虚旋风气溶胶分级采样器的采样机理及其应用

Size-segregated sampling of aerosol is of primary importance for the atmospheric aerosol research. Drawbacks, including particle bounce, break-up, and re-suspension, are associated with the widely used inertial impactor and cyclone sampler. Virtual cyclone can overcome these drawbacks to a certain extent. However, due to the poor understanding about the fluid flow dynamics inside the virtual cyclone, application of virtual cyclone is so far limited. Based on the Computational Fluid Dynamical (CFD) theory, a numerical model is expected to be developed to simulate the particle and gas flow inside the virtual cyclone. In combination with the experimental test, this study will reveal both the fluid flow and solid flow features in the virtual cyclone, and address the effects of configuration and sampling flow rate on the gas-solid flow. Optimized design and operational parameters will be put forward from the aforementioned analysis. Then, a prototype PM2.5 sampler will be designed, fabricated, and tested. In addition, performance of the prototype PM2.5 sampler for bio-aerosol sampling will be evaluated. Achievements from this study will provide theoretical guidelines for design of virtual cyclone PM2.5 sampler.

气溶胶颗粒的分级采样在大气气溶胶研究中具有重要的意义。常用的惯性冲击采样器和旋风分离采样器存在颗粒反弹、破碎、再悬浮等缺陷，虚旋风采样器一定程度上可以克服上述缺陷，但目前对其内部气流及颗粒的运动规律认识不清，限制了虚旋风采样器的应用。本研究拟利用计算流体力学（CFD）理论建立模拟虚旋风分级采样器内气固两相运动的数学模型，结合实验测试，探讨虚旋风分级采样器内气流及颗粒的运动规律，分析该类型采样器的结构尺寸和采样流速等设计、运行参数与气固两相运动的内在联系，找到实现非冲击采样的最佳设计和运行参数。在此基础上，完成新型PM2.5采样器的原型设计及性能验证，评估该采样器用于生物气溶胶采样的效果。项目完成后将为基于虚旋风概念的新型PM2.5分级采样器及生物气溶胶采样器的设计与开发提供理论指导。

气溶胶颗粒的分级采样在大气气溶胶研究中具有重要的意义。本项目通过数值模拟探讨了虚旋风分级采样器内气流及颗粒的运动特征，并结合实验测试考察了结构尺寸和采样流速等参数对采样器性能的影响。主要进展如下：（1）与常用的虚拟冲击采样器类似，虚旋风采样器内的气流也分主流和弱流，其中主流沿着曲面流出采样器做曲线运动，可以实现粒径分级。采样流量对内部流场的影响显著，较低流量下会在采样腔内形成多个涡流，增加采样器工作的不确定性。而采样器进出口尺寸和曲率半径对内部内部流场的影响相对较弱。（2）按照国家规范(HJ 93 – 2013)构建了气溶胶采样器分级效率曲线测试系统，系统可以通过溶液浓度、载气压强等参数的选择来发生特定粒径的测试用颗粒物。（3）与其他基于惯性分离的采样器相同，虚旋风分级采样器的分级效率曲线呈典型的“S”型，且随着流量的增加，采样器捕集效率增加，但其陡峭程度随流量的增加而趋于平缓。（4）结构尺寸对采样器效率的影响并不明显，而对压降的影响则不能忽视。此外，采样器与外部管路连接的转接口的结构也会影响压降，采样器优化设计中应加以考虑。（5）虚旋风采用器用于生物气溶胶采样的物理效率与非生物颗粒相同，而与市售采样器的同步测试表明其某些性能接近或优于市售采样器。（6）扫描电镜在捕集的颗粒中未观察到明显的颗粒破碎现象。（7）设计加工了一款50%切割粒径(Da50)和几何标准偏差（σg）两个参数都符合国家技术要求的PM2.5采样器。