CN114252376B - 气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统及方法，通过依次设置常温系统环境后进行气溶胶浓度测定，得到常温重力沉降速度；设置冷热系统环境后进行热泳导致的气溶胶浓度测定，得到热泳导致的气溶胶迁移速度以及实时的热泳沉积速度；设置扩散电泳系统环境后进行扩散电泳的气溶胶浓度测定，得到由于热泳导致的气溶胶沉积质量以及扩散电泳导致的气溶胶迁移速度；最后基于三个测定结果得到机制独立作用下的气溶胶迁移速度。本发明能够模拟核电厂中包括重力沉积、热泳和扩散电泳等多种气溶胶迁移过程，通过将每个气溶胶迁移机制进行包括多种单项性迁移机制的独立测试，实现单向性迁移机制作用下的迁移速度。

Description

气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种核电设施维护领域的技术，具体是一种包括重力沉降、热泳、扩散电泳在内的气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统及方法。

背景技术

核电厂严重事故下，放射性裂变产物会以气态、液滴和气溶胶等多种形式存在于安全壳内。其中，放射性裂变产物以固态或液滴的形式悬浮在安全壳气空间中形成气溶胶，是其主要的存在形式。如果安全壳空间内压力超过极限承载力，可能导致安全壳破坏，放射性气溶胶释放到环境中，造成环境污染。福岛事故后，各国对严重事故下的核电厂内气溶胶行为特性越来越重视，为了缓解严重事故下的安全威胁，设计缓解措施，开发计算模型，需要对气溶胶迁移机制进行充分的了解。

核电厂气溶胶的迁移机制主要包括：重力沉降、温度梯度导致的热泳、壁面蒸汽冷凝导致的扩散电泳以及惯性导致的液滴拦截去除等。由于实际过程中气溶胶迁移过程往往是多种迁移机制耦合存在的过程，各种作用机制难以独立出现，比如：重力沉降过程中往往伴随着布朗扩散、热泳沉积中往往伴随着重力沉降、扩散电泳过程中往往伴随着热泳和重力沉降等。现有的研究手段主要集中在大型试验装置上开展气溶胶多种作用机制并存的综合性行为，缺少气溶胶单一机制的研究技术。而且大型试验装置试验开展困难，测量准确性低，难以开展单项性机制研究。而多个小型单一机制研究实验装置往往由于实验装置尺寸不同、实验条件不同、测量手段不同等因素影响导致每个实验的测量误差不同，难以获得比较准确的单一机制实验数据。

发明内容

本发明针对现有气溶胶多种单项性迁移机制技术的空白，提出一种气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统及方法，能够模拟核电厂中包括重力沉积、热泳和扩散电泳等多种气溶胶迁移过程，通过将每个气溶胶迁移机制进行包括多种单项性迁移机制的独立测试，获得单向性迁移机制作用下的迁移速度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统，包括：具有气溶胶注入端的实验容器以及与之相连的气溶胶发生模块、气体供应模块、设置于气溶胶注入管道上以及实验容器上的取样测量模块、设置于实验容器内壁面上的可拆卸贴片、温度场调节模块、温度场测量模块和冷凝液收集模块，其中：实验容器壁面上设有气溶胶进口，带有气溶胶注入器的气溶胶注入管线通过气溶胶进口伸入实验容器内，气溶胶发生模块通过气溶胶注入管线将发生的气溶胶通入实验容器，通过气体供应模块提供实验用气、载气和对实验管道进行扫气，温度场调节模块设置于实验容器的两侧壁面上用于对实验容器内形成温度梯度，温度场测量模块设置于实验容器内用于对温度场调节模块形成的温度场进行测量，用于扩散电泳试验中收集壁面及空间中形成的冷凝液的冷凝液收集模块位于实验容器底部。

所述的实验容器为两侧分别设有冷却水夹层和加热夹层的长方体容器，设置有冷却水夹层和加热夹层的两侧为不锈钢材质，另外两侧为导热性较差的有机玻璃。

所述的可拆卸贴片的表面附有吸附油脂，用于收集迁移到壁面上的气溶胶。

所述的实验容器壁面的上、下不同高度处设有两个气溶胶取样口。

所述的实验容器的下面设有梯台型集水槽和排水口，上表面设有排气管线。

所述的实验容器上设置有压力传感器。

所述的温度场调节模块包括：冷却模块和加热模块。

所述的冷却模块包括：冷却水夹层和自来水管道，该自来水管道上设置有流量调节阀。

所述的加热模块包括：加热夹层、导热片、热电阻、PLC控制模块、电加热器和循环油泵，其中：加热夹层位于冷却水夹层的对立面，与实验容器壁面之间设置有导热性较好的导热片，加热夹层内设置有导热油、热电阻和电加热器；电加热器加热功率受PLC控制模块控制，热电阻用于测量导热油温度并将温度信号传递给PLC控制模块，控制油温稳定；加热夹层外设置有循环管线和循环油泵，用于加热夹层内导热油的搅浑。

所述的温度场测量模块包括：位于实验容器内壁面上的壁面温度传感器和位于实验容器空间中的若干空间温度传感器，其中：空间温度传感器具体位于气溶胶注入口下部的实验容器空间中且等距布置3-5层。

所述的气溶胶发生模块包括：依次相连的气溶胶发生器、静电中和器和预混器，其中：气溶胶发生器为固体式气溶胶发生器和/或液体式发生器。

所述的气溶胶注入管线包括：注入管道和气溶胶注入器，其中：气溶胶注入器设置于实验容器的顶部且一端与注入管道相连，注入管道与气溶胶取样测量模块相连。

所述的气溶胶注入器具体位于实验容器上部中心靠近顶部壁面处，为上窄下宽的喇叭口圆台状结构。

所述的气溶胶取样测量模块包括：若干个取样探头和气溶胶测量设备，其中：取样探头伸入管道或实验容器内并与气溶胶测量设备相连，以对气溶胶进行离线和在线测量。

所述的气体供应模块包括：氮气供应模块和蒸汽发生器以及与之相连的调节阀和流量计。

所述的冷凝液收集模块包括：位于冷却夹层一侧的实验容器底部的冷却壁面冷凝液收集模块和用于收集其他壁面及空间中冷凝的液滴的其他冷凝液收集模块。

所述的冷却壁面冷凝液收集模块包括：冷凝液收集槽、导流板、排流孔、开关球阀和收集瓶，其中：冷凝液收集槽位于实验容器壁面底部，排流孔位于冷凝液收集槽底部的中心位置，导流板位于冷凝液收集槽上用于将收集槽中的冷凝液导流到排流孔中；排流孔、开关球阀和收集瓶依次连接用于将冷凝液收集槽中收集的冷凝液排放到收集瓶中。

所述的其他冷凝液收集模块包括：依次连接的梯台型集水槽、开关球阀和收集瓶。

所述的管线和管道外均包有保温结构。

本发明涉及一种基于上述系统的气溶胶多种单项性迁移机制的试验方法，通过依次设置常温系统环境后进行气溶胶浓度测定，得到常温重力沉降速度；设置冷热系统环境后进行热泳导致的气溶胶浓度测定，得到热泳导致的气溶胶迁移速度以及实时的热泳沉积速度；设置扩散电泳系统环境后进行扩散电泳的气溶胶浓度测定，得到实时的温度场以及扩散电泳导致的气溶胶迁移速度；最后基于三个测定结果得到机制独立作用下的气溶胶迁移速度。

所述的机制独立作用下的气溶胶迁移速度具体包括：重力作用机制下的气溶胶迁移速度、不同温度梯度热泳作用机制下的气溶胶迁移速度和扩散电泳作用机制下的气溶胶迁移速度。

所述的设置常温系统环境，包括：

步骤1：在实验容器的四个内壁面上贴上带有吸附油脂的可拆卸贴片；

步骤2：打开氮气供应模块和气溶胶发生模块，调节气体流量和气溶胶浓度至稳定；

步骤3：将三通球阀调至实验容器方向，将气溶胶通入实验容器。

所述的气溶胶浓度测定是指：

步骤i：通过气溶胶注入管线将气溶胶注入封闭的长宽高分别为L、W、H的实验容器，注入过程中记录进入实验容器内的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤ii：使用气溶胶取样测量模块对实验容器内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，记录实验时间T_t和气溶胶浓度C_上和C_下；

步骤iii：将可拆卸贴片取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测量沉积的气溶胶总量M、上部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，上}，下部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，下}，上部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，上，下部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，下，其中：t取值范围为0-T_t，Δt取值大于实时测量频率并尽可能小。

所述的常温重力沉降速度，即常温环境下排除布朗作用机制后第t秒的重力沉降速度

所述的设置冷热系统环境，包括：

步骤A：拆除实验容器四个内壁面上的三侧可拆卸贴片并保留冷却水夹层一侧的内壁面上的可拆卸贴片；

步骤B：打开冷却模块和加热模块，调节实验容器内的温度梯度至稳定，记录温度梯度ΔT；

步骤C：打开氮气供应模块和气溶胶发生模块，调节气溶胶浓度和载气流量稳定后，将三通球阀调至实验容器方向。

所述的热泳导致的气溶胶浓度测定是指：

步骤a：通过气溶胶注入管线将气溶胶注入封闭的长宽高分别为L、W、H的实验容器，记录注入管线内的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤b：使用气溶胶取样测量模块对实验容器内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，待容器中气溶胶浓度下降90％以上时，结束实验，记录实验时间T_t和气溶胶浓度C_上和C_下；

步骤c：实验结束将可拆卸贴片取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测量沉积的气溶胶总量M，上部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，上}，下部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，下}，上部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，上，下部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，下，其中：t取值范围为0-T_t，Δt取值大于实时测量频率并尽可能小。

所述的热泳导致的气溶胶迁移速度

所述的实时的热泳沉积速度

优选地，通过开展不同温度梯度ΔT下的实验，获得不同温度梯度导致的热泳迁移速度。

所述的设置扩散电泳系统环境，包括：

步骤一、在冷热系统环境的基础上打开蒸汽供应系统和加热模块对实验容器进行预热；

步骤二、打开氮气供应模块、蒸汽供应系统和气溶胶发生模块，调节气溶胶浓度和载气流量稳定后，将三通球阀调至实验容器方向。

所述的扩散电泳的气溶胶浓度测定是指：

步骤①通过气溶胶注入管线将气溶胶注入封闭的实验容器，注入过程中记录进入实验容器内的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤②打开冷却夹层的进水阀，使用气溶胶取样测量模块对对实验容器内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，记录气溶胶浓度C_上和C_下；实验温度场测量模块对实验过程中的温度场进行测量，使用冷凝液收集模块对冷凝液滴进行收集，持续记录容器中的温度梯度ΔT，待容器中气溶胶浓度下降90％以上后，结束实验，记录实验持续时间T_t；

步骤③实验结束将可拆卸贴片取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测得沉积在冷却表面的气溶胶总量为M₁；

步骤④对冷却夹层侧收集到的冷凝液中的气溶胶进行测量，测出沉积在冷凝水中的气溶胶总量为M₂；

步骤⑤计算扩散电泳中由于热泳导致的气溶胶沉积质量

其中：v_T(ΔT，t)为第t秒温度梯度为ΔT是的气溶胶热泳迁移速度，由上述的泳扩散机制测定获得；

步骤⑥计算实验过程中由于扩散电泳导致的平均气溶胶迁移速度

由于扩散电泳导致的实时的气溶胶迁移速度可以由以下步骤计算得出：

步骤⑦对其他冷凝液收集模块中收集到的冷凝液中的气溶胶进行测量，测出沉积在冷凝水中的气溶胶总量为M₄，上部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，上}，下部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，下}，上部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，上，下部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，下，其中：t取值范围为0-T_t，Δt取值大于实时测量频率并尽可能小。

所述的由于热泳导致的气溶胶沉积质量

所述的扩散电泳导致的气溶胶迁移速度

技术效果

本发明的显著效果在于通过特有的结构设计，获得温度梯度均匀稳定的实验环境，可以获得稳定温度梯度下的热泳迁移速度，通过特有的实验系统和实验方法设计，可以更为准确的分别获得重力、热泳、蒸汽冷凝导致的扩散电泳三种作用机制单一作用下的气溶胶迁移速度。

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

1)本系统通过在加热夹层与实验容器壁面之间设置导热性较好的导热片以及PLC恒温控制的加热模块设计，使得整个实验容器加热温度更加均匀；通过在加热面和冷却面之间选用导热性较差的有机玻璃以及冷却夹层采用持续通入的冷却水设计，使得实验过程中实验容器内可以保持长时间的稳定性更好、均匀性更好的温度场，能够更加准确的模拟仅有温度梯度存在的热泳迁移过程；

2)重力沉降机制测定方法通过测量并减去由于受布朗扩散等机制带来的横向运动导致的沉积误差，获得仅有重力沉降机制的任意时刻的气溶胶沉积速度，很好的避免了布朗扩散等机制带来的影响；

3)扩散电泳机制测定方法通过预热泳机制测定方法相结合，通过对实验系统和实验方法的独特设计，将扩散电泳和热泳及重力分开，可获得扩散电泳单一机制下的气溶胶迁移速度。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明的实验主体的主视图；

图3为本发明的可拆卸贴片布置示意图；

图4本发明的实验容器内的温度场测量布置图；

图5本发明的冷凝液收集模块结构的局部示意图；

图6本发明的冷凝液收集模块结构示意图。

图中：1氮气供应模块、2氮气流量计、3第一进气阀、4第二进气阀、5气溶胶发生器、6静电中和器、7蒸汽发生器、8蒸汽流量计、9预混器、10加热保温结构、11三通球阀、12实验容器、13压力传感器、14气溶胶注入器、15冷却壁面冷凝液收集模块、1501集水槽、1502导流板、1503排流孔、1504第一开关球阀、1505第一冷凝液收集瓶、16可拆卸贴片、17温度传感器、18温度场调节模块、1801加热夹层、1802循环油泵、1803热电阻、1804电加热器、1805PLC控制模块、1806导热片、1807冷却夹层、1808冷却水调节阀、19其他冷凝液收集模块、1901梯台型集水槽、1902第二开关球阀、1903第二冷凝液收集瓶、20实验容器气溶胶取样口、21气溶胶测量装置、22排气管线。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种多种单项性迁移机制的试验系统，包括：实验容器12、气体供应模块、气溶胶发生模块、气溶胶测量模块、温度场调节模块18、温度场测量模块和冷凝液收集模块15。

所述的实验容器1为两侧分别设有冷却水夹层1807和加热夹层1801的长方体容器，长宽高分别为300mm、600mm、1500mm，左右两侧分别设置有冷却水夹层1807和加热夹层1807的两侧壁面为不锈钢材质，前后两侧及顶部和底部为导热性较差的有机玻璃。

所述的实验容器1底部设有梯台型集水槽1901，上表面设有排气管线22。

所述的气体供应模块包括氮气供应模块1、氮气流量计2、第一进气阀3、第二进气阀4以及蒸汽发生器7、蒸汽流量计8，分别用于提供实验用的不凝性气体和水蒸气。

所述的气溶胶发生模块包括：依次相连的气溶胶发生器5、静电中和器6和预混器9，其中：所述的气溶胶发生器5为固体式气溶胶发生器和/或液体式发生器。

所述的氮气供应模块1通过第一进气阀3与预混器9相连，所述的氮气供应模块1通过第二进气阀4与气溶胶发生器5相连。

所述的蒸汽发生器7与蒸汽流量计8、预混器9依次相连。

所述的气体供应模块和气溶胶发生模块产生的气体和/或气溶胶在预混器9中混合，依次通过三通球阀11、气溶胶注入器14被注入到实验容器12中。

所述的气溶胶注入器14位于实验容器12上部中心靠近顶部壁面处，所述的注入器为上窄下宽的喇叭口圆台状结构，喇叭口的扩散角大于30°。

所述的气溶胶测量模块包括位于气溶胶注入管道上和实验容器12上的取样测量模块和固定在实验容器内壁面上的可拆卸贴片16。

所述的取样测量模块包括1个注入管道气溶胶取样测量和2个实验容器气溶胶取样测量，所述的注入管道气溶胶取样测量的取样口位于所述的三通球阀11的上游，所述的实验容器气溶胶取样口位于实验容器前壁面中轴线上，距离容器顶部分别为700mm和1100mm。取出的气溶胶样气由气溶胶测量装置21测量，所述的气溶胶测量装置21以可以是光学气溶胶测量仪器粒径谱仪。

如图3所示，所述的可拆卸贴片16为导热性较好的铜片，贴片厚度为2mm，宽度为600mm，最高处与气溶胶注入器14底部同高，所述的可拆卸贴片表面附有吸附油脂，用于收集迁移到壁面上的气溶胶。

如图2所示，所述的温度场调节模块设置于实验容器12的两侧壁面用于对实验容器内形成温度梯度；

所述的温度场调节模块包括冷却模块和加热模块。

所述的加热模块包括：加热夹层1801、循环油泵1802、热电阻1803、电加热器1804、PLC控制模块1805、导热片1806。

所述的加热夹层1801内设置有加热油，所述的加热油可以是耐高温导热性好的二甲基硅油；所述的加热夹层内还设置有热电阻1803和电加热器1804。

所述的电加热器1804的加热功率受PLC控制模块1805控制，所述的热电阻1804用于测量导热油温度并将温度信号传递给PLC控制模块1805，控制油温稳定。

所述的加热夹层1801外设置有循环管线和循环油泵1802，用于加热夹层内导热油的搅浑。

所述的循环油泵1802的功率可调。

所述的导热片1806位于加热夹层1801与实验容器12壁面之间，其材质为导热性好的金属铜。

所述的冷却模块由冷却夹层1807、自来水管道组成，所述的自来水管道上设置有流量调节阀1808。

如图4所示，所述的温度场测量模块设置于实验容器内用于对温度场调节模块形成的温度场进行测量。所述的温度场测量模块由若干个温度传感器17组成。

由于实验容器高度和长度上温度梯度的重要性，在高度上，从100mm到1200mm之间等间距布置有3-5层温度测点，在长度上，从0mm到300mm之间等间距布置有3-5层温度测量，在宽度上，两侧壁面和中心各布置一层温度测点。

如图1所示，所述的冷凝液收集模块由冷却壁面冷凝液收集模块15和其他冷凝液收集模块19组成；所述的冷却壁面冷凝液收集模块15位于实验容器12冷却夹层一侧的底部，用于扩散电泳试验中收集壁面及空间中形成的冷凝液。

如图5和图6所示，所述的冷却壁面冷凝液收集模块15由冷凝液收集槽1501、导流板1502、排流孔1503、第一开关球阀1504和第一收集瓶1505组成，所述的冷凝液收集槽1501位于实验容器12壁面底部，所述的排流孔1503位于冷凝液收集槽1501底部中间位置，所述的导流板1502位于冷凝液收集槽1501上用于将收集槽中的冷凝液导流到所述的排流孔1503中；所述的排流孔1503、第一开关球阀1504和第一收集瓶1505依次连接用于将冷凝液收集槽1501中收集的冷凝液排放到第一收集瓶1505中。

如图2所示，所述的其他冷凝液收集模块19由依次连接的梯台型集水槽1901、第二开关球阀1902和第二收集瓶1903组成，用于将其他壁面及空间中冷凝的液滴收集起来。

以上所述的结构以及各结构间的连接管道外均包有加热保温结构10。

本发明还涉及一种基于上述系统的气溶胶多种单项性迁移机制的试验方法，包括依次进行重力沉降机制测定、热泳机制测定和扩散电泳机制测定，并基于三次测定的结果得到机制独立作用下的气溶胶迁移速度，具体包括：

步骤一、基于上述系统进行重力沉降机制测定，具体包括：

步骤1.1：在实验容器12的四个内壁面上贴上带有吸附油脂的可拆卸贴片16；

步骤1.2：打开氮气供应模块1、第一进气阀3、第二进气阀4和气溶胶发生模块，调节氮气气体流量和气溶胶浓度至稳定；

步骤1.2进行时，三通球阀11将通向外界；

步骤1.3：将三通球阀11调至实验容器12方向，将气溶胶通入实验容器12；

步骤1.4：通过气溶胶注入管线将气溶胶注入封闭的实验容器，记录通入的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤1.5：使用气溶胶取样测量模块对实验容器12内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，记录实验时间T_t和气溶胶浓度C_上和C_下；

步骤1.6：实验结束将可拆卸贴片16取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测量沉积的气溶胶总量M；

所述的测量沉积的气溶胶总量M的方法包括但不限于浊度计测量法、烘干称重测量法等。

步骤1.7：计算第t秒的排除布朗作用机制后的重力沉降速度

其中：V为实验容器体积，C_(t+Δt),上为上部取样口测得的在第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度，C_(t+Δt),下为下部取样口测得的在第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度，C_(t),上为上部取样口测得的在第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度，C_(t),下为下部取样口测得的在第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度。

步骤二、基于上述系统进行热泳扩散机制测定，具体包括：

步骤2.1：在实验容器12布置有冷却夹层1807一侧的内壁面上贴上带有吸附油脂的可拆卸贴片16；

步骤2.2：打开冷却模块和加热模块，调节实验容器12内的温度梯度至稳定，记录温度梯度ΔT；

步骤2.3：打开氮气供应模块1、第一进气阀3、第二进气阀4和气溶胶发生模块，调节气溶胶浓度和载气流量稳定；

步骤2.4：将三通球阀调至实验容器方向，通过气溶胶注入管线将气溶胶注入实验容器12，记录注入管线内的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤2.5：使用气溶胶取样测量模块对实验容器12内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，待容器中气溶胶浓度下降90％以上时，结束实验，记录实验时间T_t和气溶胶浓度C_上和C_下；

步骤2.6：实验结束将可拆卸贴片16取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测量沉积的气溶胶总量M；

步骤2.7：计算实验过程中由于热泳导致的气溶胶迁移速度

其中：L为实验容器的长度。

所述的热泳导致的实时的气溶胶迁移速度，具体为：计算实验容器内实时的热泳沉积速度

通过调节不同温度梯度ΔT，开展以上测定以获得不同温度梯度导致的热泳迁移速度。

步骤三、基于上述系统进行扩散电泳机制测定，具体包括：

步骤3.1：在实验容器12布置有冷却夹层1807一侧的内壁面上贴上带有吸附油脂的可拆卸贴片16；

步骤3.2：打开蒸汽发生器7和加热模块对实验容器12进行预热；

步骤3.3：打开氮气供应模块1、氮气流量计2、第一进气阀3、第二进气阀4、蒸汽发生器7、蒸汽流量计8和气溶胶发生模块，调节气溶胶浓度和载气流量稳定；

步骤3.4：将三通球阀11调至实验容器12方向，通过气溶胶注入管线将气溶胶注入封闭的实验容器，注入过程中记录进入实验容器12内的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤3.5：打开冷却夹层1807的冷却水调节阀1809，使用气溶胶取样测量模块对对实验容器12内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，记录气溶胶浓度C_上和C_下；实验温度场测量模块对实验过程中的温度传感器17进行测量，使用冷却壁面冷凝液收集模块15和其他冷凝液收集模块18对冷凝液滴进行收集，持续记录容器中的温度梯度ΔT，待容器中气溶胶浓度下降90％以上后，结束实验，记录实验持续时间T_t；

步骤3.6：实验结束将可拆卸贴片16取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测得沉积在冷却表面的气溶胶总量为M₁；

步骤3.7：对第一冷凝液收集瓶1505收集到的冷凝液中的气溶胶进行测量，测出沉积在冷凝水中的气溶胶总量为M₂；

步骤3.8：计算扩散电泳中由于热泳导致的气溶胶沉积质量

其中：v_T(ΔT，t)为第t秒温度梯度为ΔT是的气溶胶热泳迁移速度，由上述的泳扩散机制测定获得，H为实验容器高度，W为实验容器的宽度；

步骤3.9：计算实验过程中由于扩散电泳导致的平均气溶胶迁移速度

所述的扩散电泳导致的实时的气溶胶迁移速度，通过以下步骤得出：

i)对其他冷凝液收集模块中收集到的冷凝液中的气溶胶进行测量，测出沉积在冷凝水中的气溶胶总量为M₄；

ii)计算第t秒由于热泳导致的气溶胶沉积质量

iii)计算实验过程中由于扩散电泳导致的气溶胶迁移速度

步骤四、基于三次测定的结果得到机制独立作用下的气溶胶迁移速度，具体为：重力作用机制下的气溶胶迁移速度，

不同温度梯度热泳作用机制下的气溶胶迁移速度，

扩散电泳作用机制下的气溶胶迁移速度，

经过具体实际实验，在压力范围在0-2bar，温度范围在0-200℃下，气溶胶浓度在30-3000mg/m³范围内，应用以上系统及方法，可以获得重力、热泳、蒸汽冷凝导致的扩散电泳等三种机制单一因素影响下的气溶胶迁移速度。

与现有技术相比，本发明可以在开展重力机制测定时，将布朗扩散机制与重力机制区分开；在开展热泳机制测定时，将热泳机制和重力机制区分开，并在气溶胶空间中形成均匀且稳定的温度场；在开展由蒸汽冷凝导致的扩散电泳机制测定时，可以与热泳机制测定结合，将扩散电泳和热泳机制区分开。分别获得更加准确的重力、热泳、扩散电泳单一机制的气溶胶迁移规律。测得的数据可用于单一机制理论模型的验证和开发，获得更加准确的气溶胶迁移模型，对准确评估严重事故下放射性裂变产物迁移提供支持。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统，其特征在于，包括：具有气溶胶注入端的实验容器以及与之相连的气溶胶发生模块、气体供应模块、设置于气溶胶注入管道上以及实验容器上的取样测量模块、设置于实验容器内壁面上用于收集迁移到壁面上的气溶胶的可拆卸贴片、温度场调节模块、温度场测量模块和冷凝液收集模块，其中：实验容器壁面上设有气溶胶进口，带有气溶胶注入器的气溶胶注入管线通过气溶胶进口伸入实验容器内，气溶胶发生模块通过气溶胶注入管线将发生的气溶胶通入实验容器，通过气体供应模块提供实验用气、载气和对实验管道进行扫气，温度场调节模块设置于实验容器的两侧壁面上用于对实验容器内形成温度梯度，温度场测量模块设置于实验容器内用于对温度场调节模块形成的温度场进行测量，用于扩散电泳试验中收集壁面及空间中形成的冷凝液的冷凝液收集模块位于实验容器底部；

所述的实验容器为两侧分别设有冷却水夹层和加热夹层的长方体容器，设置有冷却水夹层和加热夹层的两侧为不锈钢材质，另外两侧为导热性较差的有机玻璃；

所述的实验容器壁面的上、下不同高度处设有两个气溶胶取样口。

2.根据权利要求1所述的气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统，其特征是，所述的温度场调节模块包括：冷却模块和加热模块，其中：

冷却模块包括：冷却水夹层和自来水管道，该自来水管道上设置有流量调节阀；

加热模块包括：加热夹层、导热片、热电阻、PLC控制模块、电加热器和循环油泵，其中：加热夹层位于冷却水夹层的对立面，与实验容器壁面之间设置有导热性较好的导热片，加热夹层内设置有导热油、热电阻和电加热器；电加热器加热功率受PLC控制模块控制，热电阻用于测量导热油温度并将温度信号传递给PLC控制模块，控制油温稳定；加热夹层外设置有循环管线和循环油泵，用于加热夹层内导热油的搅浑。

3.根据权利要求1所述的气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统，其特征是，所述的温度场测量模块包括：位于实验容器内壁面上的壁面温度传感器和位于实验容器空间中的若干空间温度传感器，其中：空间温度传感器具体位于气溶胶注入口下部的实验容器空间中且等距布置3-5层。

4.根据权利要求1所述的气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统，其特征是，所述的气溶胶发生模块包括：依次相连的气溶胶发生器、静电中和器和预混器，其中：气溶胶发生器为固体式气溶胶发生器和/或液体式发生器。

5.根据权利要求1所述的气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统，其特征是，所述的气溶胶取样测量模块包括：若干个取样探头和气溶胶测量设备，其中：取样探头伸入管道或实验容器内并与气溶胶测量设备相连，以对气溶胶进行离线和在线测量。

6.根据权利要求1所述的气溶胶多种单项性迁移机制的试验系统，其特征是，所述的冷凝液收集模块包括：位于冷却夹层一侧的实验容器底部的冷却壁面冷凝液收集模块和用于收集其他壁面及空间中冷凝的液滴的其他冷凝液收集模块；

所述的冷却壁面冷凝液收集模块包括：冷凝液收集槽、导流板、排流孔、开关球阀和收集瓶，其中：冷凝液收集槽位于实验容器壁面底部，排流孔位于冷凝液收集槽底部的中心位置，导流板位于冷凝液收集槽上用于将收集槽中的冷凝液导流到排流孔中；排流孔、开关球阀和收集瓶依次连接用于将冷凝液收集槽中收集的冷凝液排放到收集瓶中。

7.一种基于权利要求1～6中任一所述系统的气溶胶多种单项性迁移机制的试验方法，其特征在于，通过依次设置常温系统环境后进行气溶胶浓度测定，得到常温重力沉降速度；设置冷热系统环境后进行热泳导致的气溶胶浓度测定，得到热泳导致的气溶胶迁移速度以及实时的热泳沉积速度；设置扩散电泳系统环境后进行扩散电泳的气溶胶浓度测定，得到由于热泳导致的气溶胶沉积质量以及扩散电泳导致的气溶胶迁移速度；最后基于三个测定结果得到机制独立作用下的气溶胶迁移速度；

所述的机制独立作用下的气溶胶迁移速度具体包括：重力作用机制下的气溶胶迁移速度、不同温度梯度热泳作用机制下的气溶胶迁移速度和扩散电泳作用机制下的气溶胶迁移速度。

8.根据权利要求7所述的气溶胶多种单项性迁移机制的试验方法，其特征是，所述的设置常温系统环境，包括：

步骤1：在实验容器的四个内壁面上贴上带有吸附油脂的可拆卸贴片；

步骤2：打开氮气供应模块和气溶胶发生模块，调节气体流量和气溶胶浓度至稳定；

步骤3：将三通球阀调至实验容器方向，将气溶胶通入实验容器；

所述的气溶胶浓度测定是指：

步骤i：通过气溶胶注入管线将气溶胶注入封闭的长宽高分别为L、W、H的实验容器，注入过程中记录进入实验容器内的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤ii：使用气溶胶取样测量模块对实验容器内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，记录实验时间T_t和气溶胶浓度C_上和C_下；

步骤iii：将可拆卸贴片取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测量沉积的气溶胶总量M、上部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，上}，下部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，下}，上部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，上，下部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，下，其中：t取值范围为0-T_t，Δt取值大于实时测量频率并尽可能小；

所述的常温重力沉降速度，即常温环境下排除布朗作用机制后第t秒的重力沉降速度

所述的设置冷热系统环境，包括：

步骤A：拆除实验容器四个内壁面上的三侧可拆卸贴片并保留冷却水夹层一侧的内壁面上的可拆卸贴片；

步骤B：打开冷却模块和加热模块，调节实验容器内的温度梯度至稳定，记录温度梯度ΔT；

步骤C：打开氮气供应模块和气溶胶发生模块，调节气溶胶浓度和载气流量稳定后，将三通球阀调至实验容器方向；

所述的热泳导致的气溶胶浓度测定是指：

步骤a：通过气溶胶注入管线将气溶胶注入封闭的长宽高分别为L、W、H的实验容器，记录注入管线内的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤b：使用气溶胶取样测量模块对实验容器内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，待容器中气溶胶浓度下降90％以上时，结束实验，记录实验时间T_t和气溶胶浓度C_上和C_下；

步骤c：实验结束将可拆卸贴片取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测量沉积的气溶胶总量M，上部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，上}，下部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，下}，上部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，上，下部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，下，其中：t取值范围为0-T_t，Δt取值大于实时测量频率并尽可能小；

所述的热泳导致的气溶胶迁移速度

所述的实时的热泳沉积速度

所述的设置扩散电泳系统环境，包括：

步骤一、在冷热系统环境的基础上打开蒸汽供应系统和加热模块对实验容器进行预热；

步骤二、打开氮气供应模块、蒸汽供应系统和气溶胶发生模块，调节气溶胶浓度和载气流量稳定后，将三通球阀调至实验容器方向；

所述的扩散电泳的气溶胶浓度测定是指：

步骤①通过气溶胶注入管线将气溶胶注入封闭的实验容器，注入过程中记录进入实验容器内的气溶胶浓度C₁和流量Q以及注入时间t₁；

步骤②打开冷却夹层的进水阀，使用气溶胶取样测量模块对对实验容器内上下两个位置处的气溶胶浓度随时间的变化进行实时测量，记录气溶胶浓度C_上和C_下；实验温度场测量模块对实验过程中的温度场进行测量，使用冷凝液收集模块对冷凝液滴进行收集，持续记录容器中的温度梯度ΔT，待容器中气溶胶浓度下降90％以上后，结束实验，记录实验持续时间T_t；

步骤③实验结束将可拆卸贴片取下，将粘附在贴片上的气溶胶洗到水溶液中，并测得沉积在冷却表面的气溶胶总量为M₁；

步骤④对冷却夹层侧收集到的冷凝液中的气溶胶进行测量，测出沉积在冷凝水中的气溶胶总量为M₂；

步骤⑤计算扩散电泳中由于热泳导致的气溶胶沉积质量

其中：v_T(ΔT，t)为第t秒温度梯度为ΔT是的气溶胶热泳迁移速度，由上述的泳扩散机制测定获得；

步骤⑥计算实验过程中由于扩散电泳导致的平均气溶胶迁移速度

由于扩散电泳导致的实时的气溶胶迁移速度可以由以下步骤计算得出：

步骤⑦对其他冷凝液收集模块中收集到的冷凝液中的气溶胶进行测量，测出沉积在冷凝水中的气溶胶总量为M₄，上部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，上}，下部取样口在排除布朗作用机制后第(t+Δt)秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_{(t+Δt)，下}，上部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，上，下部取样口在排除布朗作用机制后第t秒时的实验容器内的气溶胶浓度C_(t)，下，其中：t取值范围为0-T_t，Δt取值大于实时测量频率并尽可能小；

所述的由于热泳导致的气溶胶沉积质量

所述的扩散电泳导致的气溶胶迁移速度

9.根据权利要求7所述的气溶胶多种单项性迁移机制的试验方法，其特征是，通过开展不同温度梯度ΔT下的实验，获得不同温度梯度导致的热泳迁移速度。

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