CN107561217A - 一种植物滞尘机理研究的风洞模拟装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物滞尘机理研究的风洞模拟装置和操作方法。该装置包括风环境控制系统、加粉系统和植物滞尘暴露系统；风环境控制系统包括风机，用于产生模拟风速；加粉系统包括位于风机下风处的加粉元件，用于添加颗粒物，模拟颗粒污染；植物滞尘暴露系统位于加粉元件的下风处，用于固定植物样本。进一步地，还包括颗粒物测定系统。本发明通过相应调控系统可模拟植物在不同风速等级环境和空气颗粒物物污染浓度条件下，对不同的待分析植物滞尘能力进行定量实验；定量分析不同枝冠结构和叶表面结构的植物对颗粒物的消减作用的影响程度，找到更适合于不同风速和颗粒物环境的高效滞尘植物，对城市空气颗粒物污染控制及绿化树种选择具有十分重要意义。

Description

一种植物滞尘机理研究的风洞模拟装置及操作方法

技术领域

本发明属于城市绿地植物在环境风干扰下对大气颗粒物控制领域，尤其涉及一种植物滞尘机理研究的风洞模拟装置及操作方法。

背景技术

随着世界各国经济的发展，带动着能源、工业、交通等需求的快速增长，大气颗粒物的污染问题日渐突出，严重威胁人体健康。目前对颗粒物控制削减己成为国际上大气污染研究领域的热点和前沿。植物对颗粒物的削减作用是诸多空气治理方式中较有效的方式之一，植物对颗粒物有削减作用得到了诸多研究的证实(Peachey and Sinnett et al.,2009；Pullman,2009；and Popek et al.,2012；Popek and Gawrońska et al.,2013)。然而植物对颗粒物削减效应及过程受到颗粒物类型、气象环境、群落特征、物种特征等多种因素影响(Beckett and Freer Smith et al.,2000；Freer-Smith and Beckett etal.,2005；Popek and Gawrońska et al.,2013)。由于上述这些因素变化较大，对于植物对颗粒物的机理研究受到控制实验技术和条件的限制，以至于前人针对植物对颗粒削减效益研究依然不足。特别是在风干扰条件下的植物滞留过程研究相对较少。

经过对现有技术检索发现，植物吸附颗粒物能力大小研究装置有部分专利公布，如CN103278433A、CN104502544A等，此类装置多适用于静态环境下植物吸附颗粒实验，不能完成风干扰条件下的控制实验，且体积较小不利于同时进行多个样本控制实验。而关于风洞设备多出现在流体力学研究中，如CN104280204A，CN104280204B等，主要用于航空航天、汽车等空气动力学实验，不仅体型较大，而且没有植物滞尘模拟系统，不适用于植物滞留颗粒物机理研究。

发明内容

本领域技术人员致力于提供一种用于研究城市绿地植物在不同风力干扰下对大气颗粒物滞留削减机理的风洞模拟实验装置与实验操作方法，能够定量控制风力强度，分析不同植物对大气颗粒物削减过程特征及能力差异。本发明目的在于提供一种植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，在装置中放置待分析的城市园林植物，在风力控制系统装置中模拟风洞实验，通过加粉系统装置添加定量的颗粒物，在滞尘暴露系统装置中采集样品，并在颗粒物测定系统中测定数据，不仅能够定量控制风力强度及颗粒物添加速率，而且能够定量分析植物在不同风力干扰下对大气颗粒物吸附过程。一方面为研究植物滞留颗粒物过程机理提供基础设施，另一方面为类似研究提供实验方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，包括风环境控制系统、加粉系统和植物滞尘暴露系统；风环境控制系统包括风机，用于产生模拟风速；加粉系统包括位于风机下风处的加粉元件，用于添加颗粒物，模拟颗粒污染；植物滞尘暴露系统位于加粉元件的下风处，用于固定植物样本。

进一步地，风环境控制系统还包括第一蜂窝板和控制风机的调频器；第一蜂窝板位于风机和加粉元件之间，用于形成稳定均匀的平行风速。优选地，调频器通过数字信号调控风机。

进一步地，风环境控制系统还包括风洞仓；风洞仓包括依次连接的动力段、稳流段、实验段和稳定段，还包括设置在所述实验段的侧壁上的门；风机设置在动力段上；第一蜂窝板设置在稳流段的前端；加粉元件包括加粉口，加粉口设置在稳流段的顶部上；植物滞尘暴露系统设置在实验段和稳定段上。门用于放入和取出样本。

动力段用于安装风机，产生不同大小风速；稳流段前端安装的第一蜂窝板，可形成稳定均匀的平行风速，同时由于稳流段的上端设有加粉口，因此也是可叫做加粉段；实验段主要给植物实验提供空间；稳定段，是一个平稳疏导气流段，主要是防止气流快速扩散导致实验段风环境改变。

进一步地，植物滞尘暴露系统包括第二蜂窝板；第二蜂窝板设置在稳定段的前端，将实验段和稳定段分隔开，用于平稳疏导气流，防止气流快速扩散导致实验段的风环境改变。

进一步地，加粉系统还包括依次连接的气泵、气阀、进气管、加粉瓶和出气管；加粉元件包括扩散管；扩散管与出气管连通；加粉系统被设置为：气泵产生气流，为颗粒物添加提供动力；气阀控制经过进气管的气流量；气流随进气管进入加粉瓶，使加粉瓶内的颗粒物悬浮，并随气流从出气管进入扩散管；扩散管的底部密封，而四周布满小孔，在气压作用下，颗粒物随气流从小孔喷洒而出；扩散管位于风机和植物滞尘暴露系统之间。颗粒物扩散在稳流段并随风进入实验段。

进一步地，出气管或者扩散管穿过加粉口。

进一步地，进气管伸入到加粉瓶的底部或者下半部分；出气管设置在加粉瓶的顶部或者上半部分。

进一步地，植物滞尘暴露系统包括固定台；固定台包括隔板；隔板上设置有圆柱状凹槽。优选地，每块隔板上设置有两个圆柱状凹槽。圆柱状凹槽能够插入管状物和棒状物，比如钢管、树枝等，因此可以垂直放置树枝等样品，模拟自然树枝。固定台设置在实验段的顶部、底部和/或侧壁上。优选地，在实验段的顶部和底部均设置有固定台，用于固定样本。

进一步地，植物滞尘暴露系统还包括垂直支架；垂直支架可拆卸地设置在固定台上；垂直支架包括网格板和固定夹。也可借助圆柱状凹槽固定垂直支架。网格板，结合固定夹，可以同时固定多组样本。固定夹将样本夹持在网格板上。

进一步地，隔板和固定夹的数量均大于1；隔板之间平行排布。隔板之间能够平放实验样品(即植物样本)，防止实验样品被风吹滑动。

进一步地，第二蜂窝板位于稳定段的起始位置，将实验段和稳定段分隔开。稳流段、实验段和稳定段除轴向上开口用于风流动外，为四周密闭空间，仅保留有加粉口和门。

进一步地，还包括颗粒物测定系统，用于测定不同时段植物吸附颗粒物能力和后期数据分析；颗粒物测定系统包括浸泡容器和颗粒物计数器。

进一步地，浸泡容器为浸泡桶；颗粒物计数器为激光粒度计数器。

进一步地，颗粒物测定系统还包括枝剪，用于剪经过颗粒物暴露实验后的植物叶片。

植物滞尘机理研究的风洞模拟装置保证实验在一个稳定的风环境中进行。进一步地，风环境控制系统、加粉系统和植物滞尘暴露系统是合为一体的装置。颗粒物测定系统是独立装置。

本发明的另一个目的在于提供使用一种植物滞尘机理研究的风洞模拟装置的操作方法，定量控制风力强度及颗粒物添加速率，从而定量分析植物在不同风力干扰下对大气颗粒物吸附过程。该操作方法包括以下步骤：

1)根据实验要求选取植物样本和颗粒物粉末；

2)将选定的植物样本固定在植物滞尘暴露系统的固定台或垂直支架上，将选定的颗粒物粉末加入加粉系统；

3)根据实验需求，调节风环境控制系统，设定风速；

4)根据实验需求调节加粉系统，控制气流量，从而控制加粉速度；

5)开启风机和加粉系统的气泵；

6)在实验要求的暴露时间后，从植物滞尘暴露系统中取出植物样本；

7)将步骤6)取出的植物样本的叶片剪入放有浸泡液的浸泡容器，浸泡；

8)将步骤7)中经过浸泡的叶片上的颗粒物清理到浸泡容器的液体中后，取出叶片，用颗粒物计数器测定浸泡容器中的液体里的颗粒物数量。

进一步地，步骤7)中的浸泡液为蒸馏水，浸泡时间是2小时；步骤8)中清理叶片用的也是蒸馏水；同批次的实验分别所用到的作为浸泡和清理的蒸馏水的量是相同的；步骤2)中颗粒物粉末加入加粉系统的加粉瓶中。既可以直接用浸泡后的蒸馏水来清理叶片，也可以用未经过浸泡的蒸馏水来清理叶片。比如，采取在浸泡完成后，摇匀确保植物叶片上的颗粒物全部浸入蒸馏水中来完成清理叶片的工作。

进一步地，还包括9)重复不同风速不同植物不同加粉速度的实验，实现植物滞尘过程及能力的研究。

与现有技术相比，本发明提供的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置及操作方法，可以完成不同风速干扰环境，不同颗粒物浓度条件下，同时进行多样本的植物吸附颗粒物实验，可以获取不同暴露时间植物吸附颗粒物能力数据，实现植物在不同风速和污染浓度下对颗粒物滞留过程的研究。

本发明的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置及操作方法，寻求植物滞尘能力研究的技术突破，为植物滞尘过程机理研究提供基础，最终有助于指导绿化实践，更有效地解决空气污染问题。

本发明提供的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置通过数字调控系统控制风机，为植物产生不同的风速环境；调节气阀产生不同气压负荷和流速状态，定量控制不同颗粒物的添加量，模拟污染物浓度的暴露条件；通过上述相应调控系统可以模拟植物所处风速等级和空气颗粒物污染浓度环境条件，模拟自然的外界环境；在实验仓中放入待分析植物并固定，通过上述装置设置不同风力干扰，对不同待分析植物滞尘能力进行定量实验；在暴露实验过程中，不断采集植物样本，测定植物叶片上的颗粒物数量；定量分析不同枝冠结构和叶表面结构的植物对颗粒物的消减作用的影响程度，找到更适合于不同风速和颗粒物环境下的高效滞尘植物，对城市空气颗粒物污染控制及绿化树种选择具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明的一种具体实施方式中风洞仓的结构示意图。

图2是本发明的一种具体实施方式中风环境控制系统、加粉系统和植物滞尘暴露系统的切面示意图。

图3是本发明颗粒物监测过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明所涉及的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置包括：风环境控制系统、加粉系统、植物滞尘暴露系统和颗粒物测定系统。

如图1和2所示，风环境控制系统包括风洞仓和风力控制系统。风洞仓包括依次连接的动力段A、稳流段B、实验段C和稳定段D，以及设置在实验段C的侧壁上的门5。图1中显示的一个具体实施方式中，风洞仓全长4855mm，高1008mm，宽1120mm，形状如图1所示，动力段A为圆柱形直径为1120mm。实验段C长2000mm，宽1008mm，高1008mm。风力控制系统包括风机1、调频器6和第一蜂窝板2。门5为边长为0.8m的正方形。

动力段A用于安装风机1，产生不同大小风速。风机1与调频器6连接，由调频器6控制风机1，设定风速。经过风速测定仪测试，在一个具体实施方式中，调频器6可以调节0-13m/s内的风速，如调频器6显示3、13、25时，分别对应的风速为1m/s、3.5m/s、8m/s。

第一蜂窝板2安装在稳流段B的前端。

加粉系统包括气泵7、气阀8、进气管9、加粉瓶10、出气管11和加粉元件。加粉元件包括加粉口3和扩散管12。在一个具体实施方式中，气泵7最大气流量110L/min，为颗粒物添加提供动力。通过调节气阀8可以控制经过进气管9的气流量，控制加粉动力。加粉瓶10体积为40mL，盖子部位有两个口，一个安装进气管9，一个安装出气管11，进气管9插入底部，出气管11安装在盖子顶部。气管直径为8mm。扩散管12底部密封，而四周布满小孔，颗粒物随气流从小孔喷洒而出(如图2扩散管12附近的箭头所示)，均匀扩散在稳流段B。最后随平行风进入实验段C。

在一个具体实施方式中，经测定本发明的加粉系统可以实现SiO₂颗粒物添加速率为0-4000mg/min，如气阀调节在1/3、1/2、3/5位置时可以实现1000mg/min、2000mg/min、3000mg/min的添加速率。

植物滞尘暴露系统包括固定台4、隔板14、圆柱状凹槽15、垂直支架13和第二蜂窝板21。实验段C的顶部和底部均设置有固定台4。第二蜂窝板21安装在稳定段D的前端。

固定台4由7排平行的隔板14组成。每块隔板14位置设有两个圆柱状凹槽15，在有需要的时候可以插入两根钢管，用于固定垂直支架13。

垂直支架13包括网格板和固定夹。网格板便于植物插入，固定夹对插入的植物进行固定。垂直支架13可以拆卸。

如图3所示，所述颗粒物测定系统装置包括枝剪16、浸泡桶17，颗粒物计数器18。颗粒物监测过程为：将植物滞尘暴露系统中经过滞尘暴露实验的植物样本取出；用枝剪16将叶片剪入浸泡桶17，由浸泡桶17中的浸泡液(比如蒸馏水)浸泡一定时间(比如两小时)；尽可能去除叶片上的颗粒物后，颗粒物计数器18检测浸泡桶17中液体的颗粒数量。在一个具体实施方式中，浸泡桶17为5L有盖圆形塑料桶，颗粒物计数器测18为激光粒度计数器。

本发明还提供植物滞尘机理研究的风洞模拟装置的操作方法，包括以下步骤：

(1)根据实验要求选取用于植物枝条样本和颗粒物粉末；

(2)将植物样本固定在植物滞尘暴露系统中的固定台4或垂直支架13上，将颗粒物粉末加入加粉瓶10；

(3)根据实验需求，调节风力控制系统中的调频器6控制风机1，设定风速；

(4)根据实验需求调节加粉系统中的气阀8位置，控制气流量，控制加粉速度；

(5)开启风机1和气泵7，风机1运转，产生风速，颗粒物随气流通过扩散管12扩散到空气中，随风进入实验段C与植物样本接触。

(6)根据实验需求，取出植物样本；

(7)将植物样本的叶片剪入放有固定量蒸馏水的浸泡桶17，浸泡两小时；

(8)清理叶片上颗粒物后取出叶片(指尽可能的叶片上的将颗粒物清理到浸泡桶17内的液体中)，用颗粒物计数器18测定浸泡桶17内的液体里的颗粒物数量。

实验例1：

按照前述利用本发明的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置模拟女贞在3.5m/s风速，1000mg/min加粉速率条件下，分析其在25分钟内吸附2.5μm的SiO₂颗粒物变化过程。具体步骤为：

(1)选取长为18cm的女贞小枝18条。足够多的2.5μm的SiO₂颗粒物粉末；

(2)将15条女贞小枝分三排均匀固定在实验段的垂直支架上，另外3条作为空白对照，将2.5μm的SiO₂颗粒物粉末加入加粉瓶；

(3)调节调频器数值为13，设定风速为3.5m/s；

(4)调节气阀在1/3位置处，设定颗粒物添加速率1000mg/min；

(5)开启风机和气泵，并开始计时；

(6)每隔5分钟，随机快速取出3个女贞小枝样本，持续模拟25分钟；

(7)将植物样本叶片剪入盛有400ml蒸馏水的浸泡桶，编号，盖上盖子防止污染，浸泡2小时；

(8)清理叶片上颗粒物后取出叶片，用颗粒物计数器测定液体里的颗粒物数量，得出叶片吸附总颗粒物数量。

(9)每个时间段上的设置3个重复样本均值，代表此时段叶片颗粒物数量，通过曲线拟合，得出女贞在3.5m/s风速下，颗粒物添加速率1000mg/min时，滞留吸附2.5μm的SiO₂颗粒物过程特征及能力。

实验例2：

按照前述利用本发明的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置模拟女贞在8m/s风速，2000mg/min加粉速率条件下，分析其在25分钟内吸附2.5μm的SiO₂颗粒物变化过程，具体步骤为：

(1)选取长为18cm的女贞小枝18条。足够多的2.5μm的SiO₂颗粒物粉末；

(2)将15条女贞小枝分三排均匀固定在实验段的垂直支架上，另外3条作为空白对照，将2.5μm的SiO₂颗粒物粉末加入加粉瓶；

(3)调节调频器数值为25，设定风速为8m/s；

(4)调节气阀在1/2位置处，设定颗粒物添加速率2000mg/min；

(5)开启风机和气泵，并开始计时；

(6)每隔5分钟，随机快速取出3个女贞小枝样本，持续模拟25分钟；

(7)将植物样本叶片剪入盛有400ml蒸馏水的浸泡桶，编号，盖上盖子防止污染，浸泡2小时；

(8)清理叶片上颗粒物后取出叶片，用颗粒物计数器测定液体里的颗粒物数量，得出叶片吸附总颗粒物数量。

(9)每个时间段上的设置3个重复样本均值，代表此时段叶片颗粒物数量，通过曲线拟合，得出女贞在8m/s风速，2000mg/min加粉速率条件下，滞留吸附2.5μm的SiO₂颗粒物过程特征及能力。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。尤其是上述具体实施方式中所公开的尺寸，并非对本发明的限定，而是为了更好地帮助理解本发明。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，其特征在于，包括风环境控制系统、加粉系统和植物滞尘暴露系统；所述风环境控制系统包括风机，用于产生模拟风速；所述加粉系统包括位于所述风机下风处的加粉元件，用于添加颗粒物，模拟颗粒污染；所述植物滞尘暴露系统位于所述加粉元件的下风处，用于固定植物样本。

2.如权利要求1所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，其特征在于，所述风环境控制系统还包括第一蜂窝板和控制所述风机的调频器；所述第一蜂窝板位于所述风机和所述加粉元件之间，用于形成稳定均匀的平行风速。

3.如权利要求2所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，其特征在于，所述风环境控制系统还包括风洞仓；所述风洞仓包括依次连接的动力段、稳流段、实验段和稳定段，还包括设置在所述实验段的侧壁上的门；所述风机设置在所述动力段上；所述第一蜂窝板设置在所述稳流段的前端；所述加粉元件包括加粉口，所述加粉口设置在所述稳流段的顶部上；所述植物滞尘暴露系统设置在所述实验段和所述稳定段上。

4.如权利要求3所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，其特征在于，所述植物滞尘暴露系统包括第二蜂窝板；所述第二蜂窝板设置在所述稳定段的前端，将所述实验段和所述稳定段分隔开，用于平稳疏导气流，防止气流快速扩散导致所述实验段的风环境改变。

5.如权利要求1所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，其特征在于，所述加粉系统还包括依次连接的气泵、气阀、进气管、加粉瓶和出气管；所述加粉元件包括扩散管；所述扩散管与所述出气管连通；所述加粉系统被设置为：所述气泵产生气流，为颗粒物添加提供动力；所述气阀控制经过所述进气管的气流量；气流随所述进气管进入所述加粉瓶，使所述加粉瓶内的颗粒物悬浮，并随气流从所述出气管进入所述扩散管；所述扩散管的底部密封，而四周布满小孔，在气压作用下，颗粒物随气流从所述小孔喷洒而出；所述扩散管位于所述风机和所述植物滞尘暴露系统之间。

6.如权利要求1所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，其特征在于，所述植物滞尘暴露系统包括固定台；所述固定台包括隔板；所述隔板上设置有圆柱状凹槽。

7.如权利要求6所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，其特征在于，所述植物滞尘暴露系统还包括垂直支架；所述垂直支架可拆卸地设置在所述固定台上；所述垂直支架包括网格板和固定夹。

8.如权利要求1-7任一项所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置，其特征在于，还包括颗粒物测定系统，用于测定不同时段植物吸附颗粒物能力和后期数据分析；所述颗粒物测定系统包括浸泡容器和颗粒物计数器。

9.一种如权利要求8所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据实验要求选取植物样本和颗粒物粉末；

2)将选定的植物样本固定在所述植物滞尘暴露系统的固定台或垂直支架上，将选定的颗粒物粉末加入所述加粉系统；

3)根据实验需求，调节所述风环境控制系统，设定风速；

4)根据实验需求调节所述加粉系统，控制气流量，从而控制加粉速度；

5)开启所述风机和所述加粉系统的气泵；

6)在实验要求的暴露时间后，从所述植物滞尘暴露系统中取出所述植物样本；

7)将所述步骤6)取出的植物样本的叶片剪入放有浸泡液的所述浸泡容器，浸泡；

8)将所述步骤7)中经过浸泡的叶片上的颗粒物清理到所述浸泡容器的液体中后，取出叶片，用所述颗粒物计数器测定所述浸泡容器中的液体里的颗粒物数量。

10.如权利要求9所述的植物滞尘机理研究的风洞模拟装置的操作方法，其特征在于，所述步骤七中的浸泡液为蒸馏水，浸泡时间是2小时；所述步骤八中清理叶片用的也是蒸馏水；同批次的实验分别所用到的作为浸泡和清理的蒸馏水的量是相同的；所述步骤二中所述颗粒物粉末加入所述加粉系统的加粉瓶中。