采样输送管路内粒子损失特性的研究

摘要

大气颗粒物是大气中悬浮的固体和液体颗粒状物质共同组成的多相体系，是影响城市空气环境质量的重要因素。大气颗粒物所导致的污染问题是世界环境组织所关注的热点问题之一。
　　当前，我国关于空气颗粒物的样品采集和测量仪器设备种类繁多、数量巨大，但颗粒物采样设备的精确性及采样过程中数据的可靠性无法保证，我国与采样设备标定相关的技术系统尚不完善。就目前颗粒物采样监测的现状，对采样仪器和设备建立标定平台是极其必要和迫切的，将有力地促进国内环保事业的发展。而在颗粒物采样过程中，采样管路中粒子的扩散及沉积所影响的穿透效率必将影响采样仪器的准确性及数据的可靠性。为此，本文针对颗粒物在采样管路中的运动状态进行数值研究，分别对竖直管，倾斜管及120°弯管内粒子运动进行了模拟，将各种情况与理论研究公式进行对比，并研究其与组合管路内粒子运动状况的关系。根据数值模拟结果，得出以下结论:
　　(1)在竖直采样管路中，气流的流向对粒子采样的效率影响较低，气流自上而下时粒子通过采样管路的穿透率略高于气流自下而上时的穿透率。粒子在竖直采样管路中的穿透效率受采样管长、采样管管径及颗粒物粒径的影响。在层流状态中，粒子在竖直采样管路中的穿透效率大约为100％，粒子损失量很小。在湍流状态中，采样管路越长，粒子的穿透效率越低，在0.1μm～20μm的范围内，粒子的粒径越大，在采样管路中的穿透效率越高，采样管路内径越大，粒子的穿透效率越高。在倾斜管路中，层流状态下粒径大小对穿透效率影响不大，而湍流状态粒子的穿透效率随着粒子粒径的增大而增大。
　　(2)粒子在通过弯头时，粒子将有部分沉积在弯头外侧管壁处，在弯头的最低点处沉积效果最明显。此外，弯头的曲率也影响粒子的穿透效率。在层流状态下，曲率对粒子经过弯头的穿透效率影响较小。而在湍流状态下，曲率变大将会使穿透效率变低，但是湍流状态下大部分粒子都会沉积在管路中，因此在采样过程中应尽量采用层流状态，以减少采样过程中的粒子损失。粒子在通过弯头时，穿透效率随着Stokes数的增大而减小。层流中当Stokes数较小时，在弯管中产生的沉积很小。
　　(3)粒子在组合管路中，穿透效率随着粒径的增大而降低。粒子在各管段中的穿透效率的乘积与组合管路穿透效率误差在20％以内，因此可以用各管段的穿透效率乘积作用组合管段穿透效率来使用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容

2 采样管内粒子运动数学模型

2．1 颗粒物的受力分析

2．2 颗粒物的轨迹计算

2．3 模型适用性及正确性分析

3 竖直管及倾斜管数值模拟及分析

3．1 几何模型

3．2 采样直管路流场分析

3．3 粒子在采样管路中的浓度分布

3．4 粒子通过直管路的穿透效率分析

3．5 粒子在直管路中穿透效率与理论公式的对比分析

3．6 本章小结

4 弯头数值模拟及分析

4．1 弯头的流场分析

4．2 粒子通过弯头的浓度分析

4．3 粒子通过弯头的穿透率分析

4．4 粒子通过弯头的穿透率与理论公式对比分析

4．5 本章小结

5 组合管路模拟及分析

5．1 组合管路内流场分析

5．2 粒子通过组合管路浓度分析

5．3 组合管路穿透率计算

6 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 展望

攻读硕士期间主要成果

参考文献

致谢