風(fēng)洞內(nèi)氣象要素對濕空氣含鹽濃度的影響規(guī)律

尹 光 張 穎

（黑河市愛輝區(qū)氣象局，黑龍江黑河 164300）

0 引言

我國海域遼闊，海洋環(huán)境開發(fā)資源豐富，海洋環(huán)境特有的高風(fēng)速、高鹽霧、高濕、高溫特點(diǎn)對資源開發(fā)提出了較大挑戰(zhàn)。營造一個(gè)近似海洋實(shí)際大氣環(huán)境的風(fēng)洞，有助于降低海洋開發(fā)技術(shù)研究難度。而風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度的氣象干擾因素較多，影響了風(fēng)洞的構(gòu)建。因此，基于已有風(fēng)洞，研究氣象要素對濕空氣含鹽濃度的影響規(guī)律具有非常重要的意義。

1 風(fēng)洞構(gòu)建

風(fēng)洞構(gòu)建主要是在室內(nèi)動(dòng)態(tài)控制風(fēng)速、相對濕度、空氣溫度、太陽輻射，人為模擬室外氣象條件，形成穩(wěn)定的風(fēng)洞環(huán)境。其中風(fēng)洞風(fēng)速控制設(shè)備為750W 軸流風(fēng)機(jī)，控制范圍為0 ～5m/s；相對濕度控制設(shè)備為電極加濕器+工業(yè)除濕器，控制范圍為40%～90%；溫度控制設(shè)備為柜式空調(diào)機(jī)+電熱風(fēng)扇，控制范圍為20℃～40℃；太陽輻射控制設(shè)備為紅外輻射燈，控制范圍為0 ～1030W/m2。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 準(zhǔn)備儀器

在風(fēng)洞試驗(yàn)段開始位置擺放2 臺(tái)噴霧高度達(dá)80cm、加濕量為320ml/h 的超聲波霧化器，調(diào)整1 臺(tái)超聲波加濕器噴霧速率為2.7g/min，將0.9%鹽水霧擴(kuò)散到空氣，快速提升風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度至目標(biāo)濃度；調(diào)整另外1臺(tái)超聲波加濕器噴霧速率為1.2g/min，滿足風(fēng)洞內(nèi)鹽分消耗，緩慢將水霧化為微粒子，營造6mg/m3的濕空氣環(huán)境[1]。在風(fēng)洞試驗(yàn)段出口位置擺放大氣采樣儀（范圍60 ～120L/min，分辨率0.1L/min），采集風(fēng)洞內(nèi)空氣。同時(shí)，準(zhǔn)備精度達(dá)0.01g 的電子分析天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱、普通燒杯。

2.2 準(zhǔn)備試劑

準(zhǔn)備分析純氯化鈉（純度大于99.5%）、純凈水，配置0.9%鹽溶液[2]。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

在風(fēng)洞內(nèi)太陽輻射為200W/m2、相對濕度為75%、風(fēng)速為1.5m/s 的情況下，設(shè)置3 組溫度工況，分別為20℃、26℃、30℃；在風(fēng)洞內(nèi)太陽輻射為200W/m2、溫度為26℃、風(fēng)速為1.5m/s 的情況下，設(shè)置3 組相對濕度工況，分別為65%、75%、85%。在風(fēng)洞內(nèi)太陽輻射為200W/m2、相對濕度為75%、溫度為26℃的情況下，設(shè)置3 組風(fēng)速工況，分別為0.5m/s、1.5m/s、2.5m/s。

具體操作：第一，運(yùn)行風(fēng)洞至前期設(shè)計(jì)氣象參數(shù)，持續(xù)20 分鐘，獲得穩(wěn)定的風(fēng)洞氣象環(huán)境。同時(shí)，在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)處理玻璃纖維濾波至恒定重量，并稱量記錄[3]；第二，風(fēng)洞穩(wěn)定運(yùn)行后，開啟大氣采樣儀（已安裝玻璃纖維濾膜），在100L/min 的采樣流量下采樣20 分鐘，先后測試2 次，作為空白對照；第三，先開啟1 臺(tái)運(yùn)行速度為2.7g/min 的超聲波霧化器，連續(xù)運(yùn)行55 分鐘，再開啟運(yùn)行速度為1.2g/min 的超聲波霧化器，連續(xù)運(yùn)行305 分鐘。關(guān)閉2 臺(tái)超聲波霧化器，持續(xù)運(yùn)行210 分鐘。運(yùn)行期間，每間隔20 分鐘更換1 次大氣采樣儀內(nèi)玻璃纖維膜，記錄質(zhì)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

在獲得大氣采樣數(shù)據(jù)后，計(jì)算采樣前烘干濾膜質(zhì)量（不開啟鹽溶液霧化裝置時(shí)的空氣成分）、采樣后烘干濾膜質(zhì)量差值m（單位：mg）。進(jìn)而計(jì)算m與風(fēng)洞尺寸（120m3）的比值，得到空氣中鹽粒子含量（單位：mg/m3）。在獲得濕空氣含鹽濃度后，計(jì)算前一時(shí)刻濕空氣含鹽濃度、后一時(shí)刻濕空氣含鹽濃度差值m0。進(jìn)而計(jì)算濕空氣含鹽濃度差值m0與擴(kuò)散時(shí)間（20 分鐘）的比值，得出鹽霧擴(kuò)散速率。同理，計(jì)算濕空氣含鹽濃度差值m0與沉降時(shí)間（20分鐘）的比值，得出鹽霧沉降速率[4]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 風(fēng)洞內(nèi)溫度對濕空氣含鹽濃度的影響

風(fēng)洞內(nèi)相對濕度、太陽輻射、風(fēng)速一定情況下，溫度對濕空氣含鹽濃度的影響結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)洞內(nèi)溫度對濕空氣含鹽濃度的影響

由表1 可知，在擴(kuò)散階段，超聲波霧化液滴所含氯化鈉顆粒在風(fēng)洞內(nèi)附著、沉降，不會(huì)融入濕空氣，導(dǎo)致組間濕空氣濃度出現(xiàn)差別。在不考慮氯化鈉顆粒在空氣內(nèi)沉降造成組間濕空氣濃度差別的情況下，分析20 ～30℃范圍內(nèi)風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度隨溫度變化而變化，得出：在擴(kuò)散階段（開啟2.7g/min 超聲波霧化加濕器），濕空氣含鹽濃度較為穩(wěn)定，30℃對應(yīng)的鹽霧擴(kuò)散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于26℃對應(yīng)的鹽霧擴(kuò)散速率，20℃對應(yīng)的鹽霧擴(kuò)散速率最小，表明風(fēng)洞內(nèi)溫度與濕空氣含鹽濃度成正比例關(guān)系；在調(diào)整時(shí)間段（關(guān)閉2.7g/min 超聲波霧化加濕器，開啟1.2g/min超聲波霧化加濕器），濕空氣含鹽濃度增加速率不斷提高，濕空氣含鹽濃度出現(xiàn)極大值，鹽霧擴(kuò)散速率較為穩(wěn)定，隨溫度變化不顯著；在沉降階段（關(guān)閉1.2g/min 超聲波霧化加濕器），濕空氣含鹽濃度出現(xiàn)極小值，30℃對應(yīng)達(dá)到鹽霧沉降速率大于26℃對應(yīng)的鹽霧沉降速率，但均大于20℃對應(yīng)的鹽霧沉降速率，表明溫度上升，鹽霧粒子加速沉降[5]。

各階段溫度為30℃時(shí)對應(yīng)的濕空氣含鹽濃度均大于溫度為26℃時(shí)對應(yīng)的濕空氣含鹽濃度，各階段溫度為20℃時(shí)對應(yīng)的濕空氣含鹽濃度最小。表明在溫度處于20 ～30℃范圍內(nèi)，濕空氣含鹽濃度與溫度存在正比例關(guān)系。這主要是由于超聲波霧化液滴（直徑3±1μm）在風(fēng)洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)符合布朗運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)動(dòng)隨溫度上升而加劇是布朗運(yùn)動(dòng)的特征之一。在溫度升高情況下，超聲波霧化液滴內(nèi)氯化鈉粒子的布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加劇，由風(fēng)洞初始位置向風(fēng)洞末端擴(kuò)散速度更快，附著、沉降速度更慢，粒子濃度更高。

3.2 風(fēng)洞內(nèi)相對濕度對濕空氣含鹽濃度的影響

風(fēng)洞內(nèi)溫度、太陽輻射、風(fēng)速一定情況下，相對濕度對濕空氣含鹽濃度的影響結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)洞內(nèi)相對濕度對濕空氣含鹽濃度的影響

表2 中，各階段（擴(kuò)散階段、調(diào)整階段、沉降階段）對應(yīng)相對濕度65%時(shí)的濕空氣含鹽濃度均小于對應(yīng)相對濕度75%的濕空氣含鹽濃度，對應(yīng)相對濕度85%時(shí)的濕空氣含鹽濃度最大。表明在65%～85%相對濕度范圍內(nèi)，風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度隨著空氣相對濕度的增加而增加，這主要是由于溫度一定情況下，風(fēng)洞內(nèi)相對濕度較高時(shí)對應(yīng)的空氣含水量較多，濕空氣含鹽成分氯化鈉易溶于水，可以在空氣中含水量較多時(shí)飄浮在空氣中，不易附著、沉降[6]。

在擴(kuò)散階段，同一時(shí)刻，65%相對濕度對應(yīng)的濕空氣鹽霧擴(kuò)散速率最小，為0.093mgNaCl/m3·min；85%相對濕度對應(yīng)的濕空氣鹽霧擴(kuò)散速率最大，為0.18mgNaCl/m3·min，表明升高風(fēng)洞內(nèi)相對濕度有利于增強(qiáng)濕空氣鹽霧擴(kuò)散速率；在調(diào)整階段，同一時(shí)刻，風(fēng)洞中相對濕度65%對應(yīng)的濕空氣鹽霧擴(kuò)散速率、相對濕度85%對應(yīng)的濕空氣鹽霧擴(kuò)散速率差距較小。可能是由于超聲波霧化加濕器噴霧速率一定，濕空氣鹽霧處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)；在沉降階段，同一時(shí)刻，風(fēng)洞中相對濕度65%、75%、85%時(shí)對應(yīng)的濕空氣鹽霧沉降速率差距較小，可大致認(rèn)定濕空氣鹽霧沉降速率為0.041mgNaCl/m3?min。

3.3 風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速對濕空氣含鹽濃度的影響

風(fēng)洞內(nèi)相對濕度、太陽輻射、溫度一定情況下，風(fēng)速對濕空氣含鹽濃度的影響結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速對濕空氣含鹽濃度的影響

表3 中，在擴(kuò)散階段，對應(yīng)風(fēng)速為0.5m/s 時(shí)的濕空氣含鹽濃度小于對應(yīng)風(fēng)速為1.5m/s 的濕空氣含鹽濃度，但大于風(fēng)速為2.5m/s 時(shí)的濕空氣含鹽濃度；而在調(diào)整階段、沉降階段，對應(yīng)風(fēng)速為0.5m/s 時(shí)的濕空氣含鹽濃度均大于對應(yīng)風(fēng)速為1.5m/s 的濕空氣含鹽濃度，風(fēng)速為2.5m/s 時(shí)的濕空氣含鹽濃度最小。表明風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速對濕空氣含鹽濃度的影響較為復(fù)雜，初始擴(kuò)散階段，0.5m/s 風(fēng)速較低時(shí)，鹽霧發(fā)生裝置產(chǎn)生氯化鈉粒子無法在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到整個(gè)風(fēng)洞，大氣采樣儀采樣受阻，導(dǎo)致濕空氣含鹽濃度測量誤差較大。將風(fēng)速提高到1.5m/s 后，鹽霧發(fā)生裝置產(chǎn)生鹽分可以均勻擴(kuò)散整個(gè)風(fēng)洞，且鹽分?jǐn)U散均勻度與風(fēng)速成正相關(guān)，風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度隨著風(fēng)速的增加而下降[7]。

擴(kuò)散階段，0.5m/s、1.5m/s、2.5m/s 風(fēng)速下濕空氣鹽霧擴(kuò)散速率變化規(guī)律與濕空氣中含鹽濃度變化規(guī)律類似，呈現(xiàn)出隨風(fēng)速變化先上升后下降的趨勢。這主要是由于0.5m/s 風(fēng)速無法確保風(fēng)洞內(nèi)空氣有效流動(dòng)，鹽霧積聚在風(fēng)洞一端無法擴(kuò)散，而1.5m/s、2.5m/s 可以促進(jìn)鹽霧在整個(gè)風(fēng)洞內(nèi)部擴(kuò)散；調(diào)整階段，0.5m/s 風(fēng)速下濕空氣鹽霧擴(kuò)散速率大于2.5m/s 風(fēng)速下濕空氣鹽霧擴(kuò)散速率，表明濕空氣含鹽濃度隨著風(fēng)速增加而下降。為降低風(fēng)洞含鹽環(huán)境波動(dòng)，可以優(yōu)選高風(fēng)速氣象日。沉降階段，0.5m/s 風(fēng)速下，濕空氣鹽霧沉降速率為0.047mgNaCl/m3?min；1.5m/s 風(fēng)速下，濕空氣鹽霧沉降速率為0.043mgNaCl/m3?min；2.5m/s 風(fēng)速下，濕空氣鹽霧沉降速率為0.037mgNaCl/m3?min。濕空氣鹽霧沉降速率隨著風(fēng)速的增加而減小，這主要是由于低風(fēng)速（0.5m/s）下鹽霧顆粒基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，更易沉降；高風(fēng)速（2.5m/s）下，鹽霧顆粒可多次在風(fēng)洞內(nèi)部流動(dòng)，不易沉降。

4 結(jié)語

單一變更相對濕度、溫度、風(fēng)速等因素，尋找風(fēng)洞內(nèi)氣象要素對濕空氣含鹽濃度的影響規(guī)律。得出結(jié)論：在25℃±5℃溫度范圍內(nèi)，濕空氣含鹽濃度隨著風(fēng)洞內(nèi)溫度的升高而增加，鹽霧粒子沉降速率、擴(kuò)散速率隨著風(fēng)洞內(nèi)溫度的升高而提升；在70%±15%相對濕度范圍內(nèi)，濕空氣含鹽濃度隨著相對濕度的升高而增加，鹽霧粒子沉降速率、擴(kuò)散速率隨著風(fēng)洞內(nèi)相對濕度的升高而提升；在1.5±0.5m/s 風(fēng)速范圍內(nèi)，調(diào)整階段、沉降階段濕空氣含鹽濃度隨著風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速的升高而減小，鹽霧粒子沉降速率、擴(kuò)散速率隨著風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速的升高而下降。研究表明，影響風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度的主導(dǎo)因素是風(fēng)速，溫度、相對濕度對濕空氣含鹽濃度的影響也較為顯著，需要著重控制。