CN110333043A

CN110333043A - 一种便捷小型的近地面大气边界层风洞及其在人群风险暴露评估中的应用

Info

Publication number: CN110333043A
Application number: CN201910419507.3A
Authority: CN
Inventors: 安太成; 张婷; 李桂英; 王祖明
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2019-10-15
Anticipated expiration: 2039-05-20
Also published as: CN110333043B; WO2020233569A1

Abstract

本发明公开了一种便捷小型的近地面大气边界层风洞及其在人群风险暴露评估中的应用。该近地面大气边界层风洞包括风洞主体和回流稳定装置；风洞主体设有自然风注入装置和模拟测试装置，自然风注入装置与模拟测试装置连接，模拟测试装置与回流稳定装置连接；自然风注入装置设有依次连接的管道风机、旋流混风管、扩散均流器和气旋分配管；扩散均流器内的中心位置设有防流动分离的内构件；旋流混风管内设有静态混合螺旋棒，静态混合螺旋棒焊接在旋流混风管的内壁面。该风洞对大气‑污染物环境迁移和转化行为测量，缩减了风洞的占地面积，节约了投资。能解决局部区域的近地面层大气污染物在环境迁移转化过程及其对人群健康影响的评估问题。

Description

一种便捷小型的近地面大气边界层风洞及其在人群风险暴露评估中的应用

技术领域

本发明属于风洞装置设计和搭建，扩散和风险暴露评估方法技术领域，更具体地，涉及一种便捷小型的近地面大气边界层风洞及其在人群风险暴露评估中的应用。

背景技术

目前主流的风洞呈大型化，大型风洞的设计、搭建的目标多为空气动力学试验所需，其试验过程复杂；且风洞一般呈直筒式，内部安装蜂窝器，占地面积大，建筑造价高。

由于近地面边界层风洞内的流场会影响大气污染物的迁移转化特征，特别是在复杂多因素，如地形、源排放、气候气象等影响下，大气污染物环境迁移和转化对人体健康影响的评估问题急需采用可靠的实验手段来解决。因而，设计便携式、模拟自然风场、可用于突发环境污染物事件预警和大气污染物暴露的人体健康评估的小型便携风洞极为有意义。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种便捷小型的近地面大气边界层风洞。该风洞能解决局部区域的近地面层大气污染物在环境迁移转化过程及其对人群健康影响的评估问题。

本发明另一目的在于提供上述便捷小型近地面大气边界层风洞的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种便捷小型的近地面大气边界层风洞，所述近地面大气边界层风洞包括风洞主体和回流稳定装置；所述的风洞主体设有自然风注入装置和模拟测试装置，所述自然风注入装置、模拟测试装置和回流稳定装置依次连接；所述自然风注入装置设有依次连接的管道风机、旋流混风管、扩散均流器和气旋分配管；所述扩散均流器内的中心位置设有防流动分离的内构件；所述旋流混风管内设有静态混合螺旋棒，所述静态混合螺旋棒焊接在所述旋流混风管的内壁面。

进一步地，所述的自然风注入装置设有切向进风口和轴向风口，所述旋流混风管设有外管和内管，所述外管通过所述切向进风口连于所述管道风机；所述轴向风口设有静态风叶、涡旋阻流器和多孔介质填充件。

更进一步地，所述的防流动分离的内构件为耐温耐蚀材质，所述耐温耐蚀材质为碳化硅、石墨烯或不锈钢，所述防流动分离的内构件的形状为环形、螺旋形或扇页形；所述的静态混合螺旋棒为多孔波纹板板束或螺旋棒组。

进一步地，所述回流稳定装置设有连接的弯头管、引风管、变径管和回流风管；所述的弯头管包括第一弯头管、第二弯头管和第三弯头管，所述第一弯头管的两端分别连接于所述模拟测试装置和所述引风管，所述引风管连于所述第二弯头管，所述第二弯头管与所述回流风管连接，所述变径管的两端分别与所述回流风管和所述第三弯头管连接，所述第三弯头管与所述管道风机连接。

更进一步地，所述的弯头管和回流风管为正方形或圆环形，所述的弯头管和回流风管的管截面积为0.01～1m²，所述的变径管和回流风管的管长为0.1～10m。

进一步地，所述的模拟测试装置的两侧和/或上方通过排风箱与大气连通，所述排风箱的箱壁面呈喇叭式，所述的排风箱的箱壁面为多孔结构。

更进一步地，所述的模拟测试装置内设置地形模型，所述地形模型上设有采样孔、进样孔或带培养基的沟槽，所述采样孔和进样孔为圆形、椭圆形、矩形或多边形；所述采样孔和进样孔的孔截面积为0.001～1m²。

更进一步地，所述的地形模型的表面上布置水道、生物标志物、带温控功能的材料中的一种以上。

优选地，所述的生物标志物为鳞叶藓、泥炭藓、赤茎藓、狭叶扭口藓、葫芦藓、大灰藓或跳虫；所述的带温控功能的材料为聚氨酯、聚乙烯、聚苯乙烯、泡沫玻璃、氧化镁、纳米二氧化硅、铝中的一种以上；所述的带温控功能的材料的导热系数λ为0.001～250W/(m·K)。

所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞在局部区域的近地面层大气污染物扩散与人群风险暴露评估，或者在环境迁移转化过程对人群健康影响评估中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明将传统风洞设计成回流式，能模拟自然风污染物扩散状态的回流，不仅适合于近地面大气边界层流体流动动力学测试，而且适合于大气-污染物环境迁移和转化行为测量，缩减了风洞的占地面积，节约了投资。

2.本发明通过双进风口的设计，提升了传统风洞的单因素测试功能，实现了“拟自然风”风洞的时空大气污染物控制及观测功能。

3.本发明的风洞可以对近地面区的大气边界层污染源连续、间歇排放及季风等自然风、逆温湿度等气象气候变化、人类活动影响下的大气流动、浓度场模拟，通过对大气污染物环境迁移和转化过程的可视化模型观测，可用于人群风险暴露评估过程中的应用，特别是在环境迁移转化过程对人群健康影响评估的应用，实现对大气污染物扩散区域的危害进行定性定量测试与暴露评估，如人群健康风险评估、污染事件应急预警评估等，结构简单、经济可行，值得推广。

4.本发明的风洞呈密封的环流式，节省了建筑空间，适合于挥发性、半挥发性大气VOCs污染物的拟自然风迁移转化行为测试，是一种可用于突发大气污染事件预警的高分辨率、高精确度、经济可靠的便携式环境风洞装置，也可以用于大气污染事件中暴露人群的风险暴露评估。

5.本发明的便捷小型的近地面大气边界层风洞可以构建自然风(如调整风向、风速、风压，风形态，如旋风，局地环流等)的回转式风洞，在测试装置内开展不同地形条件下的局部区域的大气污染暴露评估研究。

附图说明

图1为本发明便捷小型的近地面大气边界层风洞结构的俯视图。

图2为近地面大气边界层风洞结构的侧视图。

图3为实施例2中的近地面大气边界层风洞结构的俯视图。

图4为实施例2中的大气污染物对人群健康风险的评估示意图。

图5为实施例3中的风洞示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。

实施例1

图1为本发明便捷小型的近地面大气边界层风洞结构的俯视图。其中，管道风机1，旋流混风管2，扩散均流器3，自然风注入装置4，模拟测试装置5，回流稳定装置6，第一弯头管7，引风管8，第二弯头管9，回流风管10，变径管11，第三弯头管12，排风箱13，进样孔14，采样孔15，气旋分配管16，为气流流动方向。

本发明的近地面大气边界层风洞包括风洞主体和回流稳定装置6；所述的风洞主体设有自然风注入装置4和模拟测试装置5，所述自然风注入装置4、模拟测试装置5和回流稳定装置6依次连接；所述自然风注入装置4设有依次连接的管道风机1、旋流混风管2、扩散均流器3和气旋分配管16；所述扩散均流器3内的中心位置设有防流动分离的内构件17；所述旋流混风管2内设有静态混合螺旋棒18，所述静态混合螺旋棒18焊接在所述旋流混风管2的内壁面。

自然风注入装置4通过旋流混风管2和扩散均流器3可以实现旋转风的构建；切向进风口、轴向风口及气旋分配管2的设置不仅可以满足装置供气排气实验的需要，还有利于自然风的模拟条件的设计。轴向风口可以作为进气口也可以作为出气口，使自然风通过切向进风口、轴向风口在气旋分配管2混合。当所述的模拟测试装置4中放置地形模型提供了测试不同区域地表情况的近地面大气边界层气流流动测试空间；当调节排风箱13的开度，风洞可以实现不同条件(如温度、湿度、浓度、组份)的大气污染物基于不同地表特征的人群风险暴露评估的功能。回流稳定装置6可使气流回转流动，实现对具有地形模型的实验装置内的大气流场(如速度场、浓度场、剪切应力场、湍流动能场等)的不同时间-空间的高分辨率测量。

图2为近地面大气边界层风洞结构的侧视图。所述旋流混风管2分为外管和内管，所述的自然风注入装置4设有切向进风口(外管)和轴向风口(内管)，所述的切向进风口与所述管道风机1连接；所述外管通过所述切向进风口连于所述管道风机1；所述的轴向风口设有静态风叶、涡旋阻流器和多孔介质填充件。

所述回流稳定装置6设有连接的弯头管、引风管8、变径管11和回流风管10；所述的弯头管包括第一弯头管7、第二弯头管9和第三弯头管12，所述第一弯头管7的两端分别连接于所述模拟测试装置5和所述引风管8，所述引风管8连于所述第二弯头管9，所述第二弯头管9与所述回流风管10连接，所述变径管11的两端分别与所述回流风管10和所述第三弯头管12连接，所述第三弯头管12与所述管道风机1连接。

所述的防流动分离的内构件17为耐温耐蚀材质，所述耐温耐蚀材质为碳化硅、石墨烯或不锈钢，所述防流动分离的内构件17的形状为环形、螺旋形或扇页形；所述的静态混合螺旋棒18为多孔波纹板板束或螺旋棒组。

所述的弯头管和回流风管10为正方形或圆环形，所述的弯头管和回流风管10的管截面积为0.01～1m²，所述的变径管11和回流风管10的管长为0.1～10m。

所述的模拟测试装置4的两侧和/或上方通过排风箱13与大气连通，所述排风箱13的箱壁面呈喇叭式，所述的排风箱13的箱壁面为多孔结构。

所述的模拟测试装置4内设置地形模型，所述地形模型上设有采样孔15、进样孔14或带培养基的沟槽，所述采样孔15和进样孔14为圆形、椭圆形、矩形或多边形；所述采样孔15和进样孔14的孔截面积为0.001～1m²。

所述的地形模型的表面上布置水道、生物标志物、带温控功能的材料中的一种以上。

为了模拟真实的环境，所述的生物标志物为鳞叶藓、泥炭藓、赤茎藓、狭叶扭口藓、葫芦藓、大灰藓或跳虫；所述的带温控功能的材料为聚氨酯、聚乙烯、聚苯乙烯、泡沫玻璃、氧化镁、纳米二氧化硅、铝中的一种以上；所述的带温控功能的材料的导热系数λ为0.001～250W/(m·K)。

实施例2

一种便捷小型的近地面大气边界层风洞，如图3所示，与图1中所述结构相同外，在所述的扩散均流器3内设有防流动分离的内构件17；所述内构件17呈伞骨状，起到破碎旋涡均流作用，置放在所述扩散均流器3内的中心位置，以保证模拟测试装置的进风条件一致；所述的旋流混风管2内设有多组静态混合螺旋棒18，所述静态混合螺旋棒18呈螺旋带状捆扎成束，焊接在旋流混风管2的内壁面上，可以使拟自然风浓度、速度、流型能均匀稳定。根据风洞测试段进口管风速模拟结果，在经过风速稳定性评估的1.5m/s风速下进行风洞自然风场测定，数据采集点分布于采样孔15的点s1，点s2，点s3，实验测试的相对湿度分别设置为90％RH，60％RH，45％RH，30％RH，15％RH。风洞内的地形模型内有一个进样孔14，该进样孔位于地形模型的山顶处，孔形为矩形，孔截面积为0.05m²。进样孔14的进气速度为3.3m/s，进样组份为100μg/m³的甲苯-大气混合气体。风洞内的风速均匀稳定，测试区进风风速波动率5％以下，流场品质能够满足试验的要求。对应国内风洞的规范要求，本发明中所述的风洞的动压场系数，气流偏角，动压稳定性，紊流度，轴向静压梯度均小于规范要求。

采用计算流体力学方法，通过风洞数值建模，对风洞的模型测试区内的流场模拟，使风洞的模型模拟测试的区进口侧大气气流能够实现风速波动值低。本发明设计的风洞进口侧的流场分布均匀，测试区的速度场和浓度场分布与实际采样点测试的结果偏差在10％以下。本风洞内布置的内构件能够根据自然风的要求，调整涡流整合和破碎功能，更仿真的实现了“拟自然”风效果。对大气甲苯污染物在测试区内的工业区污染物的分布对人体健康风险进行评估，图4为本实施例中的大气污染物对人群健康风险的评估示意图。从图4中可知，各已知面积的格栅区域的污染物浓度值和人体健康风险值，故而推断高健康风险值的区域应加强人群风险暴露管理。本实施例通过设置地形模型模拟测试区的污染源排放特征和生物覆盖仿真，显著提高了风洞在生态环境领域的应用性，在近地面大气边界层大气污染物扩散与污染物控制过程中成功应用，并尝试预测了不同大气污染区域对与人体健康风险的影响，其应用和推广意义大。

实施例3

基于图5所示的风洞结构，数据采集点分布于采样孔15的点s4，点s5和点s6，实验测试的湿度设置为90％RH，风速为3.3m/s，风向N，地形模型中以数据采集点s4为中心，周围直径0.1m的圆周区域内布置葫芦藓。风洞内的地形模型内有一个进样孔，该进样孔14位于地形模型的工业区内，孔形为圆形，孔截面积为0.1m²，进样孔的进气速度为0.5m/s，进样组份为300μg/m³的二甲苯-大气混合气体。风洞扩散均流装置内设有伞骨状内构件17，旋流混风管内安装碳化硅材质的静态混合螺旋棒18。呼吸性烟尘(粒径为2.5-10μm)和示踪粒子空心玻璃珠(粒径80μm)的质量比例为0.1：9.9，占比为0.1g/m³。风洞内进口侧的风速、大气污染物浓度均匀稳定，测试区进风的污染物-示踪粒子浓度波动率在10％以下。在紫外光照射下，风洞运行4小时、8小时、12小时、24小时、48小时后，分别对地形模型中山谷区培植的大灰苔藓生存指标和叶绿素总量衰减率进行测试，苔藓的叶绿素总量衰减率和存活率分别为99.3％，98.6％、79.59％，80.0％、77.1％，79.3％、81.6％，79.59％、80.0％，81.1％。由于可见，随着污染物光解反应时间的增加，风洞内山谷内居民区的大气污染人群风险暴露程度呈先上升、随后下降，继而趋平的趋势。

采用计算流体力学方法，对风洞的气旋分配管16内的浓度场进行了模拟，发现风洞的模型测试区进口侧大气气流能够实现风速波动值低，同时从浓度场时空变化趋势模拟结果来看，居民区大气中二甲苯在排放48小时的浓度也呈较低值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述近地面大气边界层风洞包括风洞主体和回流稳定装置；所述的风洞主体设有自然风注入装置和模拟测试装置，所述自然风注入装置、模拟测试装置和回流稳定装置依次连接；所述自然风注入装置设有依次连接的管道风机、旋流混风管、扩散均流器和气旋分配管；所述扩散均流器内的中心位置设有防流动分离的内构件；所述旋流混风管内设有静态混合螺旋棒，所述静态混合螺旋棒焊接在所述旋流混风管的内壁面。

2.根据权利要求1所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述的自然风注入装置设有切向进风口和轴向风口，所述旋流混风管设有外管和内管，所述外管通过所述切向进风口连于所述管道风机；所述轴向风口设有静态风叶、涡旋阻流器和多孔介质填充件。

3.根据权利要求1所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述的防流动分离的内构件为耐温耐蚀材质，所述耐温耐蚀材质为碳化硅、石墨烯或不锈钢，所述防流动分离的内构件的形状为环形、螺旋形或扇页形；所述的静态混合螺旋棒为多孔波纹板板束或螺旋棒组。

4.根据权利要求1所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述回流稳定装置设有连接的弯头管、引风管、变径管和回流风管；所述的弯头管包括第一弯头管、第二弯头管和第三弯头管，所述第一弯头管的两端分别连接于所述模拟测试装置和所述引风管，所述引风管连于所述第二弯头管，所述第二弯头管与所述回流风管连接，所述变径管的两端分别与所述回流风管和所述第三弯头管连接，所述第三弯头管与所述管道风机连接。

5.根据权利要求4所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述的弯头管和回流风管为正方形或圆环形，所述的弯头管和回流风管的管截面积为0.01～1m²，所述的变径管和回流风管的管长为0.1～10m。

6.根据权利要求1所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述的模拟测试装置的两侧和/或上方通过排风箱与大气连通，所述排风箱的箱壁面呈喇叭式，所述的排风箱的箱壁面为多孔结构。

7.根据权利要求6所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述的模拟测试装置内设置地形模型，所述地形模型上设有采样孔、进样孔或带培养基的沟槽，所述采样孔和进样孔为圆形、椭圆形、矩形或多边形；所述采样孔和进样孔的孔截面积为0.001～1m²。

8.根据权利要求7所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述的地形模型的表面上布置水道、生物标志物、带温控功能的材料中的一种以上。

9.根据权利要求8所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞，其特征在于，所述的生物标志物为鳞叶藓、泥炭藓、赤茎藓、狭叶扭口藓、葫芦藓、大灰藓或跳虫；所述的带温控功能的材料为聚氨酯、聚乙烯、聚苯乙烯、泡沫玻璃、氧化镁、纳米二氧化硅、铝中的一种以上；所述的带温控功能的材料的导热系数λ为0.001～250W/(m·K)。

10.权利要求1-9任一项所述的便捷小型的近地面大气边界层风洞在局部区域的近地面层大气污染物扩散与人群风险暴露评估，或者在环境迁移转化过程对人群健康影响评估中的应用。