CN203310679U

CN203310679U - 一种用于大气气溶胶航空测量的等速采样头

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Publication number: CN203310679U
Application number: CN2013203335879U
Authority: CN
Inventors: 王宝庆; 王焯如; 姚澍; 姬亚芹
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2023-06-09

Abstract

一种用于大气气溶胶航空测量的等速采样头，包括导流罩、扩张管（包括圆柱形入口段、圆锥台形扩张段、圆柱形稳定段、圆锥台形收缩段和圆柱形出口段）、吸气管、悬挂柱和法兰，通过法兰安装在飞机机身外。飞机飞行时，气流在导流罩的引导下进入扩张管，在扩张管内降速，再经吸气管进入气溶胶采集仪器，通过适当调整吸气流量可实现等速采样。采样头各部分结构及尺寸均经过优化，使气流流场分布最佳、颗粒物采集效率最高。模拟计算表明，飞行高度3000m、采样流速5m/s时，采样头对粒径1μm的颗粒物的采集效率为94.44%，对10μm颗粒物的采集效率为69.44%。

Description

一种用于大气气溶胶航空测量的等速采样头

技术领域

本实用新型涉及一种大气气溶胶采样头，具体是一种挂在飞机机身外部用于大气气溶胶航空测量的采样头，属于大气采样及分析技术领域。

背景技术

目前我国面临严重的雾霾污染问题，对居民身体健康造成严重威胁。因此加强对大气气溶胶的监测是一项刻不容缓的任务。借助飞机等航空器进行的大气污染物航空测量是对传统大气环境监测手段的重要补充，通过航空测量可以获得污染物的水平和垂直分布特征以及地区间的污染物浓度差异，为弄清区域污染物传输规律和制定联防联控措施提供数据支持。

然而，目前地面上使用的大气气溶胶采样器，进样速率不超过10 m/s，无法适应飞机飞行时高达几十m/s的风速以及高空中低温低压的大气条件。特别是颗粒物具有一定的惯性，而且惯性因颗粒大小的不同而不同，因此在航测采样头设计时必须对流场进行充分的优化，否则颗粒物运行轨迹可能与流线分离，并因与器壁发生碰撞而造成损失，严重影响测量的准确性。

因此，针对现有产品的空白，研制一种能够在飞机飞行条件下实现较高采样效率的气溶胶采样头是进行大气气溶胶航空测量的关键。

发明内容

本实用新型的目的是解决目前大气环境监测仪器领域还没有适用于航空测量的大气气溶胶采样头产品的问题，提供一种用于大气气溶胶航空测量的等速采样头，可以在高风速、低温、低压，进气方向与采样头轴线具有一定夹角的情况下实现较高的采样效率。

本实用新型的技术方案是：

一种用于大气气溶胶航空测量的等速采样头，包括导流罩、扩张管、吸气管、悬挂柱和连接法兰，扩张管按气流方向依次分为圆柱形的扩张管入口段、圆锥台形的扩张管扩张段、圆柱形的扩张管稳定段、圆锥台形的扩张管收缩段和圆柱形的扩张管出口段五个部分，导流罩位于扩张管的最前端并通过翼板固定在扩张管入口段，悬挂柱固定在扩张管稳定段上方，悬挂柱的上端固定设置有连接法兰，吸气管由连接法兰穿入，经悬挂柱进入扩张管稳定段内部，吸气管入口段朝前，且导流罩、扩张管、吸气管入口段同轴安装。整套装置通过连接法兰安装在飞机机身下方。

所述导流罩为圆柱形管状，入口端唇部截面轮廓线为半椭圆形。导流罩通过4片翼板固定在扩张管入口段上。

所述扩张管为旋转体变径管，扩张管入口段前端唇部截面轮廓线为半椭圆形，扩张管稳定段的内径为扩张管入口段内径的3-5倍，扩张管扩张段的长度为扩张管收缩段长度的3-5倍。

所述吸气管按气流方向依次分为3段：第一段为直管，称吸气管入口段；第二段为90°弯管；第三部分为直管，由扩张管穿出，穿过悬挂柱和连接法兰进入飞机机舱内部与气溶胶收集仪器连通。

本实用新型的优点和有益效果：

1、扩张管的锥形结构可使气流充分降速，经CFD（计算流体力学）模拟计算，各部分尺寸如实施例所述的采样头，在飞行速度40-60 m/s、飞行高度1000-3000 m时，扩张管内稳定段的风速为4-6 m/s，并且管内风速与飞行速度具有线性相关性，对吸气管的吸气速率在小范围内调整即可实现等速采样（即吸气管内的风速与入口周边风速相等），确保采集到的气溶胶具有代表性。

2、扩张管入口周围设有导流罩，经CFD模拟计算，各部分尺寸如实施例所述的采样头，即使进气方向与采样头轴线存在高达8°的夹角，由于导流罩的引导作用，气流仍能以与采样头轴线平行的方向进入扩张管，最大程度降低湍流发生或因颗粒物与扩张管入口边缘碰撞导致的采样效率损失。

3、扩张管两端具有圆柱形的入口段和出口段，改善了管内流场分布，避免气流与扩张段内表面发生分离，使扩张管稳定段截面中心附近的流速均匀稳定。

4、在不影响采样效率的前提下，对扩张管收缩段的长度进行了适当缩减，使采样头外观更加小巧，节省安装空间。

5、导流罩、扩张管、吸气管的前端唇部截面均为椭圆形，相比矩形、圆形，该形状对周边气流的扰动最小。

6、吸气管前端设有一段与扩张管同轴的圆柱形入口段，通过该段管道对气流的引导改善了管内流场的均匀性，提高了大颗粒物的采集效率。

7、采样头各部分尺寸均经过优化设计，使内部流场分布最佳、颗粒物采集效率最高，经CFD模拟计算，各部分尺寸如实施例所述的采样头，在飞行高度3000 m、采样速率5 m/s时对于空气动力学直径1 μm的颗粒物的采集效率为94.44%，对于空气动力学直径10 μm的颗粒物的采集效率为69.44%。

8、支柱使采样头与飞机机身具有一定间隔，使采样头位于流场相对稳定、气溶胶分布相对均匀的区域。

9、采样头与飞机之间通过法兰盘连接，拆装方便，安全可靠。

10、结构简单，制造方便，成本低廉。

附图说明

图1为该实用新型采样头的轴测示意图。

图2为该实用新型采样头的俯视示意图。

图3为图2中的

Figure 2013203335879100002DEST_PATH_IMAGE001

剖视示意图。

图4为该实用新型采样头导流罩罩壁的单侧纵截面示意图。

图中：1.导流罩 2.翼板3.扩张管入口段4.扩张管扩张段5.扩张管稳定段6.扩张管收缩段7.扩张管出口段8.吸气管 9.悬挂柱 10.法兰盘 11.安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详述：

如图1、图2、图3所示，一种大气气溶胶航空测量等速采样头，包括导流罩(1)、扩张管、吸气管(8) 、悬挂柱(9)和连接法兰(10)等部分，整套装置通过悬挂柱(9)顶端的连接法兰(10)安装于飞机机身下部，对称轴与飞机对称轴平行，导流罩(1)面向飞机前方，且导流罩、扩张管、吸气管入口段同轴安装。在图3中，采样气流由左向右再向上流动。

导流罩(1)为内径150 mm、长300 mm、壁厚3 mm的铝合金管，入口端唇部截面轮廓线为扁率0.5的半椭圆，罩壁纵截面如图4所示。导流罩通过4片厚2 mm的铝合金翼板(2)固定在扩张管扩张段(4)外部，4片翼板以90°的间隔均匀分布在扩张管周围。

扩张管为旋转体变径铝合金管，壁厚1 mm，扩张管按气流方向依次分为圆柱形的扩张管入口段(3)、圆锥台形的扩张管扩张段(4)、圆柱形的扩张管稳定段(5)、圆锥台形的扩张管收缩段(6)和圆柱形的扩张管出口段(7)五个部分，总长875.5 mm：入口段(3)长25.1 mm，内径25.1 mm，前端唇部截面轮廓线为扁率0.5的半椭圆；扩张段(4)长535.55 mm，左端内径25.1 mm，右端内径100 mm，半锥角为4°；稳定段(5)长150 mm，内径100 mm；收缩段(6)长139.75 mm，左端内径100 mm，右端内径25.1 mm，半锥角为15°；出口段(7)长25.1 mm，内径25.1 mm。扩张管入口段(3)左端位于导流罩(1)左端右侧180 mm处，扩张管与导流罩(2)共轴线。

吸气管(8)为内径20.6 mm、壁厚1 mm的铝合金管，入口端唇部截面轮廓线为扁率0.5的半椭圆。吸气管(8)按气流方向依次分为3段：首先是一段长41.2 mm的直管，称吸气管入口段，左端位于导流罩(1)左端右侧779.15 mm处，吸气管入口段与扩张管和导流罩(1)共轴线；然后是一段90°弯管，弯曲半径50 mm，气流方向（见图3）由从左向右转为从下到上；最后是一段直管，依次穿过扩张管稳定段(5)、悬挂柱(9)、连接法兰(10)进入飞机机舱内部，与气溶胶收集仪器相连通。

悬挂柱(9)为高350 mm的铝合金柱体，固定在扩张管稳定段(5)上方，横截面长150 mm，宽40 mm，横截面两端为半圆形。吸气管(8)从悬挂柱(9)中穿过。

连接法兰(10)为长250 mm、宽140 mm、厚25 mm的铝合金圆角矩形，四角均为半径25 mm的圆弧，固定在悬挂柱(9)上方，四周打有12个直径10 mm的通透安装孔(11)，供螺丝穿过。吸气管(8)从连接法兰(10)中穿过。

安装时，需先在飞机机身下部安装与本采样头的连接法兰(10)相同形状、相同安装孔布局的法兰盘，然后用12个螺栓对飞机法兰盘与采样头法兰盘(10)进行固定，两片法兰盘间使用橡胶垫密封。固定后，将吸气管与气溶胶收集仪器连接即可使用。

在飞机飞行时，机身周边的空气相对机身向飞机尾部高速流动，部分空气进入导流罩，在导流罩的引导下气流方向得到修正，以平行于采样头轴线的方向进入扩张管。在扩张管的扩张段内，由于管径变大，气流速度逐渐下降，在稳定段降至原风速的约10%。计算表明，飞行速度在40~60 m/s范围内变化时，扩张管稳定段内的风速为3.99~6.01 m/s，并且与飞行速度呈线性关系。因此，只需根据飞机报告的飞行速度，按照采样头内外风速对应关系及时调整气溶胶采集器的吸气流量，使吸气管内的风速与扩张管稳定段内的风速相等，即可实现等速采样。根据CFD计算，还可得出不同风速下不同粒径的颗粒物的采集效率，据此可以由气溶胶采集仪器的观测结果换算出环境中的颗粒物真实浓度。

Claims

1.一种用于大气气溶胶航空测量的等速采样头，其特征在于该采样头包括导流罩、扩张管、吸气管、悬挂柱和连接法兰，扩张管按气流方向依次分为圆柱形的扩张管入口段、圆锥台形的扩张管扩张段、圆柱形的扩张管稳定段、圆锥台形的扩张管收缩段和圆柱形的扩张管出口段五个部分，导流罩位于扩张管的最前端并通过翼板固定在扩张管入口段，悬挂柱固定在扩张管稳定段上方，悬挂柱的上端固定设置有连接法兰，吸气管由连接法兰穿入，经悬挂柱进入扩张管稳定段内部，吸气管入口段朝前，且导流罩、扩张管、吸气管入口段同轴安装。

2.根据权利要求1所述的用于大气气溶胶航空测量的等速采样头，其特征在于所述的导流罩为圆柱形管状，入口端唇部截面轮廓线为半椭圆形。

3.根据权利要求1所述的用于大气气溶胶航空测量的等速采样头，其特征在于所述的扩张管为旋转体变径管，扩张管入口段前端唇部截面轮廓线为半椭圆形，扩张管稳定段的内径为扩张管入口段内径的3-5倍，扩张管扩张段的长度为扩张管收缩段长度的3-5倍。

4.根据权利要求1所述的用于大气气溶胶航空测量的等速采样头，其特征在于所述的吸气管按气流方向依次分为3段：第一段为直管，称吸气管入口段；第二段为90°弯管；第三部分为直管，由扩张管穿出，穿过悬挂柱和连接法兰进入飞机机舱内部与气溶胶收集仪器连通。