冲击式大气串级采样器的设计及应用

摘要

目前国内外学者特别关注空气动力学直径小于2.5μm的细颗粒物(即PM2.5)，这些颗粒物能渗透到肺部组织深处，引起许多肺部疾病，严重威胁人类健康。因此，对大气中PM2.5颗粒浓度的监测已成为大气环境质量评价中一个重要指标。冲击式大气采样器已广泛应用于大气颗粒检测，关于采样器的设计，国外早已形成一套理论，并设计出了一系列的产品，而国内大多数产品设计还处于仿制阶段。为提高我国特别是广大农村地区PM2.5颗粒浓度检测水平，本课题做了如下工作。 首先，从Marple关于切割器设计基本理论出发，结合Biswas关于表征切割器喷嘴中真实空气流与等熵流偏差的排放系数关联式，以及Michaud的喷嘴临界截面面积计算式，推导出即适用于单级采样器中切割器设计，也适用于串级切割器设计的设计方程与设计步骤。依此设计步骤，用DELPHI可视化编程语言编写了采样器的设计程序，设计出多孔喷嘴PM10-PM2.5串级冲击式大气采样器。通过对采样器滤膜电镜扫描，发现该采样器能较好的完成PM10和PM2.5颗粒切割功能，与同类产品平行实验对比，表明该采样器采样数据稳定、可靠。 其次，对该PM10-PM2.5串级采样器颗粒捕集行为进行数值模拟。从颗粒在气流中的受力分析入手，推导出了考虑重力情况下的颗粒运动方程以及颗粒撞击到捕集板的判据条件。利用FLUENT商用计算流体软件，采用二阶迎风格式和SIMPLE算法离散并求解空气流场中控制方程N-S方程组，模拟出采样器中空气流场。采用变步长龙格—库塔数值计算的方法，基于MATLAB开发平台自编程序，求解出采样器中颗粒的运动轨迹。在此基础上，分析了不同粒径、不同喷嘴进口位置下颗粒轨迹，推算出采样器各级切割器的颗粒捕集效率曲线。 最后，用该采样器对杭州市区大气环境进行实地测量，考察了杭州市区PM2.5颗粒浓度的季节、空间分布特征，PM2.5颗粒浓度与空气湿度的关系，PM2.5颗粒浓度对大气能见度的影响。这些将为今后进一步深入研究杭州市区PM2.5颗粒污染提供依据。

目录

摘要

第一章文献综述

1.1引言

1.2大气环境空气质量词汇

1.3大气悬浮微粒主要来源

1.4大气颗粒物的危害性

1.4.1颗粒污染对人健康的影响

1.4.2颗粒污染造成的经济损失

1.5国内外对大气颗粒物污染的研究

1.5.1室外环境大气悬浮颗粒特性

1.5.2室内环境大气悬浮颗粒特性

1.5.3室内与室外颗粒浓度的比值I/O的研究

1.6国内外对冲击理论的研究

1.6.1采样器的性能评价参数

1.6.2颗粒轨迹计算

1.6.3颗粒运动方程

1.6.4颗粒捕集判据

1.6.5颗粒轨迹的求解

1.7课题的意义以及研究内容

1.7.1课题的意义

1.7.2课题研究内容

第二章冲击式采样器的设计

2.1设计原理

2.2设计计算

2.2.1设计参数的选择

2.2.2切割器设计步骤

2.3 PM10-PM2.5串级切割器设计

2.3.1采样器总体结构设计

2.3.2切割器的结构设计

2.3.3切割器冲击板结构参数的计算

2.3.4导流管设计及采样器流量稳定问题

2.4采样器的校正

2.4.1进口温度、压力对采样器切割直径的影响

2.4.2采样流量对冲击式采样器切割直径的影响

2.5 小结

第三章冲击式采样器的数值模拟

3.1引言

3.2冲击原理

3.3采样器的数值模拟方法

3.3.1采样器中空气流场的模拟

3.3.3颗粒捕集的判据

3.3.2颗粒轨迹的求解

3.4结果分析与讨论

3.4.1同一进口位置不同颗粒粒径对颗粒捕集的影响

3.4.2同一粒径颗粒不同喷嘴进口位置对颗粒捕集的影响

3.4.3不同粒径颗粒捕集效率的计算

3.5 小结

第四章冲击式采样器的校正与应用

4.1冲击式大气采样器的校正

4.1.1 PM2.5-PM10大气采样器滤膜电镜扫描分析

4.1.2与其他大气采样器测量数据的平行对比

4.1.3 PM2.5与PM10的比较

4.2 PM10-PM2.5串级大气采样器的应用

4.2.1 PM2.5颗粒浓度的季节分布特征

4.2.2 PM2.5颗粒浓度的空间分布特征

4.2.3 与我国其他城市地区PM2.5颗粒浓度的对比

4.2.4室内外空气PM2.5颗粒浓度的关系

4.2.5空气湿度对PM2.5颗粒浓度的影响

4.2.6 PM2.5颗粒浓度对空气能见度的影响

4.3 小结

第五章结论与建议

5.1结论

5.2建议

符号说明

参考文献

附录一程序代码

附录二大气颗粒采样数据

硕士期间发表的论文

致谢