CN115356075A - 一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法，解决了测量干沉积速度复杂的问题。本发明步骤如下：步骤1，将气溶胶释放源下方向的下垫面分为N个网格，每个网格的面积为S；步骤2，每个网格上放置气溶胶收集装置；步骤3，设置风洞的风速为V1，气溶胶释放源释放T1时间的气溶胶粒子；将风洞的风速调为零，收集N个网格内的气溶胶粒子，并得到气溶胶粒子沉积数量Mi，1≤i≤N，且N为整数；步骤4，设置风洞的风速为V1；气溶胶释放源释放T2时间的气溶胶粒子，T2﹥T1，测量气溶胶浓度Ci；步骤5，通过气溶胶粒子沉积数量Mi以及气溶胶浓度Ci，计算出第i个网格处的干沉积速度Vdi。
Description
技术领域
本发明涉及一种物质沉积速度的测量，具体涉及一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法。
背景技术
核电站运行过程中会产生放射性气溶胶，这种放射性气溶胶是造成人们吸入危害的重要来源。由于放射性气溶胶的毒性较大及在空气中的迁移影响范围较广，从而对公众和环境造成危害。在放射性污染物烟羽的运输过程中，干沉积是影响气溶胶沉降到地面的重要因素之一。所谓干沉积，是指在没有降雨的条件下，气溶胶粒子在大气输送过程中由于粒子自身和湍流运动的作用，在下垫面(包括陆面、水面、地面建筑物和植被等)上发生的沉积，从而使气溶胶粒子形成持续向地面迁移的过程。干沉积是一个与粒子的物理化学特性、潜在表面特征和微气象条件等有关的过程。干沉积不仅是清除大气中气溶胶的主要方式之一，也是生态系统从大气中获得营养元素的重要过程。
对于大气扩散干沉积的估算，通常用干沉积速度定量描述气载放射性物质由于干沉积过程所造成的从大气向地表面转移的污染物量。风洞模拟实验是研究这个问题最有效的工具，相比于现场实验和数值模拟，其具有来流条件可以控制，实验过程具有重复性等诸多优点。干沉积速度是用来量化气溶胶颗粒在环境中通过干沉积转移的系数。但是在环境风洞中直接测量干沉积速度，具有一定难度。
发明内容
本发明提供了一种用于大气边界层环境风洞中干沉积速度的测量方法，用于解决目前在环境风洞中测量干沉积速度难度大的问题。
为实现上述目标，本发的技术方案如下：
一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
步骤1，在风洞中，将气溶胶释放源下方向的下垫面均匀的分为N个网格，每个网格的面积为S；
步骤2，在每个网格上放置一个气溶胶收集装置；
步骤3，设置风洞的风速为V1，使气溶胶释放源释放T1时间的气溶胶粒子；将风洞的风速调为零，分别通过各网格中的气溶胶收集装置收集N个网格内的气溶胶粒子，测量不同网格内气溶胶粒子质量mi，1≤i≤N，且N为整数，并得到各网格中的气溶胶粒子沉积数量Mi；
步骤4，再次设置风洞的风速为V1；气溶胶释放源释放T2时间的气溶胶粒子，T2﹥T1，测量每个网格的气溶胶浓度Ci；
步骤5，通过气溶胶粒子沉积数量Mi以及该处的气溶胶浓度Ci，计算出第i个网格处的干沉积速度Vdi：
其中，Mi为第i个网格中的气溶胶粒子沉积数量；S为网格面积；T为测量气溶胶粒子沉积数量Mi时，气溶胶释放源释放持续时间；Ci为第i个网格中的气溶胶粒子在气溶胶收集装置上沿高度水平面的气溶胶浓度。
进一步地，步骤4中，所述气溶胶浓度Ci是通过粒径谱仪测量网格上气溶胶收集装置沿高度水平面的气溶胶粒子的浓度。
进一步地，步骤3中，气溶胶粒子质量mi是通过分析天平称量得出。
进一步地，所述气溶胶释放源采用液体粒子发生器。
与现有技术方案相比，本发明的有益效果具体如下：
该方法在风洞中能够简单的实现干沉积速度的测量，并且通过多个网格的设计，能够实现多区域、多点位干沉积速度的同步测量和计算。
该方法中，只需要在合适的采样点设置合适面积的网格，就能获得气溶胶粒子沉积数量、气溶胶浓度以及气溶胶释放源释放持续时间，根据这些数据即可得到对应点位的沉积速度。因此，该实验方法简单、操作方便，不受下垫面、风速、气溶胶类型的影响。
附图说明
图1为本发明实施例中不同风速下的干沉积速度分布图。
具体实施方式
根据实施例以及附图，对本发明做进一步阐释。
本发明提供的一种用于大气边界层风洞中干沉积速度的测量方法，具体的来说，在风洞中，模拟出大气边界层，同时考虑不同风场。在气溶胶释放源下风向，将下垫面进行网格化，通过测量一定时间内不同网格区域内气溶胶的沉积量以及该区域内近地面浓度，计算出干沉积速度。
一种用于大气边界层风洞中干沉积速度的测量方法，其具体步骤如下：
步骤1，将气溶胶释放源下风向的下垫面进行网格化，将下垫面均分为N个网格，每个网格的面积为S，S越小，网格排布的越密集，测出的干沉积速度越精确。
步骤2，在下垫面的每个网格上各铺上一个气溶胶收集装置，并保证气溶胶收集装置能够吸附气溶胶粒子，防止粒子沉积到地面后再悬浮到空中。
步骤3，设置好风洞的风速V1，气溶胶释放源开始释放气溶胶粒子，持续一段时间T1(T与气溶胶收集装置收集气溶胶粒子的吸附上限和单个网格的气溶胶粒子沉积数量有关，T的选取要既保证气溶胶收集装置收集气溶胶粒子的数目小于气溶胶收集装置吸附上限，同时要保证单个网格上的气溶胶粒子沉积数量可以被分析天平称量出)，将风洞的风速调为零，分别收集n块网格内的气溶胶粒子，测量不同网格内气溶胶粒子质量mi(1≤i≤n)，得到气溶胶粒子沉积数量Mi，通过气溶胶粒子质量mi与单个气溶胶粒子的质量相除，即可得到气溶胶粒子沉积数量Mi。
步骤4，设置风洞的风速V1。气溶胶释放源再次T2时间的释放气溶胶粒子，T2﹥T1，确保每个网格上的气溶胶粒子数量处于动态平衡的稳定数量，利用粒径谱仪测量每块网格上气溶胶收集装置上沿高度水平面的气溶胶浓度Ci(1≤i≤n)。由于粒径谱仪气溶胶浓度Ci时，会对网格中的气溶胶环境造成破坏，因此气溶胶粒子沉积数量Mi和气溶胶浓度Ci无法同时测量。
步骤5，通过不同位置处气溶胶粒子沉积数量Mi以及该处对应近地面处的气溶胶浓度Ci，计算出干沉积速度。
其中，Vdi为第i块网格处的干沉积速度，Mi为气溶胶粒子沉积数量，S为网格面积，T为测量Mi时释放气溶胶粒子的持续时间，Ci为气溶胶粒子在气溶胶收集装置上沿高度水平面的浓度。
根据上述步骤，即可在环境风洞中测量出干沉积速度。本方法可实现在环境风洞中不同状态、不同粒径的气溶胶粒子释放，测量计算出不同风速、不同下垫面对下风向不同位置、不同粒径气溶胶粒子的干沉积速度。
在复杂下垫面上，由于山体的存在，使得流场变得复杂、多变。粒子污染物通常会在重力、湍流运动、热运动、惯性力和静电力等因素的作用下会在大气输送时被地表阻留，并使得污染物从大气向地表面持续不断的进行质量转移。下面进行一次具体试验，实验中分别在不同的自由流风速下，进行了不同位置处的测量。
在风洞中，针对复杂下垫面，设置不同的风速(1m/s、2m/s)进行了相关实验。通过液体粒子发生器在高处释放DEHS示踪粒子，DEHS示踪粒子为气溶胶粒子中的一种。
在液体粒子发生器下风向不同位置(100m、200m、300m、500m、600m、700m、1000m、2000m、2900m、3000m、3200m、3400m、3500m、3600m、3800m、4050m、4300m)设立了17个网格，每个网格均为一个采样点，释放气溶胶粒子5h后，测量每个采样点的气溶胶粒子质量mi，并根据气溶胶粒子质量mi得到气溶胶粒子沉积数量，再在相同风速下释放气溶胶粒子6h后，利用激光气溶胶粒径谱仪测量这17个点的气溶胶浓度Ci，根据干沉积速度的定义，估算不同自由流风速下，不同位置处的干沉积速度。需要说明的是，这里所得到的干沉积速度是所有粒径粒子混合在一起，且所有影响机制共同作用的结果。
图1给出了风速为1m/s和2m/s时的气溶胶的干沉积速度图，图中可以看出干沉积速度虽然不相同，但均处于10-1～10-2m/s之间，因此符合要求。理论上不同风速不同位置的干沉积速度应该一致，但从图1中看出不同风速不同位置处的干沉积速度略有差别，这是实际中与粒径和湍流混合的机制有关，并且当自由流风速为2m/s时，其干沉积速度略高于自由流风速为1m/s时的值，这是由于不同风速下不同的摩擦速度导致，因此，在实际测量中，测得的干沉积速度处于10-1～10-2m/s之间即为符合要求。
Claims (4)
1.一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在风洞中，将气溶胶释放源下方向的下垫面均匀的分为N个网格，每个网格的面积为S；
步骤2，在每个网格上放置一个气溶胶收集装置；
步骤3，设置风洞的风速为V1，使气溶胶释放源释放T1时间的气溶胶粒子；将风洞的风速调为零，分别通过各网格中的气溶胶收集装置收集N个网格内的气溶胶粒子，测量不同网格内气溶胶粒子质量mi，1≤i≤N，且N为整数，并得到各网格中的气溶胶粒子沉积数量Mi；
步骤4，再次设置风洞的风速为V1；气溶胶释放源释放T2时间的气溶胶粒子，T2﹥T1，测量每个网格的气溶胶浓度Ci；
步骤5，通过气溶胶粒子沉积数量Mi以及该处的气溶胶浓度Ci，计算出第i个网格处的干沉积速度Vdi：
其中，Mi为第i个网格中的气溶胶粒子沉积数量；S为网格面积；T为测量气溶胶粒子沉积数量Mi时，气溶胶释放源释放持续时间；Ci为第i个网格中的气溶胶粒子在气溶胶收集装置上沿高度水平面的气溶胶浓度。
2.根据权利要求1所述的一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法，其特征在于：
步骤4中，所述气溶胶浓度Ci是通过粒径谱仪测量网格上气溶胶收集装置沿高度水平面的气溶胶粒子的浓度。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法，其特征在于：
步骤3中，气溶胶粒子质量mi是通过分析天平称量得出。
4.根据权利要求3所述的一种用于大气边界层环境风洞干沉积速度的测量方法，其特征在于：
所述气溶胶释放源采用液体粒子发生器。
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