CN110530596A - 模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置和方法，该装置包括回流式边界层风洞、挡板、临时观测屋和在线观测仪器，所述风洞包括入口段、动力段、试验段和出口段；所述入口段设有进气门，出口段设有排气门，所述动力段设有风机，所述挡板设有两个，两挡板分别可拆卸的设置于试验段两端；所述临时观测屋位于回流式边界层风洞外部，所述在线观测仪器位于临时观测屋内，所述试验段内在两挡板之间设有采样头，所述采样头通过管道与在线观测仪器连接，本发明采用风洞来模拟环境空气中细粒子增长和消退的过程，不受到外界风速或边界层高度变化的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境大气中细颗粒物浓度快速变化的模拟方法，具体涉及一种环境空气中细粒子浓度增长和消退的风洞试验模拟方法。
背景技术
我国已经成从城市污染演变成区域型、复合型大气污染，雾霾天气频发。2013年，京津冀和长三角地区出现了几次严重的雾霾污染，引起了政府部门和社会公众的一致关注。雾霾的本质是大气复合污染产生的高浓度大气细粒子（如PM2.5、PM1）因其消光作用导致的大气能见度急剧降低。细粒子生成和迅速增长是导致重霾事件频发的关键，因此能模拟细粒子快速增长和消退过程对研究雾霾的成因机制和调控及其重要。
目前对细粒子特性变化的研究手段主要是直接现场观测和静态烟雾箱模拟。现场观测操作方便，但容易受到风速大小和边界层高度、光照强度等等诸多其他外界因素的影响，会对研究结果产生一定的干扰，且无法重复获得观测结果。静态箱模拟可进行控制实验，但由于体积限制，以及模拟条件限制，往往无法精准模拟真实的大气环境，且壁损失也会影响试验的结果。目前尚无一种方法可以模拟自然环境空气中细粒子浓度变化过程。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种模拟环境空气中细粒子增长和消退的风洞试验模拟方法，可规避传统现场观测或静态箱模拟细粒子特性带来的局限性和不确定性。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，包括回流式边界层风洞、挡板、临时观测屋和在线观测仪器，所述风洞包括入口段、动力段、试验段和出口段；所述入口段设有进气门，出口段设有排气门，所述动力段设有风机，所述挡板设有两个，两挡板分别可拆卸的设置于试验段两端；所述临时观测屋位于回流式边界层风洞外部，所述在线观测仪器位于临时观测屋内，所述试验段内在两挡板之间设有采样头，所述采样头通过管道与在线观测仪器连接。
对上述技术方案的进一步设计为：该装置还包括小型气象站，所述小型气象站位于试验段内且位于两挡板之间。
所述在线观测仪器包括污染气体观测仪、PM2.5在线监测仪和黑碳气溶胶质谱仪。
所述采样头包括第一采样头、第二采样头和大气采样总管，所述第一采样头与PM2.5在线监测仪连接，第二采样头与黑碳气溶胶质谱仪连接，大气采样总管与污染气体观测仪连接。
所述第一采样头、第二采样头和大气采样总管设置于同一高度上。
所述PM2.5在线监测仪前端通过特氟龙进气管与第一采样头连接，后端设有第一外置采样泵，所述第一采样头进气口处设有第一旋风切割器。
所述黑碳气溶胶质谱仪通过特氟龙进气管与第二采样头连接，所述黑碳气溶胶质谱仪入口与特氟龙进气管之间还设有硅胶干燥管；所述第二采样头进气口处设有第二旋风切割器。
所述污染气体观测仪通过特氟龙管与大气采样总管连接，后端设有第二外置采样泵。
所述临时观测屋内设有空调。
一种模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验方法，该方法采用述试验装置，其特征在于：
打开回流式边界层风洞入口段的进气门和动力段的风机，从入口段将空气引入试验段内，等待空气混合均匀后，关闭风机和进气门，用两挡板将试验段两端封住，使试验段内形成封闭空间；
打开PM2.5在线监测仪和黑碳气溶胶质谱仪，记录细粒子浓度初始值，并监测空气细粒子浓度的变化，待细粒子浓度不再上升时，打开试验段内两端的挡板，开启进气门、风机和排气门，更换试验段内空气；直到PM2.5在线监测仪和黑碳气溶胶质谱仪观测到的细粒子浓度恢复到试验初始值并稳定时为止，记录细粒子浓度增长和消退的过程。
本发明与现有技术相比具有的有益效果为：
本发明提供了一种直接而有效的装置和方法来模拟环境空气中细粒子增长和消退的过程，不受到外界风速或边界层高度变化的影响，无需人为加入污染源，可真实反映试验地周围大气污染特征，可很好的研究空气细粒子演化的物理化学过程，为相关科研人员以及研究部门提供可靠的数据支持。
附图说明
图1为发明实施例中风洞结构示意图；
图2为发明实施例中试验段和临时观测屋结构示意图。
图中：1、回流式边界层风洞，2、进气门，3、风机，4、试验段，5、排气门，6、临时观测屋，7、PM2.5在线监测仪，8、VSCC旋风切割器，9、PM2.5在线监测仪外置采样泵，10、黑碳气溶胶质谱仪，12、2000-30EHB旋风切割器，12、硅胶干燥管，13、挡板，14、污染气体观测仪，15、污染气体观测仪外置采样泵，16、大气采样总管，17、第一计算机，18、第二计算机，19、小型气象站。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1和图2所示，本实施例的模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置包括回流式边界层风洞1、临时观测屋6、PM2.5在线监测仪7、黑碳气溶胶质谱仪10、挡板13、污染气体观测仪14和小型气象站19。
回流式边界层风洞1包括进气段，动力段，试验段4和出气段，入口段设有进气门2，出口段设有排气门5，动力段设有风机3，入口段和出口段分别与试验段4连通。PM2.5在线监测仪7、黑碳气溶胶质谱仪10和污染气体观测仪14均设置在临时观测屋6内；临时观测屋设置于试验段4外部且位于试验段4中心处的垂直下方，临时观测屋6内配置有制冷式空调，以保证各类观测仪器在适度温度下运行。
本实施例中挡板13为特氟龙挡板，且设有两个，两挡板13分别可拆卸的设置于试验段4两端，挡板13可将试验段4密封为密闭空间。试验段4内部在两挡板13之间设有小型气象站19、大气采样总管16、第一采样头和第二采样头，小型气象站19用于辅助记录温湿度、风速、气压等气象因子；大气采样总管16、第一采样头和第二采样头设置于同一高度内。
PM2.5在线监测仪7、黑碳气溶胶质谱仪10和污染气体观测仪14分成三路单独对空气中的颗粒物和气体进行采样；PM2.5在线监测仪7前端通过特氟龙进气管与第一采样头连接，后端设有第一外置采样泵9，所述第一采样头进气口处设有VSCC旋风切割器8；黑碳气溶胶质谱仪10通过特氟龙进气管与第二采样头连接，所述黑碳气溶胶质谱仪10入口与特氟龙进气管之间还设有硅胶干燥管12，用于保障采样样品均为颗粒物；所述第二采样头进气口处设有2000-30EHB旋风切割器11。两旋风切割器用于保障采集样品是细粒子（动力学直径≤2.5 µm）。污染气体观测仪14设有若干个，若干个污染气体观测仪14分别用于监测不同的污染气体，若干个污染气体观测仪14进气口通过特氟龙管汇总后与大气采样总管16连接，若干个污染气体观测仪14后端均设有污染气体观测仪外置采样泵15。
本实施例在临时观测屋6内还设有第一计算机17和第二计算机18，PM2.5在线监测仪7和,污染气体观测仪14采集的数据连接至第一计算机17；黑碳气溶胶质谱仪10采集的数据连接至第二计算机18。
本实施例中PM2.5在线监测仪7采用美国Met One公司的BAM1020型，外置采样泵是美国GAST公司0523-101Q-G588DX型；黑碳气溶胶质谱仪10采用美国Aerodyne公司的SP-AMS型。
使用本实施例的装置模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验包括如下步骤：
步骤一、打开回流式边界层风洞1的进气门2和动力段风机3，从入口段将空气引入试验段4内，等待空气混合均匀后，关闭动力段风机3和进气门2，用挡板13封闭试验段内4的两端，使试验段4形成密闭空间。
步骤二、打开PM2.5在线监测仪7和黑碳气溶胶质谱仪10，记录细粒子浓度的初始值，并监测空气细粒子浓度的变化，此时细粒子浓度会不断上升。
步骤三、等待细粒子浓度不再上升时，拆除试验段4两端的挡板13，开启回流式边界层风洞1进气门2、动力段风机3和排气门5，来更换试验段4内空气，此时细粒子浓度会不断下降。
步骤四、待到PM2.5在线监测仪7和黑碳气溶胶质谱仪10监测到的细粒子浓度恢复到试验初始值并稳定时，方可重复进行下一次模拟试验。
本发明使用回流式边界层风洞来模拟细粒子浓度变化过程，由于回流式边界层风洞体积较大，可以较好反映出真实大气的污染情况，又可以控制风洞试验段的风速大小，排除风速和边界层高度变化的影响，可以较好模拟大气化学过程，比静态烟雾箱的模拟效果更好。本发明通过在风洞试验段4两端设置挡板13可在风洞内形成密闭空间，模拟环境空气中细粒子增长的过程，打开挡板可模拟空气中细粒子消退的过程，在模拟消退过程中可通过调节风机转速来判断风速对细粒子消退的影响。
若干污染气体观测仪14观测到的数据可用于分析细粒子增长原因，是否来源于气粒转化等。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：包括回流式边界层风洞、挡板、临时观测屋和在线观测仪器，所述风洞包括入口段、动力段、试验段和出口段；所述入口段设有进气门，出口段设有排气门，所述动力段设有风机，所述挡板设有两个，两挡板分别可拆卸的设置于试验段两端；所述临时观测屋位于回流式边界层风洞外部，所述在线观测仪器位于临时观测屋内，所述试验段内在两挡板之间设有采样头，所述采样头通过管道与在线观测仪器连接。
2.根据权利要求1所述模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：还包括小型气象站，所述小型气象站位于试验段内且位于两挡板之间。
3.根据权利要求2所述模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：所述在线观测仪器包括污染气体观测仪、PM2.5在线监测仪和黑碳气溶胶质谱仪。
4.根据权利要求3所述模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：所述采样头包括第一采样头、第二采样头和大气采样总管，所述第一采样头与PM2.5在线监测仪连接，第二采样头与黑碳气溶胶质谱仪连接，大气采样总管与污染气体观测仪连接。
5.根据权利要求4所述模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：所述第一采样头、第二采样头和大气采样总管设置于同一高度上。
6.根据权利要求5所述模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：所述PM2.5在线监测仪前端通过特氟龙进气管与第一采样头连接，后端设有第一外置采样泵，所述第一采样头进气口处设有第一旋风切割器。
7.根据权利要求6所述模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：所述黑碳气溶胶质谱仪通过特氟龙进气管与第二采样头连接，所述黑碳气溶胶质谱仪入口与特氟龙进气管之间还设有硅胶干燥管；所述第二采样头进气口处设有第二旋风切割器。
8.根据权利要求7所述模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：所述污染气体观测仪通过特氟龙管与大气采样总管连接，后端设有第二外置采样泵。
9.根据权利要求8所述模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验装置，其特征在于：所述临时观测屋内设有空调。
10.一种模拟空气细粒子浓度增长和消退的风洞试验方法，该方法采用权利要求采用权利要求9所述试验装置，其特征在于：
打开回流式边界层风洞入口段的进气门和动力段的风机，从入口段将空气引入试验段内，等待空气混合均匀后，关闭风机和进气门，用两挡板将试验段两端封住，使试验段内形成封闭空间；
打开PM2.5在线监测仪和黑碳气溶胶质谱仪，记录细粒子浓度初始值，并监测空气细粒子浓度的变化，待细粒子浓度不再上升时，打开试验段内两端的挡板，开启进气门、风机和排气门，更换试验段内空气；直到PM2.5在线监测仪和黑碳气溶胶质谱仪观测到的细粒子浓度恢复到试验初始值并稳定时为止，记录细粒子浓度增长和消退的过程。
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