粒子·介质条件
预设
沉着机制: —
粒径0.01～100 μm的Stokes沉降速度（对数刻度）。● 表示当前设置。
各粒径范围支配性沉着机制（扩散·重力沉降·惯性碰撞）的相对强度。
当前粒径对温度（10～80°C）变化导致的沉降速度·扩散系数变化的敏感性。
理论·主要公式
Stokes沉降速度（Cunningham补正）：
\(v_s = \frac{d^2(\rho_p - \rho_f)g}{18\mu} \cdot C_c\)
Cunningham补正系数（Knudsen数 \(Kn = 2\lambda/d\)）：
\(C_c = 1 + Kn\left(1.257 + 0.4\exp\!\left(\frac{-1.1}{Kn}\right)\right)\)
Einstein扩散系数（布朗运动）：
\(D = \frac{k_B T C_c}{3\pi\mu d}\)
粒子弛豫时间（惯性响应时间）：
\(\tau = \frac{\rho_p d^2 C_c}{18\mu}, \quad Stk = \frac{\tau U}{L}\)
气溶胶工程基础 — 对话理解
🎓空气中浮悬的微小固体粒子或液滴的总称。雾（fog）是液滴气溶胶的一种。烟草烟雾（固体粒子+液滴）、黄沙（固体）、医疗吸入器的雾也都是气溶胶。工程上主要对象是粒径1nm～100μm，与大气污染、洁净室、吸入药、滤器设计密切相关。
🎓Stokes沉降速度公式vs = d²(ρp-ρf)g/(18μ)中，沉降速度与粒径平方成正比。10μm粒子的沉降速度是1μm粒子的100倍。小粒子自重很小，被空气粘性力支撑，还受布朗运动（热扰动）影响，所以难以沉降。PM2.5（2.5μm以下）长时间漂浮在大气中的原因也在此。
🙋Cunningham补正系数是什么？为什么需要补正？
🎓Stokes定律将流体作为"连续体"处理，但粒径接近空气分子平均自由程（常温常压约65nm）时，这个假设就不适用了。100nm以下的粒子会产生空气分子的"滑流流动"（slip flow），实际阻力比Stokes定律的要小。乘以Cunningham补正系数Cc≥1可得到更快的沉降速度和更大的扩散系数。
🎓肺内沉着位置因粒径而异。10μm以上在鼻腔·口腔被捕集。5～10μm到达气管支。1～5μm（MMAD，质量中值空气动力学径）能到达细支气管末梢到肺泡。吸入药就是针对这1～5μm。0.5μm以下能到达肺泡但易随呼气排出，效率下降。定量喷雾式吸入器（MDI）的设计需要非常精密的粒径控制。
🎓Stokes数Stk = τU/L（τ：粒子弛豫时间，U：气流速度，L：特征长）是粒子能否追随气流曲线的指标。Stk >> 1时粒子惯性大，气流弯曲也直进，发生惯性碰撞沉着。Stk << 1时粒子跟随气流，绕过表面。洁净室滤器通过惯性碰撞、扩散、阻挡、静电吸引等组合捕集粒子。
🎓主要有两种方法。①拉格朗日粒子追踪法（DPM）：追踪单个粒子轨迹，对惯性碰撞·重力沉降精度高。②欧拉方法：将粒子作为连续体处理浓度分布，适合扩散沉着。OpenFOAM的lagrangianParticle和Fluent的DPM模型在实践中使用。用于气道、工厂导管、洁净室粒子沉着预测。
常见问题
在粒子Reynolds数Re = ρf × vs × d / μ < 1的范围（Stokes流动区）内有效。d < 50μm（空气中、标准密度粒子）基本上都可以应用。当Re > 1时会产生气流分离，Stokes定律会被高估。对于大颗粒，使用Schiller-Naumann等修正阻力系数模型。
PM10（粒径 < 10μm）在鼻腔~气管支处沉着。PM2.5（< 2.5μm）能到达细支气管·肺泡，可能进入血液。WHO指南（2021年修订）：PM2.5年均值5μg/m³、日均值15μg/m³；PM10年均值15μg/m³。日本环保标准PM2.5年均≤15μg/m³、日均≤35μg/m³。
HEPA滤器的捕集机制有三种：扩散（小粒子）·阻挡·惯性碰撞（大粒子）。扩散对粒径越小越有效，惯性碰撞对粒径越大越有效，其中约0.3μm处最难捕集，称为"最渗透粒径（MPPS）"。HEPA标准（JIS）要求该粒径处捕集效率≥99.97%。
通过粒径别Stokes沉降速度计算"在自然沉降前被罩吸收的最小罩面速度"。10μm以上沉降快，低面速可捕集；1μm以下由布朗扩散主导，需通过排气气流输送。可参考本工具的沉降速度和Stokes数进行设计。
带电粒子被电场吸引到表面的机制。空气中的粒子常自然带电，遵循Boltzmann荷电分布。静电除尘器(ESP)利用这一点，通过高压使粒子带电，沉着到收集电极。用于洁净室防尘和烟囱排烟处理。本模拟器未计算静电沉着，但在实际设计中很重要。
基于CT数据的写实形状CFD分析广泛应用。气流用LES计算，粒子用拉格朗日法追踪。用于吸入药物设计和医药法规申请（FDA/EMA指南）的体外评估。0.5~5μm肺深部到达效率的优化是主要研究课题。
什么是气溶胶粒子沉降模拟器
本模拟器的物理模型统一处理重力沉降和布朗扩散的竞争。首先，粒子的终端沉降速度 \(v_s\) 由引入Cunningham补正系数 \(C_c\) 的Stokes定律给出：
$$
v_s = \frac{\rho_p d_p^2 g C_c}{18 \mu}
$$
其中 \(\rho_p\) 是粒子密度，\(d_p\) 是粒径，\(\mu\) 是流体粘度，\(g\) 是重力加速度。\(C_c\) 补正气体分子的滑流效应，特别是1µm以下微粒效应显著。另一方面，布朗扩散系数 \(D\) 由Stokes-Einstein关系式给出：
$$
D = \frac{k_B T C_c}{3 \pi \mu d_p}
$$
（\(k_B\)：Boltzmann常数，\(T\)：绝对温度）。评估这两者的竞争的无量纲数是Stokes数 \(St = v_s \cdot t_{res} / L\)（\(t_{res}\)：驻留时间，\(L\)：代表长度），实时计算。粒径越大重力沉降越支配，粒径越小布朗扩散越支配，过渡区两者作用相当。本模型可定量预测大气污染粒子沉着行为、洁净室内微粒去除效率、吸入药肺胞到达性。
实际应用
产业实际应用案例
半导体制造业在洁净室内微粒管理中应用本模拟器。例如，东京电子株式会社成膜装置设计中，分析粒径0.1～1μm硅微粒的沉降行为，优化空气滤器布置和气流设计。制药业中，Astellas制药在吸入粉末药剂开发时，预测粒子密度和温度变化对肺泡沉着效率的影响，提高制剂设计效率。
研究·教育应用
大学环境工程和气溶胶科学讲座中，学生通过改变粒径·密度，实时确认Stokes数和布朗扩散系数的变化，作为教学材料使用。东京大学大气环境研究室用本工具可视化PM2.5大气中沉降机制，在支配沉着机制转变的理解演习中采用。
与CAE分析的联动及实务定位
本模拟器作为流体分析（CFD）的前处理工具。例如，汽车车舱空调设计中，以本工具计算的Cunningham补正系数和沉降速度为输入条件，在ANSYS Fluent中实现粒子行为的高精度预测。在实务中有助于降低实验成本和缩短设计周期，在洁净室认证和医药品审批申请时也作为证据活用。
常见误解和注意事项
通常误认为"粒径越小越因重力沉降缓慢而在空气中长时间停留"，但实际上粒径0.1µm以下的领域，布朗扩散成为支配机制，粒子会因气流乱流和分子碰撞比预期更快地沉着到壁面或肺泡。因此洁净室设计必须同时考虑重力沉降和扩散沉着的贡献。
通常误认为"Cunningham补正系数只影响大粒子"，但实际上粒径降至1µm以下时补正系数急增，特别是0.1µm以下时Stokes沉降速度会增加数倍到数十倍。忽视这一补正会危险地低估医疗吸入药肺内沉着率。
通常误认为"温度升高使空气粘性下降所以沉降速度增加"，但实际上温度升高使空气平均自由程增加，Cunningham补正系数增加，而粘性系数本身也增加，二者产生权衡。若不同时更新沉降速度计算中的粘性和补正系数，可能导致错误的沉降趋势，特别是在高温工艺中需要谨慎。