气溶胶在采样管中的沉积特性研究

为了正确评价气溶胶在采样管道中的粒子沉积损失,文章通过实验研究确定了采样管道中粒子沉积与有关参数之间的关系。气溶胶粒子粒径为0.04~8.30μm、采样流量为10~30 L/min、采样管道长度为10~35 m。结果表明,当气溶胶粒径约小于1μm时,穿透率随粒径增大而增加,当气溶胶粒径约大于1μm时;穿透率随粒径增加而减小;气溶胶粒子的穿透率随流速增大而增加;气溶胶粒子的穿透率随采样管长增加而减小。     

低Reynolds数雨滴表面流体滑移及重力效应对粒子清除的影响

采用拉格朗日法求解了低Reynolds数雨滴以终端下落速度时对大气气溶胶粒子的捕集效率,为考察雨滴表面流体滑移效应,采用Hadamard-Rybczynski流场描述低Reynolds数下雨滴的绕流特征,数值计算中考虑了粒子的惯性碰撞与拦截捕集机理,分析和讨论了雨滴表面流体滑移及粒子重力效应作用对粒子捕集效率的影响.结果表明,若忽略雨滴表面流体滑移及粒子的重力效应,则数值计算结果与已有分析结果一致.当考虑雨滴表面流体滑移效应,则粒子捕集效率有一定程度增加,增加幅度与雨滴尺寸、粒子尺度及粒子密度等参量均有关.粒子所受的重力对雨滴捕集粒子的能力起削弱作用,其削弱程度依赖于粒子拦截参数(R)和Stokes数(St)的大小,在0.2St0.3区间,重力作用对粒子捕集的削弱作用最为显著.     

核壳模型下黑碳的吸收对南京大气消光贡献研究

黑碳是气溶胶粒子中最重要的吸收性组分,对大气辐射过程、气候系统具有重要影响.理论上黑碳的光吸收能力除了与质量相关外,还与粒径分布、混合方式有关,由于黑碳粒子的不可溶性,核壳结构可能是含黑碳气溶胶粒子的重要存在形态.本研究利用2013年10月15日—11月13日的观测数据,结合κ-EC-米散射模型对核壳结构假设下的大气气溶胶的消光特性进行了定量分析,计算了核壳结构假设下气溶胶的吸收系数和吸收对消光的贡献,并对不同粒径段吸收系数随相对湿度增长的规律进行了分析.结果表明,观测期间吸收对消光的平均贡献在干态下为5.8%,而在环境相对湿度下只有3.4%,在所有粒径段消光系数随相对湿度都是显著增加的,而吸收系数的吸湿增长曲线与气溶胶粒径密切相关,小粒径段的吸收随相对湿度的增加而增加,而大粒径段的吸收随相对湿度的增加而减小,在不同粒径段的粒子综合作用下吸收随相对湿度变化不明显.     

南京北郊大气气溶胶的吸湿性观测研究

大气气溶胶的吸湿性不仅影响气溶胶的光学特性进而影响大气能见度,并且影响气溶胶的直接和间接气候效应.本文利用加湿串联差分迁移分析仪H-TDMA,于2012年5~7月在南京地区,对40~200nm大气气溶胶粒子在不同相对湿度下的吸湿增长因子进行了观测研究.统计结果表明:在90%相对湿度下,颗粒物的吸湿增长因子GF多为双峰分布,分为GF1.15的强吸湿组分.弱吸湿组分的吸湿增长因子(GFLH)在1.10~1.14之间;对应的强吸湿组分增长因子(GFMH )范围在1.47~1.58之间变化.相同粒径下的离散程度(σ)强吸湿组大于弱吸湿组,说明强吸湿组的粒子化学成分更复杂,异质性更强.相对湿度的变化对粒子吸湿增长的影响与粒子大小及化学组分有关,爱根核模态和积聚模态粒子在相同的相对湿度下潮解点不同,硝酸铵和硫酸铵是颗粒物中的主要吸湿成分.对不同天气条件下的气溶胶吸湿性分析,发现污染期间的吸湿增长因子(GF)和强吸湿组的数目比例(NFMH)都高于清洁期间,这与当时的气象条件以及粒子的内外部混合状态相关.观测还发现气溶胶粒子的吸湿性有明显的日变化特征,白天光照所引发的光化学反应以及混合层演变而造成粒子的吸湿性较强.机动车尾气排放的黑碳等不吸湿或弱吸湿颗粒物也会因为影响颗粒物的化学成分并进而对气溶胶吸湿性产生影响.     

大气混浊度系数和气溶胶粒子数的关系

本文根据气溶胶消光特性——气溶胶粒子光学厚度是消光波长的函数,采用随机的最小二乘技术;数值反演了垂直气柱中气溶胶粘子大小分布,并且对反演的气溶胶粒子谱分布,采用数值积分算出半径大于0.3μm气溶胶粒子总数,求得了大气混浊度系数和半径大于0.3μm气溶胶粒子总数之间关系,用太原市实测气溶胶粒子数资料验证,效果较好.     

南京北郊秋冬季相对湿度及气溶胶理化特性对大气能见度的影响

为了解南京北郊秋冬季相对湿度与气溶胶理化特性对大气能见度的影响,利用2012年秋冬季气象要素资料、颗粒物浓度及其主要成分和气溶胶粒子谱分布等观测数据,分析了南京北郊大气能见度与气象要素、颗粒物污染之间的关系.结果表明,南京北郊秋冬季节平均大气能见度仅为4.76 km.颗粒物浓度与能见度存在一定的负相关关系,尤其细粒子对能见度的影响更为显著.随细粒子质量浓度和相对湿度(RH)的增大,低能见度出现的频率呈现上升趋势.能见度从5~10 km衰减到5km时,PM10和PM2.1质量浓度分别增加了7.56%和37.64%;其中SO2-4和NO-3质量浓度均有显著增加.气溶胶粒子数浓度对能见度的影响与相对湿度有关,粒径0.5~2μm的气溶胶数浓度随RH增加增长缓慢,而2~10μm范围内的粒子数浓度随RH增加而减小;结合气溶胶表面积浓度与能见度进行相关性分析,表明0.5~2μm的细粒子及相对湿度是导致南京北郊秋冬季大气能见度下降的主要因素.     

山西夏季气溶胶空间分布飞机观测研究

以搭载了多种气溶胶观测仪器的飞机为观测平台,在2013年夏季首次对山西中部地区霾日及晴空大气气溶胶空间分布特性进行了观测,得到气溶胶粒子数浓度和尺度的垂直分布廓线以及不同高度气溶胶粒子谱分布特征.研究发现,山西夏季非降水天气条件下气溶胶粒子以核模态和积聚模态的细粒子为主,粗粒子很少.霾日气溶胶数浓度是晴空的2~3倍,主要是核模态的小粒子;气溶胶粒子数浓度随着高度逐渐减小,低空存在气溶胶累积区,逆温层的存在是导致气溶胶累积区形成的主要原因;气溶胶粒子尺度随高度增加,大粒子主要分布在2500m以上的高空;不同高度上的气溶胶粒子谱均呈双峰或三峰分布,谱型基本一致,从近地面到5000m高空,气溶胶粒子谱随高度的增加略有展宽.观测区域气团后向轨迹模拟结果显示,4000m以上高空气溶胶粒子主要是从中国西北地区远距离输送而来,3000m以下气溶胶粒子则主要来源于近地面排放.     

水平表面上多机理作用下气溶胶沉积特性数值分析

采用离散随机模型模拟了水平表面上气溶胶粒子沉积的微观过程.基于随机游走方法,求解了微粒在布朗扩散和外场迁移两种输运机制耦合作用下的运动轨迹,分析了沉积物形结构特征与微粒输运机制间的作用关系,并讨论了不同沉积机制和粒径分布下的表面沉积水平.结果表明,低Pe数下沉积物形态呈现疏松的粉尘絮团结构,而在高Pe数下沉积物则表现出较为紧密的堆积结构.不同沉积机制下粒子沉积形态结构的差异取决于微粒运动轨迹的随机强度;水平表面最大沉积微粒数存在一上限值,且与微粒输运机制和粒径分布均有关.     

华北地区气溶胶数浓度和尺度分布的航测研究 ——以石家庄为例

2009年秋季利用河北省人工影响天气办公室机载气溶胶粒子探头(PCASP-100X)和前向散射滴谱探头(FSSP-100-ER)在石家庄市上空进行了多次气溶胶观测.选取2009年9~10月间的7架次雾天、1架次小雨天及1架次密卷云天观测资料,重点研究雾天气溶胶粒子数浓度和直径的垂直、水平分布特征及粒子谱分布,并与密卷云天和小雨天的探测资料进行对比分析.结果表明:石家庄地区气溶胶粒子数浓度较高,近地面最大值达11910个/cm3.气溶胶粒子数浓度主要受天气条件影响,逆温层是影响粒子垂直输送的主要因素,在逆温层下粒子累积形成粒子数浓度的高值区,逆温层以上气溶胶粒子数浓度迅速减少,雾天和密卷云天粒子数浓度随高度多呈负指数分布;雾天多伴有逆温层和较大空气湿度,有利于气溶胶粒子累积,数浓度一般可达104个/cm3以上,容易形成低能见度污染天气;气溶胶粒子数浓度在无降水日有累积效应,降雨对气溶胶粒子有明显清除作用;粒子数浓度和粒子直径在水平方向上呈不均匀分布,随着高度增加粒子数浓度和直径的水平绝对偏差减小,相对偏差往往增大;不同天气下尺度谱型类似,多呈单峰分布,在0.11μm左右处出现峰值,但在雾天、密卷云天、小雨天气下的气溶胶粒子峰值依次变小,并且随高度增加,尺度谱峰值数密度值降低,谱变窄.     

新疆干旱区气溶胶间接效应区域性分析

利用MODIS气溶胶和云资料以及实测的降水数据,可从宏观角度分析新疆区域气溶胶时空分布特征,研究气溶胶与云和降水之间的相互影响关系.结果表明：近十年来受区域暖-干趋势的转变影响,新疆地区气溶胶光学厚度空间分布呈现显著的区域性和季节性差异;南疆地区气溶胶光学厚度整体高于北疆地区,春、夏高,秋、冬低,整体呈现增加趋势,其中,北疆地区气溶胶光学厚度变化程度相对较为显著;受气候变化和颗粒粒径差异影响,新疆干旱区云光学厚度与气溶胶光学厚度呈负相关变化趋势,相关系数北疆地区高于南疆地区;云水路径受温度、湿度影响较大,对气溶胶光学厚度的变化的敏感程度北疆大于南疆,夏季最高,冬季最低;气溶胶光学厚度与云滴粒子有效半径关系复杂,受水汽影响较大,在云层含水量较低的情况下,云滴粒子有效半径与气溶胶光学厚度呈负相关,说明在干燥地区或季节,气溶胶的增加,抑制云滴粒子的增长;整体来看,新疆干旱区气溶胶的增加抑制了区域降水的形成.     

栅条絮凝池内部流场及颗粒运动状态模拟分析

利用数值模拟方法对栅条絮凝池前段内部流场进行模拟分析,以涡旋速度梯度和湍动能作为综合评价指标,对其结构设计的合理性进行了验证。在流场中加入了11组不同粒径和有效密度的絮凝颗粒,每组在流场入口处随机释放98560个粒子,利用DPM模型对粒子运动轨迹进行追踪统计。结果表明:随着絮凝颗粒的增大,其有效密度呈相应下降趋势。絮凝颗粒直径为1~1000 μm,沉积率<10%,且在各竖井内沉积均匀,能够很好地满足絮凝要求。当颗粒粒径为1000~5000 μm时,沉积率呈急剧上升趋势,但在各竖井内沉积较为均匀。当颗粒粒径进一步增大至10000 μm时,大量粒子在第1段竖井内沉积,不利于排泥的均匀性。综合考虑沉积率和排泥均匀性,实际工程中应尽量避免出现1000 μm以上的大粒径絮凝体。     

一种新型流管反应器的设计与表征

介绍了一种用于气溶胶生成机制研究的流管反应器（Jiao-FTR,J-FTR）的设计及表征.借助计算流体力学（CFD）模拟和实验测定,表征了不同进气结构和实验条件下反应器内流场的发展及稳定,移动进气管的喷射效应以及气体和颗粒物在反应器内的平均停留时间.结果表明,预混合段进气方式,主流流量,移动进气管结构及注入流量对J-FTR的流场发展以及气体和颗粒物的停留时间具有较大影响;J-FTR的预混合进气段具有使主流快速过渡为层流的优势,在对称进气条件下,当主流流量不超过8L/min,气流在进入主反应段之前可发展为稳定的层流;当移动进气管使用大内径的直管或径面十字型结构时,可以有效减小或避免移动进气管的喷射效应.以上结果不仅可为使用J-FTR开展大气化学和气溶胶生成机制研究提供重要的实验指导,也可为其他研究者设计FTR,进行流管实验提供借鉴.     

颗粒床过滤中的惯性碰撞效应研究

在实验的基础上,得到了计算单个颗粒惯性碰撞收集效率的经验方程式。结果表明,气溶胶粒子的粒径越大,惯性碰撞越显著;气体流速的增加有利于粒子的惯性沉积;沙介质的粒径越小,气溶胶粒子的惯性碰撞效应越高,穿透率也就越低。     

布朗扩散对颗粒床过滤的影响

在实验的基础上 ,得到了计算单个颗粒扩散收集效率的经验方程式。结果表明 ,气溶胶粒子的粒径越小 ,布朗扩散越显著 ;气体流速的增加不利于粒子的扩散沉积 ;过滤介质的粒径越小 ,粒子的扩散沉积效应越高 ,穿透率也就越低。     

大气气溶胶干沉降研究进展

从干沉降速度定义出发,综述了过去几十年来国内外在气溶胶干沉降实验技术和理论方面的主要进展.气溶胶粒子从大气向地表沉降的过程决定于颗粒物的粒径、密度和空气粘性系数,同时受空气动力学阻力、粘滞层阻力和表面收集阻力的影响,这些阻力分别与大气层温度、风速、相对湿度等微气象条件密切相关.获取干沉降速度的方法主要有示踪法、梯度法和涡流相关法等.风速的三维瞬时量、动能、摩擦速度、温度和涡旋扩散系数可由超声风速温度仪测定.由于气溶胶具有很宽的粒径谱分布,通常使用几台仪器（如串联式多级采样器、空气动力学粒径谱分布仪和扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪）进行联合测量.干沉降参数化方案中,基于斯托克斯定律的物理模型着重于平衡重力、浮力和阻力的作用,半经验方案则进一步考虑了大气湍流、分子运动以及表面捕获机制包括布朗扩散、碰撞、截留、反弹、热泳和扩散泳.然而,参数化方案预测结果在某些粒径段与外场测量数据仍存在显著差异.结合目前干沉降研究存在的问题,对今后气溶胶干沉降的研究方向和技术方法进行了展望.     

基于LBM-DEM耦合研究多孔介质中生物膜对悬浮粒子运移的影响

生物膜是多孔介质中普遍存在的细菌群落,会与悬浮粒子相互作用并影响粒子的迁移沉积。采用格子玻尔兹曼-离散单元耦合方法(LBM-DEM)研究了悬浮粒子在覆盖生物膜多孔介质中的运移。发现生物膜的存在会降低孔喉尺寸和DLVO排斥势垒,这有助于增强悬浮粒子的沉积。进出口压差是影响粒子滞留率的主要因素,低进出口压差下粒子无法突破排斥能垒,高压差下流体力通过改变粒子的沉积位置可提高渗透率。溶液离子强度变化主要影响排斥屏障。高离子强度的溶液中,粒子滞留率对压差变化响应较小;低离子强度溶液中,粒子滞留率受进出口压差的影响较大。此外,从介观角度观察入流速度对悬浮粒子黏附与滚动的影响,发现粒子的初始沉积点与来流方向的角度随着粒子速度的增加而减小。