气溶胶干沉积速度风洞模拟实验研究.pdf

第42 卷第4期2023年8 月试验研究四川环境SICHUAN ENVIRONMENTVol.42,No.4August 2023D0I:10.14034/ki.schj.2023.04.007气溶胶干沉积速度风洞模拟实验研究吕思博，刘武胜，李若洁，李云鹏，张俊芳（中国辐射防护研究院核环境科学研究所，太原0 30 0 0 6）摘要：气溶胶是污染物质扩散与传播的重要介质，干沉积是影响气溶胶沉降到地面的重要因素之一。以相似理论为基础，借助中国辐射防护研究院新建环境风洞，对某部分厂址进行了研究，分组开展气溶胶干沉积特征风洞模拟实验，使用粒子动态分析仪（PDA）测量并计算气溶胶粒子的干沉积速度，通过控制变量法对结果分组并进行分析讨论。研究结果表明当控制变量时，在相同的下垫面和风速下，0 2 m和2 5m的气溶胶粒子的干沉积速度几乎相同，而粒径大于5m的气溶胶粒子与其有较大差别，重力是影响大粒子干沉积速度的主要因素；当在相同的风速下，与对照试验相比，粒径大于5m的气溶胶粒子的干沉积速度相较于粒径为0 2 m和2 5m的气溶胶粒子，所受下垫面地形的影响更加明显，为后续所关注的放射性气溶胶沉积研究积累了基础数据。关键词：环境风洞；相似准则；气溶胶；干沉积速度中图分类号：X169Experimental Study on Aerosol Dry Deposition Velocitiy in Wind Tunnel SimulationLV Si-bo,LIU Wu-sheng,LI Ruo-jie,LI Yun-peng,ZHANG Jun-fang(China Institute for Radiation Protection,Taiyuan 030006,China)Abstract:Aerosol is an important medium for the diffusion and transmission of pollutants,and dry deposition is one of theimportant factors affecting the aerosols deposition to the ground.Based on the similarity theory,a newly built environmental windtunnel by the China Institute for Radiation Protection was used to study some sites.and the wind tunnel simulation experiment ofaerosol dry deposition characteristics was carried out in groups.The particle dynamic analyzer(PDA)was used to measure andcalculate the dry deposition velocity of aerosol particles,and the results were grouped and analyzed by control variable method.The research results show that when the variables are controlled,under the same underlying surface and wind speed,the drydeposition velocity of aerosol particle sizes of 0 2 m and 2 5 m were almost the same,and aerosol particles with particle sizesgreater than 5 m were quite dfferent from them,gravity is the main factor affecting the dry deposition velocity of large particles.Under the same wind speed,compared with the control experiment,the dry deposition velocity of aerosol particles with particlesizes greater than 5 m is more significantly affected by the topography of the underlying surface than aerosol particles with particlesizes of 0 2 m and 2 5 m.This study accumulated basic data for follow-up studies on radioactive aerosol deposition.Keywords:Environmental wind tunnel;similarity criterion;aerosol;dry deposition velocity文献标识码：A文章编号：10 0 1-36 44(2 0 2 3)0 4-0 0 35-0 8引言气溶胶可以是固态或者是液态形式，悬浮在气体介质中（通常是指空气）形成的具有统一性质的胶体体系，也可以简单的说气溶胶就是悬浮在空气中的微粒。气溶胶的粒径大小一般在10-3 10 2um量级。气溶胶是一种空气中重要的传播输运收稿日期:2 0 2 2-0 6-10作者简介：吕思博（1993-），男，河北保定人，2 0 19年毕业于中国辐射防护研究院辐射防护及环境保护专业，研究方向为污染物迁移扩散物理模拟。介质，2 0 0 9年的”甲型H1N1流感”疫情爆发2 现在仍对我们生活工作造成影响的新冠疫情3 以及核电站运行过程中释放的对人体有害的物质，皆与气溶胶的行为息息相关。因为气溶胶具有一个重要特性一一扩散性，空气中的气溶胶极易随着大气流动扩散。干沉积是指小粒径微粒或气体在与下垫36面接触过程中被捕获的过程，干沉积是影响气溶胶沉降到地面的重要因素之一。而对于气载污染物质大气扩散干沉积的估算，通常用干沉积速度来定量描述污染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。针对大气中放射性气溶胶依靠自身的重力和摇电力而产生的沉积监测采样研究是气溶胶研究中极为重要的一项4 7 】，因此干沉积速度是本文的重点研究对象。气溶胶的干沉积取决于许多因素：气溶胶特性（直径、密度等）、沉积表面（粗糙度、温度、静电性质等）和气象变量（风速、瑞流、相对湿度等），在不同下垫面的沉积方式也不同8 。为了便于评价各种物理机制对于干沉积贡献的总效应，定义了干沉积速度这一量，它受下垫面地形、气溶胶粒子特性和气象条件等多种条件综合影响 。经过许多实验证实，气溶胶粒子粒径对干沉积速度的影响尤为强烈10 。吸入人体的气溶胶很难排出，对人体健康的伤害与其粒径息息相关 。空气运动粘度是温度的强函数，而且温度会影响大气混合度造成空气流变化，对干沉积速的影响非常大12 。干沉积速度和风速呈一定程度的相关性13。相对湿度的增加，将会使粒径增大，也会进一步影响气溶胶粒子的干沉积速度14。下垫面地形种类不同对干沉积速度的影响也不同。水面的表面由于波纹使得表面粗糙度增加，风洞研究表明波面的存在会增加沉积速率15。本次实验的目的是在风洞实验中模拟出多种不同的环境条件，通过控制变量法研究不同环境条件分别对气溶胶粒子干沉积速度的影响。核电站重点关注的放射性气溶胶和普通气溶胶具有一定的共性作用机制，与普通气溶胶在干沉积过程中所受影响因素差别不大。本次实验可以用来积累放射性气溶胶干沉积的基础数据。1实验设备与仪器模拟实验在中国辐射防护研究院的大气边界层2号风洞完成。该风洞目前为亚洲试验段截面尺寸最大的环境风洞，包含动力段、扩散段、稳定段、收缩段和试验段，具有干湿沉积模拟功能，可模拟大气边界层流动与扩散。测量仪器选用丹麦DANTEC公司生产的Stre-amLine 热线风速仪（ConstantTemperature Anemom-eter，C T A）、粒子动态分析仪（Particle DynamicsAnalyzer，PD A）和10 E03型大容量液体粒子发生四川环境器。热线风速仪是在高性能恒温热线风速仪（Co n s t a n t T e m p e r a t u r e A n e m o m e t e r，CT A）基础上发展起来的一套完整的测量系统，热线风速仪包括自动标定系统、A/D转换板以及StreamWare应用软件等。热线风速仪可以测量瞬时流速并给出其统计量：例如平均风速、流强度等。粒子动态分析仪，基于相位多普勒原理，能够实现对粒子尺寸、一维到三维流动速度和粒子数目进行同步、无接触实时测量。它可以对以超音速、几乎静止不动或环流瑞流中做反向流动的粒子的特性进行测量。10E03型大容量液体粒子发生器产生的液滴非常适合PDA测量，它是中型到大型气溶胶模拟设施的首选解决方案。在10 E03粒子发生器中，液态癸二酸二异辛酯（DEHS）被分散成细小液滴，然后可以持续不断的以喷雾形式排放到空气中。2实验方法简介本次实验使用大气边界层风洞来进行干沉积的模拟研究，旨在测得不同条件下气溶胶粒子的干沉积速度，分析总结从而开展气溶胶干沉积行为和特征研究。在风洞试验段的人口位置摆放一定数量的尖劈和粗糙元，用来产生实验中所需要的速度廓线和强分布。在试验段中部，按照几何缩比将现场十几公里范围做成模型，本次实验所选用厂址模型与原型的比例为1:10 0 0，模型模拟区域半径6.7 km。其上方装有一个三维的移动测量机构，可装备各种测量仪器，该移动测量机构可以朝着三个方向运动，来测量数据。根据相似理论来研究气溶胶的流动和扩散特征。气溶胶干沉积风洞模拟实验示意图如图1所示。具体实验方案如表1所示。Z三维移测车风PDA气溶胶粒子烟窗厂址模型气溶胶粒子发生器图1风洞模拟实验示意图Fig.1Schematic diagram of wind tunnel simulation experiment42卷粗糙元尖劈4期实验方法用激光测量气溶胶粒子的数据吕思博等：气溶胶干沉积速度风洞模拟实验研究表1气溶胶干沉积模拟实验方案Tab.1Experimental scheme of aerosol dry deposition simulation测试仪器实验目的PDA测量气溶胶粒子的粒径和速度测量内容37项目内容风向NE风速1 m/s,2 m/s,5 m/sNE风向模型，在经过烟肉点的轴线上，山体前方、顶部和后方的不同位置有代表性的位置点，10 0 mm（平坦地形）、2 0 0mm（平坦地形）、30 0 mm（平坦地形）、50 0 mm（迎风坡）、600mm（山顶）、7 0 0 mm（背风坡）、10 0 0 mm（平坦地形）、2000mm（平坦地形）、2 90 0 mm（山谷）、30 0 0 mm（山顶）、3200mm（山谷）、340 0 mm（迎风坡）、350 0 mm（山顶）、3600mm（山谷）、38 0 0 mm（迎风坡）、40 50 mm（山顶）、4300 mm（背风坡），共计18 个选点进行测量。3模拟实验与结果分析3.1流场模拟实验根据该厂址气象铁塔8 0 m处的年风向频率分布、风速大小及其厂址地形概况，选择了代表性强，地形特征明显的沿海部分厂址区域，风向为NE，来开展流场模拟实验。大气扩散风洞模拟实验的基本原理是在风洞中利用缩尺模型，依据相似16001 400F1200准则再现实际大气边界层的流动及扩散现象。一般情况下可概括为要求模型与原型之间几何相似、运动相似、动力相似和边界层相似16 。以其为依据，确定实验的模型与原型的缩比，调节风洞中摆放的尖劈与粗糙元的数量位置，测量不同位置的风速，绘制归一化速度廓线和流强度廓线如图2，确定风洞模型与原型满足相似准则。1 600 14001200上1000(u)80060040020000.4图2 年均风速条件下风洞实验来流归一化速度廓线（左）和强廓线（右）Fig.2The normalized velocity profile(left)and turbulence profile(right)of the incoming flow from the wind tunnelexperiment under the condition of annual average wind speed3.2气溶胶干沉积模拟实验调节液体粒子发生器的工作压力，使其所产生的气溶胶粒子粒径近似呈高斯分布，使用PDA所测得的气溶胶粒子粒径分布如图3所示，其粒径峰值在5 6 m，粒径小于10 m的粒子数占总粒子数的90%以上。1000800F6004002000品0.60.8U/Uo(a)81.01.20将PDA的两个测量镜头（激光发射器和接收器）用型材固定在三维移测车上，使用3维PDA协同测量。这种测量模式可以同时得到气溶胶粒子的三维速度数据，经过坐标转换就可得到风洞坐标系下的气溶胶粒子各个方向的运动速度，通过公式迭代计算气溶胶干沉积速度17-18 。但是实验过程0.10.21x(b)0.30.4380.200.180.160.140.120.100.080.060.040.0200图3液体粒子发生器实际释放气溶胶粒子粒径谱Fig.3 The particle size spectrum of the aerosolparticles released by the liquid particle generator0.080.060.040.02(s/）00-0.02-0.04-0.06-0.08-0.10图4风速为1m/s时平坦地形、迎风坡、山峰、背风坡和山谷五种下垫面地形的气溶胶干沉积速度Fig.4 Aerosol dry deposition velocity of five underlying terrains including flat terrain,windward slope,mountain peak,0.150.100.05(s0-0.05-0.10-0.15图5风速为2 m/s时平坦地形、迎风坡、山峰、背风坡和山谷五种下垫面地形的气溶胶干沉积速度Fig.5Aerosol dry deposition velocity of five underlying terrains including flat terrain,windward slope,mountain peak,四川环境中发现PDA的有效测量高度距离模型表面最低值是10 0 mm，因为使用3维PDA协同测量为了保证数据量足够，激光能量至少要调节到1.6 W，在这样的功率下激光亮度很大，照射到模型表面发生的漫反射光会被PDA所接收，产生大量的噪声信号干扰数据获取。因此再低的测量高度所获得的气溶胶干沉积数据没有实际意义。因此本次实验将最低测量高度设置为10 0 mm。510气溶胶粒子粒径（um）500000500100042卷152015002000测量点距离释放点位置（mm）leeward slope and valley when the wind speed is 1 m/s4500测量点距离释放点位置（mm）leeward slope and valley when the wind speed is 2 m/s252.5003000本次实验将模型下垫面地形分为平坦地形、迎风坡、山峰、背风坡和山谷5种，分别测量并计算每种风速下每种地形最低测量高度处的干沉积速度。气溶胶粒子粒径不同对人体健康伤害不同，并以此进行粒径分类。实验结果如图4图6 所示。平坦地形粒径0 2 m平坦地形粒径2 5m平坦地形粒径 5 m迎风坡地形粒径0 2 m迎风坡地形粒径2 5m迎风坡地形粒径 5m3.500400040004.50050005000山顶地形粒径0 2 m山顶地形粒径2 5m山顶地形粒径 5m背风坡地形粒径0 2 m背风坡地形粒径2 5m背风坡地形粒径 5m山谷地形粒径0 2 m山谷地形粒径2 5m山谷地形粒径 5m平坦地形粒径0 2 m平坦地形粒径2 5m平坦地形粒径 5 m迎风坡地形粒径0 2 m迎风坡地形粒径2 5m迎风坡地形粒径 5m山顶地形粒径0 2 m山顶地形粒径2 5m山顶地形粒径 5m背风坡地形粒径0 2 m背风坡地形粒径2 5m背风坡地形粒径 5m山谷地形粒径0 2 m山谷地形粒径2 5m+山谷地形粒径 5m4期吕思博等：气溶胶干沉积速度风洞模拟实验研究390.2平坦地形粒径 5 m迎风坡地形粒径0 2 m0.10(s/）-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5图6 风速为5m/s时平坦地形、迎风坡、山峰、背风坡和山谷五种下垫面地形的气溶胶干沉积速度Fig.6 Aerosol dry deposition velocity of five underlying terrains including flat terrain,windward slope,mountain peak,在风洞实验风速为1m/s时，由图4可知，在相同的的下垫面地形，0 2 m和2 5m的气溶胶粒子的干沉积速度大小和随下风向距离变化趋势几乎相同，而粒径大于5m的气溶胶粒子的干沉积速度值与前两者有较大差异，而且在图中体现出，随着下风向距离变化，由于地形变化会出现干沉积速度的拐点，拐点处的干沉积速度值比较大，这意味着粒径大于5m的气溶胶粒子受到地形即流影响相较于小粒子更大，说明重力是影响其干沉积速度的主要因素。另外下垫面地形对于气溶胶粒子的干沉积速度的影响因素不是单一的，这些影响因素会随着风速的变化而发生改变，所占影响比0.10(s/)0.050-0.05-0.10Fig.7 Dry deposition velocity at each point in the flat terrain and control experiments when the wind speed is Im/s平坦地形粒径0 2 m平坦地形粒径2 5 m5001500leeward slope and valley when the wind speed is 5 m/s测量点距离释放点位置（mm）图7 风速为1m/s时平坦地形和对照实验各点的干沉积速度4000测量点距离释放点位置（mm）重也会发生改变。具体是哪些影响因素对干沉积速度造成了影响，又分别怎样受风速影响变化而改变其比重，需要后续做针对性实验来探究。3.3对照试验设置空白对照组，目的是通过控制变量法探究下垫面整体对气溶胶干沉积速度的影响。在对照实验中，将某核电厂部分厂址的NE风向模型搬离风洞，以风洞自身底部作为下垫面。其余实验条件和测量点不变。对照实验所测最低点和有下垫面时测到的最低点高度保持一致。选用最具代表性的1m/s风速下的气溶胶干沉积速度对比图。如下图7 图11所示。粒径0 2 m空白粒径0 2 m地形粒径2 5m空白15002000儿450025005000粒径2 5 m地形粒径 5 m空白粒径 5m地形迎风坡地形粒径2 5m迎风坡地形粒径 5m山顶地形粒径0 2 m山顶地形粒径2 5m山顶地形粒径 5m背风坡地形粒径0 2 m背风坡地形粒径2 5m背风坡地形粒径 5m山谷地形粒径0 2 m山谷地形粒径2 5m山谷地形粒径 5m40Fig.8 Dry deposition velocity at each point in the windward slope and control experiments when the wind speed is 1m/sFig.9 Dry deposition velocity at each point in the mountain peak and control experiments when the wind speed is 1m/sFig.10 Dry deposition velocity at each point in the leeward slope and control experiments when the wind speed is Im/sFig.11 Dry deposition velocity at each point in the valley and control experiments when the wind speed is Im/s由图可知，只要有下垫面的存在，不管地形如何，都会对干沉积速度造成较大影响，不同的地形产生不同的涡，不仅会影响气溶胶粒子的干沉积速度大小，甚至会对其的方向造成改变。相对于空白四川环境0.020.01(s/)0-0.010-0.02-0.03-0.04-0.050.05(s/)00-0.05-0.10-0.150.04(s/)0.0200-0.02-0.04-0.06-0.080.150.100.0502500-0.05-0.1042卷粒径0 2 m空白150020002500300035004000测量点距离释放点位置（mm）图8 风速为1m/s时迎风坡地形和对照实验各点的干沉积速度10002000测量点距离释放点位置（mm）图9风速为1m/s时山峰地形和对照实验各点的干沉积速度10002000测量点距离释放点位置（mm）图10 风速为1m/s时背风坡地形和对照实验各点的干沉积速度27002900测量点距离释放点位置（mm）图11风速为1m/s时山谷地形和对照实验各点的干沉积速度与经典实验结果比对图12 列出了六次实验干沉积速度的值（红粒径0 2 m地形粒径2 5m空白粒径 2 5 m 地形粒径 5um空白粒径 5m地形粒径0 2 m空白300050003000400033003500地形，粒径大于5m的大粒径气溶胶粒子的干沉积速度所受下垫面地形的影响更加明显且无序。3.4粒径0 2 m地形粒径2 5m空白粒径2 5um地形粒径 5m空白粒径 5m地形粒径0 2 m空白粒径0 2 m地形5000粒径2 5m空白粒径2 5m地形粒径 5m空白粒径 5m地形粒径0 2 m空白粒径0 2 m地形粒径2 5m空白粒径2 5m地形3700粒径 5m空白粒径 5m地形4期色）和本次对照实验干沉积速度的值（蓝色）。在经典实验中，气溶胶粒径近乎相同约为4 m，为Tab.2 Brief Introduction of Dry Deposition Velocity Measurement Experiment实验编号1234567吕思博等：气溶胶干沉积速度风洞模拟实验研究表2 干沉积速度测量实验简介实验草地（风速0 4m/s)Slinn（198 2）模型（自然水面）（风速0.5 1.6 m/s)19Zhang（2 0 0 1）（风速约2 15 m/s）模型2 0 )Zhang（2 0 14）风洞实验（粗糙表面)2 1Zhang（2 0 14）（均勾粗糙表面）模型2 1农田（风速0 4m/s)本次对照实验41了方便比较，本图中采用的是干沉积速度均值的绝对值。实验简介见表2。0.0350.030(s/）0.0250.0200.0150.0100.00500图12 与以往气溶胶粒子干沉积速度测量实验的结果比对图Fig,12 Comparison with the results of previous aerosolparticle dry deposition velocity measurement experiments由图可知，在相似的下垫面和风速条件下，所得气溶胶粒子干沉积速度与以往实验结果相比处于同一数量级，即本次实验获得的基础数据基本正确且真实可靠。4 结 论（1）气溶胶粒子由于粒径不同，影响其干沉积速度的因素也不同，在相同的下垫面地形和风速的情况下，0 2 m和2 5m的气溶胶粒子的干沉积速度大小和随下风向距离变化趋势几乎相同，而粒径大于5m的气溶胶粒子则有较大差别，表现为大粒径粒子惯性较大，因此重力是影响干沉积速度的主要因素。（2）在具有地形的下垫面的实验组和对照试验的对照组中，当风速相同时，随着下垫面地形的变化，干沉积速度所受影响也在变化。粒径大于5m的气溶胶粒子的干沉积速度相较于小粒径的气溶胶粒子，所受下垫面地形的影响更加明显。（3）本次实验以部分复杂地形的某厂址为代表进行了风洞模拟气溶胶粒子干沉积速度的测量与研究。通过与以往多次实验结果进行比较，证实本次实验的测量结果真实合理，为后续的放射性气溶胶沉积实验积累了基础数据。参考文献：1234.56实验编号78【1中华人民共和国环境保护行业标准质取样一般规定M.中国环境科学出版社，1998.2 中华人民共和国卫生部甲型H1N1流感诊疗方案（2 0 0 9年试行版第一版）J社区医学杂志，2 0 0 9，7（10）：51-52.3吴双胜，张姣姣，孙瑛，等一起可能经气溶胶传播的新型冠状病毒Delta变异株聚集性疫情调查J中华流行病学杂志，2 0 2 2，43(3):30 5-30 9.4王京丽，刘旭林北京市大气细粒子质量浓度与能见度定量关系初探J气象学报，2 0 0 6，6 4（2）：2 2 1-2 2 8.5苏锦坤，李小波，李金有，等广州白云国际机场旅检大厅生物气溶胶粒子及其携带病原体监测J中国国境卫生检疫杂志,2 0 14,(1):40-45.6吴晓飞，刘鸿诗核电站放射性环境调查的气溶胶采样方法J.核电子学与探测技术，2 0 0 4，（5）：112-114.7李雪泓，赵强，王茜，等.（2 10)Pb分析方法在成都大气气溶胶中的应用J.四川环境，2 0 17，（4）：142-146.8ROUPSARD,Pierre,et al.Measurement in a wind tunnel of drydeposition velocities of submicron aerosol with associated turbu-lence onto rough and smooth urban surfaces J.Journal of Aero-sol Science,2013,55:12-24.9CHAMBERLAIN,A.C.at CHADWICK RC:Deposition of air-borne radio-iodine vapourJ.Nucleonics,1953,(11):22-25.10林官明，蔡旭晖，胡敏，等。大气气溶胶干沉降研究进展J：中国环境科学，2 0 18，38（9）32 11-32 2 0.11 Pope CA,Muhlestein JB,May HT,et al.Ischemic heart disease e-vents triggered by short-term exposure to fine particulate air pollu-tionJ.Circulation,2006,114(13):2443-2448.12 Pryor S C.Size-resolved particle deposition velocities of sub-100气载放射性物42nm diameter particles over a forest J.Atmospheric Environ-ment,2006,40(32):6192-6200.13 ZHANG,L.,et al.Dry deposition fluxes and deposition veloci-ties of seven trace metal species at five sites in Central Taiwan-asummary of surrogate surface measurements and a comparisonwith model estimation.Atmospheric Chemistry&Physics Discus-sions,2011,11.12.14 OKUBO,Ayako;TAKEDA,Shigenobu;OBATA,Hajime.At-mospheric deposition of trace metals to the western North PacificOcean observed at coastal station in Japan.Atmospheric Re-search,2013,129:20-32.15 Zufall M J,Dai W,Davidson C I.Dry deposition of particles towave surfaces:II.Wind tunnel experiments J.AtmosphericEnvironment,1999,33(26):4283-4290.16李惠君.大气边界层特性的风洞模拟研究D杭州：浙江大学，2 0 0 8.四川环境17ZHANG,J.;SHAO,Y.;HUANG,N.Measurements of dustdeposition velocity in a wind-tunnel experiment.AtmosphericChemistry and Physics Discussions,2014,14.7:9439-9474.18 Huang N,Zhang J.Wind-tunnel Experiment on Dust Atmos-phere-surface Exchange:Emission and Dry Deposition J.Pro-cedia lutam,2015,17:129-135.19Slinn S A,Slinn W G N.Predictions for particle deposition onnatural watersJ.Atmospheric Environment,1980,14(9):1013-1016.20Zhang L,Gong S,Padro J,et al.A size-segregated particle drydeposition scheme for an atmospheric aerosol module J.Atmos-pheric Environment,2001,35(3):549-560.21Zhang J,Shao Y.A new parameterization of particle dry deposi-tion over rough surfaces J.Atmospheric Chemistry and Phys-ics,2014,14(22):12429-12440.42卷