馬 弢，楊 屹，商 潔，李建偉，馬英豪，暢 翔

(中國輻射防護(hù)研究院,太原 030006)

環(huán)境中的氣溶膠是肉眼無法觀測的，必須借助特定的監(jiān)測設(shè)備來進(jìn)行觀測，然而，這樣的設(shè)備在進(jìn)樣時往往需要?dú)馊苣z滿足一些要求，如粒徑或濃度要求等。常見的氣溶膠采樣器類型有很多，但相比于虛擬沖擊器，傳統(tǒng)慣性沖擊器存在粒子與采集表面的作用問題即粒子的破碎、反彈、沉積過量、再進(jìn)入等，使沖擊器性能不夠理想、樣品分析不準(zhǔn)確[1]。

虛擬沖擊器最早是由Hounam，Sherwood[2]和Conner[3]設(shè)計(jì)的，是一種基于慣性原理實(shí)現(xiàn)大氣中不同粒徑粒子分離的裝置，是慣性沖擊器的一種。虛擬沖擊器和傳統(tǒng)慣性沖擊器的主要區(qū)別是傳統(tǒng)慣性沖擊器中存在沖擊板，而虛擬沖擊器的沖擊板由接收噴嘴代替，接收噴嘴將虛擬沖擊器內(nèi)部的小流量和大流量分開。氣溶膠被采樣進(jìn)入氣路，經(jīng)入口噴嘴加速噴出后，分為流量大小不同的兩部分氣流。氣流中小粒徑粒子慣性力較小，在氣流的粘性力的作用下會逐漸改變運(yùn)動軌跡進(jìn)入大流量出口，而粒徑較大的粒子由于慣性直接隨較弱的氣流進(jìn)入小流量收集孔。小流量通常設(shè)置為總流量的5%～20%左右，因此出口處的氣溶膠濃度可以比入口處的氣溶膠濃度高數(shù)倍。這樣，原來環(huán)境氣溶膠中的大粒子被濃縮到較小的流量中，得到濃度較高的實(shí)時采樣氣溶膠。收集效率為50%的顆粒粒徑即為虛擬沖擊器的切割粒徑[4]。

虛擬沖擊器作為氣溶膠采樣器得到了廣泛的應(yīng)用，并進(jìn)行了各種改進(jìn)。提高虛擬沖擊器的性能可從三個方向入手：(1)在相同的流量下降低壓降；(2)減少虛擬沖擊器內(nèi)部的氣溶膠粒子損失；(3)減小切割粒徑。為了開發(fā)低壓降虛擬沖擊器，以往的研究主要集中在虛擬沖擊器的流量和形狀的調(diào)節(jié)以及多噴嘴的實(shí)現(xiàn)方法上。Ding和Koutrakis[5]通過調(diào)整狹縫虛擬沖擊器的小流量與總流量比和收集噴嘴與加速噴嘴的長度比來優(yōu)化壓降。Bergman等[6]研制了多個狹縫并聯(lián)的多縫虛擬沖擊器。Marple等[7]開發(fā)了一種大體積虛擬沖擊器，其中六個圓形噴嘴相互面對，壓降比單噴嘴形狀的壓降降低了約30%。減少虛擬沖擊器內(nèi)部損失的方法有引入新形狀和優(yōu)化現(xiàn)有幾何參數(shù)等。Haglund和McFarland[8]開發(fā)了一種周向縫隙的虛擬沖擊器，在該沖擊器中，縫隙噴嘴圍繞一個截面旋轉(zhuǎn)。由于流動向中心聚集的優(yōu)勢，壁面損失顯著降低。Zahir等[9]在狹縫噴嘴虛擬沖擊器的進(jìn)口處采用水平進(jìn)口，并安裝了四個清潔空氣進(jìn)口，這使得壁面損失從現(xiàn)有的25%～40%顯著減少到4.5%或更少。

對于切割粒徑方面，Loo和Cork[10]為切割粒徑為2.5 μm的圓形噴嘴虛擬沖擊器最佳性能提供了相應(yīng)的幾何參數(shù)范圍，從而將壁面損失降低到1%。減小虛擬沖擊器的切割粒徑包括提高噴嘴速度、降低操作壓力等。Sioutas等人[11]開發(fā)了一種用于大氣采樣的單狹縫噴嘴虛擬沖擊器，噴嘴寬度為0.23 mm，在樣品流量為24 L/min和小流量比為20%的情況下，實(shí)現(xiàn)了0.1 μm的切割粒徑。Lee等人[12]研制了一種在聲速流條件下工作的納米氣溶膠粒子虛擬沖擊器，他們能夠通過調(diào)節(jié)工作壓力將切割粒徑控制在15 nm到60 nm之間。Lee等[13]在狹縫噴嘴虛擬沖擊器的上游使用了小孔，小孔引導(dǎo)虛擬沖擊器中心線附近的氣溶膠顆粒，從而減小了切割粒徑和壁面損失。Middha和Wexler[14]表明，僅通過改變操作壓力，就可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整切割粒徑。隨著虛擬沖擊器上游壓降從1 atm減小到0.2 atm，切割粒徑可以從0.2 μm減小到0.013 μm。

本研究中所使用的虛擬沖擊器是用于捕獲室內(nèi)空氣中的放射性氣溶膠。放射性氣溶膠伴隨著一系列核工業(yè)生產(chǎn)操作釋放，雖然生產(chǎn)場所都裝有過濾器防止氣溶膠泄漏，但粒徑處于0.2～0.4 μm的氣溶膠卻很難被過濾器捕獲，稱為“最易穿透粒徑”(the most penetrating particle size，MPPS)[15]，這部分氣溶膠一旦逸出被工作人員吸入將造成內(nèi)照射。為了采集和分析粒徑在0.2～0.4 μm的氣溶膠，需要針對這一粒徑段開發(fā)沖擊器。

在實(shí)際采樣過程中通常采用多噴嘴結(jié)構(gòu)的具有較高流量的沖擊器，然而，它們的切割粒徑被限制在1 μm，過去的研究中[16]，已有設(shè)計(jì)了使用清潔空氣的虛擬沖擊器，然而，這些設(shè)計(jì)的目的大多集中在提高收集效率和減少壁面損失上。在本研究中，我們主要關(guān)注通過使用清潔空氣來減小氣溶膠粒徑切割粒徑，設(shè)計(jì)了一種狹縫虛擬沖擊器，它具有較高的流量、較小的切割粒徑、較低的壓降和較少的壁面損失。

1 多縫虛擬沖擊器的設(shè)計(jì)

本研究的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出與以往虛擬沖擊器不同形狀的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)虛擬沖擊器在高流量工況下的小切割粒徑。如圖1所示，該設(shè)計(jì)使清潔空氣在氣溶膠通道的兩側(cè)流動，起到鞘氣的作用。通常核級高效過濾器的最易穿透粒徑一般為0.3 μm。因此，我們把0.3 μm附近的粒徑段作為該虛擬沖擊器收集范圍。一般來說，虛擬沖擊器的流量比為5%～20%左右。為了使?jié)饧蜃幼畲蠡?，本研究使用的多縫虛擬沖擊器流量為36 L/min，出口流量比為4.9%。

圖1 虛擬沖擊器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 The structure design of the virtual impactor

虛擬沖擊器的切割粒徑可按斯托克斯數(shù)St確定，斯托克斯數(shù)是一個無量綱數(shù),顆粒松弛時間和流體特征時間的比,它描述了懸浮顆粒在流體中的行為，其與Ma2/Re成正比(其中Ma為射流馬赫數(shù);Re是雷諾數(shù))[17]。要想達(dá)到較小的切割粒徑，就需要增加噴嘴的平均速度或減少噴嘴[17]的雷諾數(shù)，但平均噴嘴速度U和平均雷諾數(shù)Re有一個合適的范圍，噴嘴平均速度會直接影響虛擬沖擊器的壓降，且壓降與噴嘴平均速度U的平方成正比[16]，因此，虛擬沖擊器設(shè)計(jì)雷諾數(shù)為500～1 600范圍內(nèi)，以保證最大限度地減小壁面損失[17-18]。該虛擬沖擊器所采用的噴嘴平均速度的馬赫數(shù)Ma為0.25，較典型的虛擬沖擊器流速更快。

本虛擬沖擊器采用狹縫式噴嘴，詳細(xì)尺寸如圖1所示，單位mm。圖1給出了該虛擬沖擊器的截面視圖(a)、(b)和收集嘴、噴嘴細(xì)節(jié)部分視圖(c)。與以往虛擬沖擊器不同的是，該虛擬沖擊器在氣溶膠入口兩側(cè)安裝了兩個潔凈空氣入口，以實(shí)現(xiàn)鞘氣的效果。由式(1)可得噴嘴的雷諾數(shù)Re為700：

(1)

式中，ρ為空氣的密度，kg/m3；W為加速噴嘴的寬度，m；U為噴嘴的平均流速，m/s；μ為空氣的粘度，kg/(m·s)。傳統(tǒng)慣性撞擊器的切割粒徑一般在0.2～0.3 μm之間，而虛擬沖擊器的切割粒徑相比慣性沖擊器范圍更寬[12]。在本狹縫虛擬沖擊器中，在加速噴嘴的上游注入清潔的空氣以進(jìn)一步減小切割粒徑。

2 數(shù)值模擬

對狹縫噴嘴虛擬沖擊器的集氣效率進(jìn)行了數(shù)值模擬?；趫D1所示的設(shè)計(jì)建立三維模型。由于該虛擬沖擊器是對稱結(jié)構(gòu)，因此建模時只建立模型的一半。

數(shù)值分析采用計(jì)算流體動力學(xué)程序ANSYS FLUENT 進(jìn)行，ANSYS FLUENT基于有限體積法，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動[19]。潔凈空氣入口和氣溶膠入口均設(shè)置為速度入口，大流量出口和小流量出口設(shè)置為自由流出口，使氣流可以在一定的流量比下流出虛擬沖擊器。所有壁面均設(shè)置為無滑移邊界條件。采用穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體模型，k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。并采用壓力-速度耦合的COUPLED算法?？諝獾臏囟仍O(shè)置為300 K。模型共劃分了17萬個網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格進(jìn)行了5層加密，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示，圖2表明：隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，切割粒徑經(jīng)趨于減小并逐漸收斂，綜合計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性，劃分17萬網(wǎng)格是合理的。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence validation

在進(jìn)行流場計(jì)算后，使用FLUENT的離散相模型(DPM)對顆粒的軌跡進(jìn)行計(jì)算。這里假設(shè)氣溶膠粒子為均勻球形，氣溶膠粒子密度設(shè)置為1 000 kg/m3。在氣溶膠粒子軌跡的計(jì)算中，由于氣溶膠粒子非常小，對流體運(yùn)動幾乎沒有影響，所以采用流體和氣溶膠粒子的單向耦合作用。假設(shè)氣溶膠粒子在撞擊虛擬沖擊器中的任何壁面時將會在被粘附，以此導(dǎo)致氣溶膠粒子在虛擬沖擊器內(nèi)部損失。因研究對象中不存在明顯的溫度變化，在對氣溶膠粒子的受力分析中僅考慮了重力、阻力和布朗力。對粒徑較小的氣溶膠粒子按式(2)進(jìn)行坎寧安修正：

(2)

式中，λ為氣體分子自由程，μm；dp為氣溶膠粒徑，μm。

此外在模擬中，為了證實(shí)通入清潔空氣能夠起到減少壁面損失的作用，分別進(jìn)行了未通清潔空氣和通入清潔空氣的模擬。本研究總共進(jìn)行了三種工況的模擬，模擬參數(shù)列于表1。

表1 模擬參數(shù)表Tab.1 Simulation parameter table

未通清潔空氣時虛擬沖擊器的收集效率η和壁面損失率WL可用式(3)和式(4)來進(jìn)行計(jì)算：

(3)

(4)

對于通入清潔空氣時的收集效率ηa，需要用未通清潔空氣時虛擬沖擊器的收集效率η乘以總流量比總流量減去清潔空氣的流量的比值，即：

(5)

式中，Qm表示小流量出口處的流量；QM表示大流量出口處的流量；QCA表示清潔空氣的流量；Qin表示通入沖擊器的總流量；Cm表示小流量出口處的顆粒濃度；CM表示大流量出口處的顆粒濃度；Cin表示通入沖擊器的顆粒濃度。

3 模擬結(jié)果

3.1 流場

各工況下噴嘴處流場圖如圖3所示。從圖3可以看出，三種工況在噴嘴和收集嘴附近流速最大，可以達(dá)到140 m/s。通過流線的稀疏程度可以大致判斷流體所占的空間比例，工況1下，由于沒有空氣通入，所以是全部由氣溶膠入口進(jìn)入的含氣溶膠的空氣。而工況2、3中，清潔空氣占據(jù)了流道的一定比例，而含有氣溶膠的空氣受到不同程度的擠壓。此外，在噴嘴附近和收集嘴附近的壓降為0.08 atm。

圖3 各工況下噴嘴處流場圖Fig.3 Flow field diagram at different nozzle condition

3.2 收集效率及壁面損失率

不同工況下的收集效率與壁面損失率如圖4所示。在各工況下，收集口流量占總流量的比例都為4.9%。在工況1中，潔凈空氣沒有注入到多縫虛擬沖擊器中，切割粒徑為0.39 μm，接近切割粒徑的顆粒壁面損失為33%。在工況2、3，分別注入不同比例的氣溶膠流量和潔凈空氣流量。由于使用了潔凈空氣，與工況1相比，壁面損失明顯減少，特別是大于切割粒徑的顆粒。隨著潔凈空氣流量比的增加，工況2、工況3的切割粒徑分別減小到0.18、0.14 μm。因此，通過增加潔凈空氣流量可以減小切割粒徑，降低壁面損失。

圖4 各工況下收集效率η和壁面損失率WL隨粒徑的變化Fig.4 collection efficiency η and wall loss rate WL

虛擬沖擊器發(fā)生壁面損失的主要區(qū)域是加速噴嘴和接收噴嘴，大部分壁面損失發(fā)生在接收噴嘴[9]處。在工況2、3中，可以明顯看出，潔凈空氣減少了顆粒向中心線聚集，大大減少了粒徑大于切割粒徑的顆粒在加速噴嘴和接收噴嘴上的壁面損失。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種狹縫噴嘴虛擬沖擊器，在氣溶膠入口兩側(cè)加入兩個空氣入口。通過數(shù)值模擬計(jì)算表明，即使總流量為36 L/min，也能獲得0.08 atm的低壓降，并且即使沒有注入清潔空氣，也能獲得較小的切割粒徑，這在實(shí)驗(yàn)中也得到了證實(shí)。使用清潔空氣的好處是可以減小切割粒徑的同時降低壁面損失，提高采樣濃度。利用具有清潔空氣的狹縫噴嘴虛擬沖擊器，切割粒徑可以達(dá)到0.2～0.4μm，并以1.8 L/min的流量收集起來。下一步將設(shè)計(jì)實(shí)物樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室用發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)粒子開展更多的實(shí)驗(yàn)工作，來驗(yàn)證該模擬方法的有效性并改進(jìn)實(shí)物沖擊器的性能。