一种用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法与流程

1.本发明属于降雨清除模拟技术领域，具体为一种用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法。


背景技术：

2.大气中的雨、雪等降水形式和其他形式的水汽凝结物都能对空气污染物起到清除的作用，即降水粒子在下降过程中将进一步吸收大气微量成分和气溶胶粒子，并把它们带到地面。大气污染物的降水清洗过程，是由作为清洗作用者的降水现象与作为清洗对象的大气污染物之间的相互作用演变过程所完成的。降水时间、位置、强度等宏观指标决定了降水清洗过程发生的可能性和强度，降水中的夹卷、电荷、雨滴谱等微观指标对于决定降雨清洗的强度有重要意义。为了描述降水清除过程对空气污染物扩散的影响，定义了清除系数，即表示一定体积内的空气污染物由于降水清除作用随时间的变化情况。
3.对于此类问题的研究，主要有三种手段：现场试验、风洞实验和数值模拟。现场试验的结果真实，但是试验条件不可控、无法重现、花费代价高以及花费时间长等。数值模拟实验条件可控、重复性强、花费代价小以及周期短等，但是其结果必须经过观测或实验验证才是有效的。而风洞实验具有现场试验的真实性和数值模拟的可预测性，因此风洞实验仍是此类问题最经典且基本有效的模拟工具。
4.目前，国内针对气载污染物在大气边界层环境风洞中的扩散模拟，主要研究了风速、风向以及下垫面等对污染物扩散的影响，开展的研究较多，技术手段较成熟。然而还鲜有研究在环境风洞中，模拟大气边界层的基础上叠加降雨的作用，建立大气边界层环境风洞中降雨清除系数的测量方法。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，利用该方法可实现在环境风洞中不同形态的气溶胶粒子释放，模拟不同风速下、不同雨强、不同覆盖面积的降雨，测量计算出不同雨强、不同风速对下风向不同位置处不同气溶胶粒子的清除系数。
6.为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：
7.一种用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，包括以下步骤：
8.s1、在气溶胶释放源下风向，将下垫面进行网格化，分成n块网格；
9.s2、设置风速和降雨强度，同时开始降雨及发生气溶胶粒子，持续一段时间t，分别收集各块网格内的降水；将收集的降水水样进行过滤，分离雨水和气溶胶粒子，测量不同网格内气溶胶粒子重量，得到湿沉降气溶胶粒子沉积量mi；
10.s3、设置与步骤s2中相同的风速，发生气溶胶粒子，持续与步骤s2中相同的时间t，分别收集各块网格内的气溶胶粒子，测量不同网格内气溶胶粒子重量，得到干沉降气溶胶粒子沉积量ni；
11.s4、根据湿沉降气溶胶粒子沉积量mi以及对应干沉降气溶胶粒子沉积量ni，计算出降水清除系数，计算公式为：
[0012][0013][0014]
其中，∧i为第i块网格处的降水清除系数，qw为湿沉降释放气溶胶粒子总量，qd为干沉降释放气溶胶粒子总量，mi为湿沉降气溶胶粒子沉积量，ni为干沉降气溶胶粒子沉积量，t为持续时间。
[0015]
进一步，如上所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，步骤s2中使用降雨模拟装置降雨，所述降雨模拟装置包括供水系统、喷嘴终端结构、扫气系统、管路系统和控制系统，所述供水系统为湿沉降模拟系统提供满足工作要求的水源；所述喷嘴终端结构为降雨终端，通过各类喷嘴，实现各类雨型的模拟；所述扫气系统对管路进行吹扫，防止积水残留和管路积冰；所述管路系统是水循环的路径，实现回水和流量调节；所述控制系统实现降雨调节，并实时监测。
[0016]
进一步，如上所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，所述降雨模拟装置基于plc编程控制变频器，调节水泵电机的供电频率，使喷淋降雨区管道的压力达到不同雨型所需求的压力值，根据压力设定值进行雨量大小调节，稳定设定的雨强。
[0017]
进一步，如上所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，步骤s2中使用液体粒子发生器在烟囱释放气溶胶粒子。
[0018]
进一步，如上所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，步骤s2中所述气溶胶粒子是dehs示踪粒子。
[0019]
进一步，如上所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，使用吸油棉收集气溶胶粒子，所述吸油棉的成分包含苎麻纤维，具有耐腐蚀和虫蛀、轻盈、延伸度小。
[0020]
进一步，如上所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，步骤s2中将吸油棉进行晾干或烘干、称重，得到实验前后所述吸油棉的重量，从而计算出湿沉降气溶胶粒子沉积量。
[0021]
进一步，如上所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，步骤s3中将吸油棉进行晾干或烘干、称重，得到实验前后所述吸油棉的重量，从而计算出干沉降气溶胶粒子沉积量。
[0022]
进一步，如上所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，步骤s2和步骤s3中t≥5min，以确保分析天平可称量气溶胶粒子沉积量。
[0023]
采用本发明所述的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，具有以下显著的技术效果：
[0024]
本发明通过在风洞中同步模拟大气边界层和降雨，同时考虑风场和降雨；在气溶胶释放源下风向，将下垫面进行网格化，可实现在环境风洞中不同形态的气溶胶粒子释放，模拟不同风速、不同雨强、不同覆盖面积的降雨，测量计算出不同雨强、不同风速对下风向不同位置处不同气溶胶粒子的清除系数。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例中提供的一种用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法流程图；
[0026]
图2为降雨模拟装置平面布置图；
[0027]
图3为当自由风速为1m/s时，不同雨强下的清除系数的变化图；
[0028]
图4为当自由风速为2m/s时，不同雨强下的清除系数的变化图；
[0029]
图5为当自由风速为5m/s时，不同雨强下的清除系数的变化图。
具体实施方式
[0030]
下面结合具体的实施例与说明书附图对本发明进行进一步的描述。
[0031]
本发明提供了一种用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，通过在风洞中同步模拟大气边界层和降雨，同时考虑风场和降雨；在气溶胶释放源下风向，将下垫面进行网格化，通过测量一定时间内不同网格区域内气溶胶的沉积量，计算清除系数。
[0032]
图1示出了本发明实施例提供的一种用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法流程图，该方法包括以下步骤：
[0033]
s1、在气溶胶释放源下风向，将下垫面进行网格化，分成n块网格。
[0034]
网格大小根据实际情况来取，n越大，下风向不同位置处的降雨清除系数越精细。
[0035]
s2、设置风速和降雨强度，同时开始降雨及发生气溶胶粒子，持续一段时间t，分别收集n块网格内的降水，将水样进行过滤，分离雨水和气溶胶粒子，测量不同网格内气溶胶粒子重量，得到湿沉降气溶胶粒子沉积量mi。
[0036]
图2示出了开展降雨实验时使用的降雨模拟装置的平面布置图(详见专利cn109696287a一种大气边界层环境风洞湿沉积模拟装置)，该降雨模拟装置主要由供水系统1、喷嘴终端结构2、扫气系统3、管路系统4和控制系统组成。供水系统1为湿沉积模拟系统提供满足工作要求的水源；喷嘴终端结构2为降雨终端，通过各类喷嘴，实现各类雨型的模拟；扫气系统3对管路进行吹扫，防止积水残留和管路积冰；管路系统4是水循环的路径，实现回水和流量调节；控制系统实现降雨调节，并实时监测。该降雨模拟装置基于plc编程控制变频器，调节水泵电机的供电频率。根据实验需要，设定压力值，系统利用压力变送器器和变频器组成的调速控制系统，进行自动调节电机转速，使喷淋降雨区管道的压力达到不同雨型所需求的压力值，根据压力设定值进行雨量大小调节，稳定设定的雨强。通过pc机和plc通信来监控各参数，控制系统设置有各种显示功能，可以显示电压、电流、压力、雨强大小等参数。
[0037]
本实施方式中，使用液体粒子发生器在烟囱释放气溶胶粒子，释放的是dehs示踪粒子。
[0038]
吸收dehs粒子需要考虑到吸油散湿快，本实施方式中，采用含苎麻毡、全棉中棉、苎麻填充物特性的吸油棉。在各种麻类纤维中，苎麻纤维具有耐腐蚀和虫蛀，轻盈、延伸度小等优点，可以作为吸收dehs粒子的材料。通过将吸油棉进行晾干(烘干)、称重，得到实验前后吸油棉重量，实验前后吸油棉重量之差即为降水时(湿沉降)气溶胶粒子沉积量mi。
[0039]
本实施方式中，t≥5min，以确保分析天平可称量气溶胶粒子沉积量。
[0040]
s3、设置与步骤s2中相同的风速，发生气溶胶粒子，持续与步骤s2中相同的时间t，
分别收集n块网格内的气溶胶粒子，测量不同网格内气溶胶粒子重量，得到不降水时即干沉降时气溶胶粒子沉积量ni。
[0041]
该步骤同样采用含苎麻毡、全棉中棉、苎麻填充物特性的吸油棉吸收dehs粒子，通过将吸油棉进行晾干(烘干)、称重，得到实验前后吸油棉重量，实验前后吸油棉重量之差即为不降水时(干沉降)气溶胶粒子沉积量ni。
[0042]
s4、根据降水时(湿沉降)气溶胶粒子沉积量mi以及对应不降水时(干沉降)气溶胶粒子沉积量ni，计算出降水清除系数，计算公式如下：
[0043][0044][0045]
其中，∧i为第i块网格处的降水清除系数，qw为降水时释放气溶胶粒子总量，qd为不降水时(干沉降)释放气溶胶粒子总量，mi为降水时(湿沉降)气溶胶粒子沉积量，ni为不降水时(干沉降)气溶胶粒子沉积量，t为持续时间。
[0046]
实施例
[0047]
在风洞中，针对平坦下垫面，设置不同的自由流速度(1m/s、2m/s、5m/s)和不同雨强(小雨、中雨、大雨、暴雨)进行相关组合实验。通过液体粒子发生器在烟囱释放气溶胶粒子(dehs示踪粒子)。将烟囱下风向沿轴线分成11块网格。
[0048]
通过称量降雨和不降雨前后吸油棉重量，得到气溶胶粒子沉积量，利用公式(1)和(2)计算出下风向不同位置处降水清除系数。
[0049]
图3、图4、图5分别为1m/s、2m/s、5m/s下不同雨强下(小雨、中雨、大雨、暴雨)的清除系数随下风向距离的变化。图中可以看出，越靠近烟囱的地方，清除系数相对较高，随着下风向距离的增加，清除系数趋于一致变化不大，这主要是由于靠近烟囱的地方粒子浓度较高造成的。雨强对于清除系数影响较大。对比不同风速下下清除系数变化发现，雨强越大清除系数越大，小雨《中雨《大雨《暴雨。
[0050]
本发明提供的用于大气边界层环境风洞降雨清除系数的测量方法，可实现在环境风洞中不同形态的气溶胶粒子释放，模拟不同风速、不同雨强、不同覆盖面积的降雨，测量计算出不同雨强、不同风速对下风向不同位置处不同气溶胶粒子的清除系数。
[0051]
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。