particule est formulée à partir de la théorie de Lorentz/Mie. Pour les régimes moléculaires libres et ceux de glissement, la dépendance fonctionnelle de la vitesse photophorétique vis-à-vis du paramètre de dimension et de l'indice complexe de réfraction est donné par le facteur J1 d'assymétrie photophorétique. Une expression en série infinie de J1 est obtenue pour calculer rapidement le comportement photophorétique. Des résultats numériques montrent que la photophorèse peut être un mécanisme de transport significatif pour les particules microscopiques dans les environnements en combustion avec des transferts radiatifs intenses. Es wird eine Untersuchung der photophoretischen Kraft und Geschwindigkeit an Aerosol-Teilchen im Bereich groβer und kleiner (“slip-flow”) freier Weglängen vorgestellt. Unter der Annahme, daβ unpolarisierte Strahlung einfällt, wurde mittels der Theorie von Lorenz/Mie die Absorption von Strahlung im Partikel beschrieben. Für beide Bereiche (groβe und kleine freie Weglänge) gibt der photophoretische Asymmetriefaktor J1 die Abhängigkeit der photophoretischen Geschwindigkeit vom Strahlungsparameter und vom komplexen Brechungsindex an. J1 wird in eine genaue unendliche Reihe entwickelt, die eine schnelle Berechnung des photophoretischen Verhaltens erlaubt. Numerische Ergebnisse zeigen, daβB die Photophorèse ein bedeutender Transportmechanismus für Partikel der Gröβenordnung “mikro-meter” in hochbelasteten Strahlungsbrennkammern sein kann. B пpeдпoлoжeнии нeпoляpизoBaннocти пaдaющeгo излyчeния нa ocнoBe тeopии Лopeнцa/Mии oпpeдeлeнo пoглoщeниe излyчeния чacтицeй. Для oбoич peжиMoB cBoбoднoMoлeкyлящнoгo тeчeния и тeчeния co cкoльжeниeM пpи пoMoщи acиMMeтpичнoгo кoзффициeнтa фoтoфopeзa J1 нaйдeнa фyнкциoнaльнaя зaBиcиMocть cкopocти фoтoфopeзa oт пapaMeтpa излyчeния и кoMплeкcнoгo кoзффициeнтa пpeлoMлeния. Пoлyчeнo тoчнoe Bыpaжeниe дλя J1 B Bидe бecкoнeчнoгo pядa, пoзBoляющee быcтpo oпpeдeлять чapaктep фoтoфopeзa. Чиcлeнныe peзyльтaты пoкaзыBaют. чтo фoтoфopeз Moжeт cлyжить BaжныM MeчaнизMoM пepeнoca чacтиц Mикpoннoгo paзMepa B cильнo излyчaющич cpeдaч пpи гopeнии.