激光片光濃度場測量系統(tǒng)及其在風(fēng)洞模擬中的應(yīng)用

黃遠東+宋也+侯人瑋+王夢潔

摘要： 為在大型環(huán)境風(fēng)洞中模擬大氣污染物遷移擴散狀況，開發(fā)出污染物濃度激光片光測量系統(tǒng)和污染物發(fā)放系統(tǒng)?；诩す馄鉂舛葓鰷y量系統(tǒng)，風(fēng)洞模擬得到城市環(huán)境下點、線和面源污染物的擴散分布圖案?；陲L(fēng)洞試驗工況的邊界條件，計算流體動力學(xué)（CFD）仿真得到污染物擴散分布，CFD仿真結(jié)果和激光片光濃度測量結(jié)果，兩者定性一致，達到了相互印證的效果。將研究開發(fā)的激光片光濃度場測量系統(tǒng)和定量采樣方法相結(jié)合，有望實現(xiàn)風(fēng)洞試驗中污染物濃度場的定量測試。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)洞； 激光片光； 污染物擴散； 污染源； 氣流運動

中圖分類號： X 5文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.001

Abstract： In order to perform wind tunnel experimental studies on pollutant dispersion， a laser sheet light system for measuring pollutant concentration fields and a pollutant releasing system were developed. Based on the laser sheet light system for concentration measurement， the distribution patterns of pollutants released respectively from point， line and face sources under urban environments were investigated by wind tunnel experiments. Based on the boundary conditions in the wind tunnel test case， the pollutant dispersion was simulated numerically by computational fluid dynamics （CFD）. The CFD results are qualitatively matched the laser sheet concentration measurements in the wind tunnel. By combining the laser sheet light system for concentration field measurement with the concentration sampling method， it will be expected to realize the quantitative measurement of pollutant concentration fields in wind tunnel modeling.

Keywords： wind tunnel； laser sheet light； pollutant dispersion； pollution source； airflow

引言

城市環(huán)境下的大氣污染物遷移擴散是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一[1]。對于該類問題的研究有風(fēng)洞試驗[23]、計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值仿真[1，45]和現(xiàn)場實測等技術(shù)。風(fēng)洞試驗由于邊界條件可控，以及可為CFD仿真模型的驗證提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等特點，已成為模擬大氣污染物遷移擴散的重要技術(shù)手段。但目前在風(fēng)洞試驗中，測試大氣污染的擴散分布大多采用的是定點采樣方法[2]，該方法可定量得到污染物濃度，但帶來流場干擾，且采樣點數(shù)目有限，很難得到全場的污染物濃度分布概貌。

本文將介紹我們集成開發(fā)的、用于大型環(huán)境風(fēng)洞模擬的大氣污染物濃度激光片光測試系統(tǒng)，激光片光濃度場測試系統(tǒng)屬于非接觸式、全場（激光片光照射平面）測量，可避免流場干擾并能有效獲得污染物濃度的場分布。采用污染物發(fā)放系統(tǒng)在大型風(fēng)洞中模擬典型點源（建筑物屋頂煙囪排放）、線源（城市道路交叉口及街道內(nèi)機動車尾氣連續(xù)排放）和面源（城市交通隧道洞口大氣污染物排放）的污染物，采用大氣污染物濃度激光片光測試系統(tǒng)，測試這些污染物的擴散分布狀況。

1污染物濃度測試系統(tǒng)和污染物發(fā)放系統(tǒng)的組成

1.1激光片光污染物濃度場測試系統(tǒng)

圖1為用于風(fēng)洞模擬大氣污染物擴散的污染物濃度激光片光測試系統(tǒng)。

該濃度場測試系統(tǒng)由激光器、光學(xué)鏡片和高速數(shù)字圖像記錄系統(tǒng)等組成。激光器為連續(xù)波半導(dǎo)體激光器，通過光學(xué)鏡片匯聚激光器所發(fā)出的激光能量，得到輸出波長為 532 nm的激光片光（光束直徑小于4 mm，發(fā)散角小于0.7 mrad）；高速數(shù)字圖像記錄系統(tǒng)（CCD系統(tǒng)）由計算機（含記錄軟件）、尼康A(chǔ)F鏡頭（相機）、CORE傳輸主機、固態(tài)硬盤（存儲設(shè)備）和連接線等構(gòu)成。測量過程中，將激光片光作為照射光源照射大氣污染物，CCD系統(tǒng)采集粒子的散射光，散射光越強則說明粒子濃度越大[6]。

1.2污染物發(fā)放系統(tǒng)

圖2為污染物發(fā)放系統(tǒng)，由變頻器、旋渦氣泵和煙霧發(fā)生器等組成。發(fā)煙材料在煙霧發(fā)生器內(nèi)燃燒產(chǎn)生煙霧，煙霧在旋渦氣泵作用下通過導(dǎo)管導(dǎo)入風(fēng)洞內(nèi)，產(chǎn)生點源、線源和面源的污染源，而旋渦氣泵送風(fēng)量可由變頻器控制。

2激光片光濃度場測試系統(tǒng)在風(fēng)洞模擬大氣污染擴散中的應(yīng)用

采用激光片光污染物濃度測試系統(tǒng)和污染物發(fā)放系統(tǒng)，在上海理工大學(xué)的大型環(huán)境風(fēng)洞（工作段空間為長20 m、寬2.2 m和高2.1 m）中模擬了點源、線源和面源污染物在城市環(huán)境下的擴散分布狀況。試驗中，通過CCD系統(tǒng)采集激光片光照射平面上的污染分布圖案，然后利用MATLAB軟件對圖像進行處理，得到污染物濃度分布云圖，該云圖可表示平面上各處污染物濃度的相對大小。此外，通過CFD數(shù)值仿真的方法，獲得污染物濃度分布云圖，并將該云圖與風(fēng)洞試驗得到的云圖進行比較。

2.1點源污染物擴散的風(fēng)洞模擬

在來流風(fēng)速為5 m/s的條件下，用風(fēng)洞模擬建筑物屋頂煙囪排放污染物的擴散。圖3為兩等高建筑物的點源污染物擴散分布測試結(jié)果，圖3（a）為實測獲得的污染物分布圖，圖3（b）為采用MATLAB軟件對圖3（a）進行處理所得到的云圖，圖3（c）為風(fēng)洞試驗工況下，采用CFD數(shù)值仿真方法獲得的污染物分布圖案。比較圖3（c）與圖3（a），可以看出兩者定性結(jié)果一致，都表明污染物都往下風(fēng)向擴散分布。圖4為上游建筑物高于下游建筑物條件下的污染物擴散分布測試結(jié)果，風(fēng)洞模擬結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果都表明污染物往上游建筑物擴散分布，這是由于在上游建筑物后部形成一個順時針方向的大旋渦所致[7]。

2.2線源污染物擴散的風(fēng)洞模擬

在來流風(fēng)速為5 m/s的條件下，風(fēng)洞模擬城市道路交叉口排放污染物的擴散。圖5為線源污染物在街道和交叉口處的擴散分布情況，且風(fēng)洞模擬和CFD數(shù)值仿真結(jié)果都揭示污染物在街道峽谷的背風(fēng)側(cè)聚集，這是因為在街道峽谷內(nèi)存在一個順時針的大旋渦，該大旋渦使街道地面發(fā)放出的線源污染物聚集到峽谷的背風(fēng)面[8]。

2.3面源污染物擴散的風(fēng)洞模擬

在來流風(fēng)速為5 m/s的條件下，風(fēng)洞模擬城市交通隧道的洞口大氣污染物擴散。由于污染物從整個隧道洞口排放，所以污染源為一面源。圖6為面源污染物在隧道洞口周圍的擴散分布情況，且風(fēng)洞模擬和CFD數(shù)值仿真的定性分布規(guī)律一致。

3結(jié)論

本文介紹了一種用于大型風(fēng)洞模擬試驗的大氣污染物濃度激光片光測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)為非接觸式、全場測量，能有效避免流場干擾和獲得污染物濃度的場分布。采用污染物發(fā)放系統(tǒng)、大氣污染物濃度的激光片光測試系統(tǒng)，在大型風(fēng)洞中模擬了代表性點源（建筑物屋頂煙囪排放）、線源（城市道路交叉口和街道上的機動車尾氣連續(xù)排放）和面源（城市交通隧道洞口大氣污染物排放）的污染物擴散分布，清晰獲得了污染物擴散分布的圖案。風(fēng)洞模擬得到的污染物擴散分布圖案和CFD數(shù)值仿真結(jié)果定性一致，達到了相互印證的效果，使研究結(jié)果更加可靠。

需指出的是，本文介紹的激光片光濃度場測量系統(tǒng)，只能獲得污染物濃度場的定性分布（灰度分布），如將激光片光濃度場測量系統(tǒng)和傳統(tǒng)的定量采樣方法相結(jié)合，有望在風(fēng)洞試驗中實現(xiàn)污染物濃度場的定量測試。

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