點(diǎn)源釋放氣溶膠在粗糙子層遷移特性的風(fēng)洞研究

高 贊，高 珊，張俊芳，高 英，李云鵬，姚仁太

(1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006；3.國(guó)網(wǎng)哈爾濱供電公司，哈爾濱 150100)

隨著人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的迅速發(fā)展，大氣中氣溶膠的含量逐年增長(zhǎng)，長(zhǎng)期懸浮在空氣中的氣溶膠粒子嚴(yán)重危害人類(lèi)健康[1-2]，對(duì)氣候產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。懸浮在大氣中的氣溶膠是通過(guò)粒子隨氣流輸運(yùn)時(shí)發(fā)生自然沉降被去除的。因此氣溶膠粒子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的研究一直以來(lái)都受到了環(huán)境科學(xué)和大氣科學(xué)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注[4]。在氣溶膠粒子輸運(yùn)研究中，粒子擴(kuò)散速度是一個(gè)重要參數(shù)，它可以更好地量化這種化學(xué)形態(tài)微粒物質(zhì)和表面大氣能量、動(dòng)量交換的行為，也是連接粒子輸運(yùn)和沉積的關(guān)鍵因素[5-7]。

風(fēng)洞試驗(yàn)是模擬氣溶膠粒子擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)常用實(shí)驗(yàn)手段，它不僅可以克服現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件的差異性、不確定性等因素，也可以為數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的仿真性結(jié)果提供實(shí)踐支撐[8]。

PING et al[9]使用粒子圖像測(cè)速法(PIV)研究了風(fēng)洞中沙粒氣溶膠擴(kuò)散速度的變化規(guī)律。研究表明，粒子平均縱向速度隨風(fēng)速的增大而增大，隨粒徑的增大而減小。BO et al[10]用PIV在風(fēng)洞中研究了沙層上方沙粒粒徑對(duì)粒子速度概率分布的影響，發(fā)現(xiàn)粒徑大小對(duì)其速度分布并無(wú)顯著影響。LI et al[11]采用粒子動(dòng)態(tài)分析技術(shù)(PDA)研究了風(fēng)驅(qū)動(dòng)下氣溶膠粒子的垂向速度隨高度的變化，發(fā)現(xiàn)平均垂向速度隨擴(kuò)散高度變化主要受粒徑影響，大粒徑粒子的速度隨擴(kuò)散高度的增加而增加，而小粒子則呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。JIANG et al[12]在風(fēng)洞中用粒子跟蹤測(cè)速法(PTV)測(cè)定了氣溶膠粒子平均速度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下，粒子平均垂向速度遠(yuǎn)小于平均縱向速度。

氣溶膠遷移運(yùn)動(dòng)發(fā)生在對(duì)流層中最靠近地面的氣層——大氣邊界層[13]。根據(jù)大氣邊界層垂直方向的高度，可將其分為冠層(從地面到平均障礙物高度的2倍)、粗糙子層(障礙物平均高度的2～5倍)和慣性子層(高于粗糙子層)[14-15]。到目前為止，文獻(xiàn)中所報(bào)道的氣溶膠粒子的擴(kuò)散風(fēng)洞研究大多集中在冠層，對(duì)粗糙子層的研究較少。然而，研究粗糙子層的粒子運(yùn)動(dòng)特性可以側(cè)面提供與近地表上的物質(zhì)和能量交換機(jī)制的參考，因此，研究粗糙子層中大氣氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)特性是十分必要的。

本文以實(shí)際某電廠廠址周?chē)鹆甑匦文Ｐ蜑橄聣|面，在直流吹氣式風(fēng)洞中，采用PDA技術(shù)模擬并測(cè)定了電廠點(diǎn)源釋放的氣溶膠粒子在典型地形上粗糙子層高度的擴(kuò)散行為。這為氣溶膠在實(shí)際電廠周?chē)匦紊系倪w移擴(kuò)散提供了理論依據(jù)，也為氣溶膠在實(shí)際復(fù)雜地形粗糙子層的擴(kuò)散模擬提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

本實(shí)驗(yàn)是基于中國(guó)輻射防護(hù)研究院(山西太原)大氣邊界層二號(hào)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室完成的，該風(fēng)洞目前是亞洲橫截面尺寸最大的環(huán)境風(fēng)洞。風(fēng)洞為直流吹氣式風(fēng)洞，包括動(dòng)力段、擴(kuò)散段、穩(wěn)定段、收縮段和試驗(yàn)段，圖1為風(fēng)洞的概念圖、外部圖和三維移測(cè)機(jī)構(gòu)圖。洞體總長(zhǎng)71.1 m，試驗(yàn)段尺寸長(zhǎng)28 m、寬5 m、高3.5 m，可模擬風(fēng)速范圍為0.2～20 m/s.

圖1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室Fig.1 Wind tunnel laboratory

風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理應(yīng)滿(mǎn)足以下原則：

1)運(yùn)動(dòng)相似，即模型與原型有相似的大氣湍流流動(dòng)，這可以調(diào)節(jié)風(fēng)洞入口不同數(shù)量尖劈和地面的粗糙元的擺放來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)風(fēng)洞湍流特性結(jié)果可得，風(fēng)速廓線(xiàn)遵循指數(shù)規(guī)律，且二者相應(yīng)高度風(fēng)速比約為1∶10.

2)動(dòng)力相似，即根據(jù)湍流雷諾數(shù)相等準(zhǔn)則(即根本茂準(zhǔn)則)，在相似的大氣湍流流動(dòng)中，模型與原型的來(lái)流速度之比值等于它們的模型幾何縮尺比的1/3次方。結(jié)合上文，可以確定本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比為1∶1 000.

3)幾何相似，即本實(shí)驗(yàn)的典型地形是某電廠廠址地形按1∶1 000比例縮放的簡(jiǎn)化模型。為保證再現(xiàn)原型廠址地形該有的細(xì)節(jié)，地形及部分構(gòu)筑物采用真石漆制作，保證經(jīng)多次干磨和水磨仍保持表面垂直粗糙度分辨率為1～40 μm；模型制作結(jié)果與建筑物及地形等原型縮比值的偏差不超過(guò)±2 mm.

4)擴(kuò)散相似，即污染物擴(kuò)散相似包括對(duì)煙氣排放壓力、排放口高度和排放口直徑的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了方便，將釋放源位置坐標(biāo)定為(0 mm，0 mm)，在距釋放口300～800 mm處有一高90 mm的小峰，在距釋放口3 200～4 300 mm處有一高308 mm的大峰(為方便下文分別簡(jiǎn)化為峰1、峰2).為研究氣溶膠在粗糙子層的遷移特征，分別在兩座峰的峰前、峰頂和峰后選取合適測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量點(diǎn)選取在山體的軸線(xiàn)上，分布在山體前方、頂部和后方的不同位置，有代表性的位置共計(jì)6個(gè)選點(diǎn)，示意圖如圖2所示，A=(500 mm，320 mm)，B=(600 mm，320 mm)，C=(800 mm，320 mm)，D=(3 500 mm，470 mm)，E=(4 050 mm，470 mm)，F(xiàn)=(4 300 mm，470 mm).

圖2 氣溶膠擴(kuò)散風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量示意圖Fig.2 Schematic diagram of aerosol diffusion experiment in wind tunnel

本試驗(yàn)?zāi)M的風(fēng)速是1 m/s和2 m/s，準(zhǔn)備工作就緒后，釋放氣溶膠粒子進(jìn)行測(cè)量。圖3為實(shí)驗(yàn)采用的液體粒子發(fā)生器，通過(guò)其釋放氣溶膠DEHS(癸二酸二異辛酯，粒徑范圍為0.1～6 μm).對(duì)于實(shí)驗(yàn)中丘陵下墊面的流場(chǎng)特征研究測(cè)量用的是丹麥DANTEC公司生產(chǎn)的熱線(xiàn)風(fēng)速儀(CTA).粒子擴(kuò)散測(cè)量研究采用的是丹麥DANTEC公司生產(chǎn)的粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)，其測(cè)量原理如圖4.風(fēng)洞的試驗(yàn)段中，有三維的移動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)，該裝置可以架設(shè)測(cè)量探頭以測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖3 氣溶膠粒子發(fā)生器(10E03)Fig.3 Picture of aerosol particle source

圖4 粒子動(dòng)態(tài)分析技術(shù)(PDA)原理圖Fig.4 Principle schematic of particle dynamic analyzer (PDA)

2 氣溶膠在粗糙子層的遷移實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 湍流特性

為考察該風(fēng)洞大氣模擬動(dòng)態(tài)相似條件，采用熱線(xiàn)風(fēng)速儀(CTA)研究了實(shí)驗(yàn)條件下大氣邊界層中的湍流情況。根據(jù)以下公式，可得歸一化速度廓線(xiàn)和縱向湍強(qiáng)。

歸一化速度廓線(xiàn)：

u/u0.

(1)

縱向湍強(qiáng)：

(2)

式中：u為局地平均速度，m/s；u0為來(lái)流上層風(fēng)速度，m/s；u′為縱向脈動(dòng)速度，m/s.

圖5給出的是各測(cè)量位置的歸一化速度廓線(xiàn)。選取x=100 mm處為參考點(diǎn)，該位置基本不受地形的影響，可以認(rèn)為是平坦表面的風(fēng)速廓線(xiàn)。由圖5可以看出，在不同風(fēng)速及地形條件下，參考點(diǎn)的風(fēng)速度剖面均服從指數(shù)規(guī)律。這說(shuō)明，本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)符合大氣模擬實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)相似條件。從圖中還可以看出，與參考點(diǎn)相比，各測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)廓線(xiàn)均發(fā)生了不同程度的偏移，且隨著風(fēng)速的增強(qiáng)、峰高的增加，偏移程度加大。在粗糙子層的高度范圍，風(fēng)速度廓線(xiàn)也表現(xiàn)為上述變化規(guī)律，只是與冠層高度范圍相比，其變化規(guī)律略弱一些。

圖5 不同風(fēng)速不同峰位置的歸一化速度廓線(xiàn)Fig.5 Profiles of mean velocity over different peaks at different wind speeds

湍流強(qiáng)度(Ix)是湍流流動(dòng)的另一個(gè)重要參數(shù)，是脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度，反映了大氣湍流的運(yùn)動(dòng)。圖6給出的是不同來(lái)流風(fēng)速下的湍流強(qiáng)度分布。從圖中可以看出，在粗糙子層的高度，來(lái)流風(fēng)速及地形復(fù)雜程度對(duì)湍流強(qiáng)度可產(chǎn)生一定程度的影響。

圖6 不同風(fēng)速不同峰位置的湍流強(qiáng)度Fig.6 Turbulence intensity over different peaks at different wind speeds

2.2 粒子縱向和垂向速度的概率分布

圖7-圖10中的散點(diǎn)表示的是，不同風(fēng)速(u=1 m/s和2 m/s)時(shí)，不同粒徑(0.1～2 μm、2～4 m/s和4～6 μm)的氣溶膠粒子在不同峰位置的粗糙子層高度內(nèi)的縱向速度及垂向速度的典型概率分布。通過(guò)對(duì)圖中散點(diǎn)進(jìn)行擬合可以看出，粗糙子層范圍內(nèi)粒子的縱向、垂向速度概率分布均符合高斯分布。

圖7 峰1位置粒子縱向速度概率分布Fig.7 Probability distributions of longitudinal particles velocity at peak1

從圖7可以看出，對(duì)于峰1上3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，均符合風(fēng)速越大、擬合相關(guān)系數(shù)R2越大的規(guī)律。這可能是由于，風(fēng)速越大，煙羽中夾帶的粒子數(shù)越多，其擬合效果越好。另一方面，當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，概率分布曲線(xiàn)的峰值隨粒徑增加(從d=0～2 μm到d=4～6 μm)而增大。這可能是由于較大粒徑的粒子較重，不易受到周?chē)渌饔昧Φ挠绊?，其運(yùn)動(dòng)受限。當(dāng)風(fēng)速增大到2 m/s時(shí)，較大粒徑的粒子在強(qiáng)風(fēng)作用下運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增加，因此所有粒徑段的粒子縱向速度概率分布較一致。另一方面，從概率分布數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速由u=1 m/s增加到u=2 m/s時(shí)，粒子縱向速度值范圍從0.5～1.3 m/s增大到1～2.5 m/s，頻率的范圍從0.12～0.17減小到0.05～0.09.這表明，隨著風(fēng)速的增大，氣溶膠粒子的動(dòng)力擴(kuò)散性增強(qiáng)[16]。

對(duì)于峰2(圖8)，與峰1相比，其縱向速度概率分布曲線(xiàn)更高更窄，這可能是由于，峰2的位置(x=3 500、4 050、4 300 mm)距離點(diǎn)源較遠(yuǎn)，釋放的氣溶膠粒子在來(lái)流風(fēng)驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)輸才能到達(dá)，粒子運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)。

圖8 峰2位置粒子縱向速度概率分布Fig.8 Probability distributions of longitudinal particles velocity at peak2

從圖9可以看出，當(dāng)u=1 m/s時(shí)，峰1上方粒子的垂向速度值幾乎都是負(fù)值，即峰1上方粗糙子層高度范圍中的氣溶膠粒子總是向下運(yùn)動(dòng)的。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[12]，由于冠層高度粒子受到湍流引起的上升力作用較大，其垂向運(yùn)動(dòng)總是包括向上和向下兩部分。然而，本文研究的高度是粗糙子層，海拔位置較高，粒子受湍流影響較小，主要在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)[17]。當(dāng)來(lái)風(fēng)速度增加到2 m/s時(shí)，垂向粒子速度有正值出現(xiàn)，即表明部分粒子在較高風(fēng)速下可向上運(yùn)動(dòng)。這一點(diǎn)也證實(shí)了上文的論述：風(fēng)速增大，湍流特性增強(qiáng)，部分粒子受湍流上升力的作用而向上運(yùn)動(dòng)。

圖9 峰1位置粒子垂向速度概率分布Fig.9 Probability distributions of vertical particles velocity at peak1

與峰1處的概率分布曲線(xiàn)相比，峰2處的曲線(xiàn)(圖10)右移，這意味著向上運(yùn)動(dòng)的粒子數(shù)比例增加。這是由于，湍流特性在較高的峰2上方粗糙子層繼續(xù)增強(qiáng)，與上述討論一致。另一方面，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，冠層粒子的垂向速度通常比縱向速度小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)[18]。然而我們通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在粗糙子層高度范圍內(nèi)，粒子的縱向速度只有垂向速度的2～5倍。

圖10 峰2位置粒子垂向速度概率分布Fig.10 Probability distributions of vertical particles velocity at peak2

2.3 粗糙子層粒子速度隨高度的分布

為了研究氣溶膠粒子在粗糙子層不同高度下呈現(xiàn)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)0.1～2 μm粒子的平均縱向速度隨高度的變化進(jìn)行了描述，如圖11所示。圖中的實(shí)心點(diǎn)代表的是典型地形下不同下風(fēng)向距離，粗糙子層內(nèi)粒子的縱向平均速度，而空心點(diǎn)則是在平坦下墊面上相應(yīng)位置的對(duì)照點(diǎn)。其中粒子平均縱向速度up可由下式得到：

(3)

其中upi是單個(gè)粒子的縱向速度值，m/s.

結(jié)果表明，在粗糙子層粒子的平均縱向速度基本上不隨高度變化而變化。該結(jié)果與文獻(xiàn)所報(bào)道的冠層內(nèi)粒子縱向速度隨高度增加而增大的結(jié)果有所不同[12]。另一方面，從圖11(a)-(c)中還可以看出，風(fēng)速u(mài)=1 m/s及u=2 m/s時(shí)，在同一高度下，典型地形下的粒子縱向速度在整體上均小于平坦地形的粒子速度。這說(shuō)明丘陵地形的存在可減緩粒子沿下風(fēng)向的運(yùn)動(dòng)。從局部來(lái)看，在背風(fēng)坡(x=800 mm)的位置，典型地形下粒子的縱向平均速度有增大的趨勢(shì)，而平坦地形的粒子速度基本沒(méi)有變化。這可能是在背風(fēng)側(cè)存在的渦旋對(duì)縱向粒子產(chǎn)生了加速影響。當(dāng)風(fēng)速u(mài)=2 m/s時(shí)，上述影響更加明顯。如圖11(d)-(f)所示，在峰2背風(fēng)側(cè)(x=4 300 mm)，其粒子縱向速度值甚至超過(guò)了平坦地形的相應(yīng)粒子速度值。這可能是由于峰2背風(fēng)側(cè)存在的渦旋更大，粒子所獲的動(dòng)量更大造成的。

圖11 粒徑0.1～2 μm的氣溶膠粒子平均縱向速度隨高度分布Fig.11 Variation of mean longitudinal particle (0.1～2 μm)velocity (up)as a function of height

氣溶膠粒子的垂向平均速度包括下沉速度(正值)和上升速度(負(fù)值)，如果直接對(duì)測(cè)量垂向速度數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值是不合理的。因此我們采用公式(4)、(5)分別計(jì)算了粒子下沉平均速度vpd和上升平均速度vpa：

(4)

(5)

其中：vpdi是單個(gè)下沉粒子的速度，m/s；vpai是單個(gè)上升粒子的速度，m/s.二者隨高度的變化規(guī)律如圖12所示。從圖12(a)-(c)可以看出，隨著高度的降低，粒子平均下沉速度減小，意味著粒子越向下，其下沉運(yùn)動(dòng)越緩慢。這說(shuō)明，雖然粒子的垂向速度是向下的，但越靠近地形，其越受到空氣擾動(dòng)向上的作用力影響。從圖12(d)-(e)可以看出，峰2上方粗糙子層粒子的下沉速度和上升速度隨高度均沒(méi)有顯著變化。這可能是由于，峰2粗糙子層粒子的垂向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是在如空氣中的粒子間碰撞、空氣湍流產(chǎn)生的升力、Magnus效應(yīng)等作用力下達(dá)到了平衡[19-20]。

圖12 粒徑0.1～2 μm的氣溶膠粒子平均垂向速度隨高度分布Fig.12 Variation of mean vertical particle (0.1～2 μm)velocity (vp)as a function of height

3 結(jié)束語(yǔ)

1)在典型丘陵地形的粗糙子層高度范圍，粒子的湍流特性仍受到風(fēng)速和復(fù)雜地形的影響。

2)粗糙子層中氣溶膠粒子的縱向、垂向速度的概率分布受粒子粒徑、風(fēng)速以及地形的影響。當(dāng)粒子粒徑從0.1～2 μm增大到4～6 μm時(shí)，其縱向概率分布曲線(xiàn)的擬合系數(shù)R2降低。當(dāng)風(fēng)速?gòu)? m/s增大到2 m/s，縱向速度范圍從0.5～1.3 m/s增大到1～2.5 m/s，頻率從0.12～0.17減小到0.05～0.09.粒子垂向速度概率分布結(jié)果表明，隨風(fēng)速增大、峰高增加，在粗糙子層高度范圍向上運(yùn)動(dòng)的粒子比例增大。

3)在峰1、峰2地形下，粗糙子層內(nèi)粒子的縱向平均速度隨高度均無(wú)明顯變化。對(duì)于垂向速度，在峰1處的粒子下沉平均速度隨高度的降低而減小；而峰2處粒子的上升及下沉速度基本不隨高度變化而變化，粒子呈平穩(wěn)的狀態(tài)。