【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及雾滴筛分系统，具体为一种多级雾滴筛分系统及其性能评估方法。
技术介绍
1、雾是一种常见的自然天气现象。当大气中相对湿度达到饱和甚至过饱和时，空气中的水汽会凝结成水滴并悬浮于空中。根据雾的形成机制，雾大致上可以分为四类：平流雾、辐射雾、锋面雾和海雾。如今，雾成为影响人类社会的重要因素之一。首先，雾会显著降低能见度，使司机很难看清道路情况，是引发交通事故的重要原因。其次，不同尺寸的雾滴会影响电磁波的传播，进而影响航空飞行和航海运输。再者，由于雾滴与空气中有害颗粒物相结合会导致这些颗粒物不易沉降和扩散，从而危害人类健康和影响生态环境。雾滴谱是用于描述大气中雾滴粒径分布情况的物理量，其准确测量有助于揭示雾中颗粒物的来源和形成]。因此，需要对设计的雾滴谱采样和在线测量系统进行标定以表征其性能。常用的表征方法是用采样和在线测量系统去测量标准粒子(如玻璃珠)，然后再比较测量结果与实际尺寸的差异。然而，玻璃珠与雾滴的差别较大(如折射率不同以及雾滴成分是变化的)，有可能带来较大的标定误差。基于此背景下，本文旨在设计一个雾滴筛分系统，将雾滴按照粒径大小分离成不同的粒径段，进而能应用于雾滴谱采样和在线测量系统的标定。
2、基于光学方法的云/雾滴测量仪器的标定方法以标准粒子(如单一尺寸的玻璃微球)作为参考物[98][99]。在标定时，将标准粒子放入专用的粒子喷瓶，通过加压将其喷射到测量区域。thermo scientific公司的9000系列玻璃微球由硼硅酸盐玻璃制造。由于其折射率与水的折射率存在差异，需要将其转化为对应的水滴
3、当前对颗粒按照粒径进行分离的方法主要有惯性冲击原理、旋风分离原理和虚拟冲击原理。惯性冲击原理是利用不同粒径颗粒物的惯性不同，对颗粒物进行分离。在冲击气流的作用下，气流中粒径较大的颗粒会逃离气流并被冲击板捕获，而粒径较小的颗粒则会绕过冲击板。等研究了惯性冲击分离器中各种几何和气动参数对其分离性能的影响，以提高分离器的分离效率，其中用于实验的粒子平均粒径为30μm。chen等运用eulerian–eulerian方法研究粒子尺寸、液体含水量和入射速度对惯性冲击分离器内水滴流动和冲击的影响，其中粒子尺寸为5、10和20μm。在该研究基础上，qiu等研究了介质体积直径、液体含水量和入射速度对惯性冲击分离器内积冰的影响。
4、旋风分离原理是利用颗粒物在做高速旋转时的离心力实现对不同粒径颗粒物的筛分。siadaty等研究流量和颗粒温度对旋风分离器性能的影响，发现双入口比单入口分离器具有更高的压降和分离效率，且收集效率和压降随入口速度的增加而增加，随温度的升高而降低，其中粒子粒径的范围在1至7μm。li等基于模拟和实验方法研究旋风分离器中缺口涡流探测器的性能，考虑了四种不同的结构。实验结果表明缺口涡流探测器能够提升分离器的效率，其中颗粒粒径范围为1至15μm。yang等通过cfd(计算流体动力学)模拟和实验，研究了入口速度、涡流探测器长度和涡流探测器直径等操作和几何参数对旋风分离器(cyclone separators)中粉末的速度分布和分类性能的影响，其中颗粒粒径范围为0.9至26.1μm。
5、然而，惯性冲击分离器由于采用冲击板对颗粒物进行收集，易导致颗粒物在冲击板上破碎、反弹；旋风分离器虽不易产生颗粒的反弹和破碎，但存在大颗粒在旋风分离器壁面沉积以及颗粒物再悬浮的问题，从而影响分离器的分离效率。虚拟冲击已经成为粒子分离的一种替代方法。虚拟冲击器也是利用不同粒径颗粒物的惯性不同对颗粒物进行分离，并采用收集腔替换了惯性冲击器的冲击板。conner于1966年开发出了第一台虚拟冲击器，对于大于2.0μm的颗粒，其分离效率高达90％。chen和huang开发了一种用于颗粒物分离的新型虚拟冲击器，其有效分离直径为1.5μm。该研究基于计算流体力学(cfd)模拟了在不同参数设计下虚拟冲击器中颗粒物分离，并基于最优的模拟结果制作了虚拟冲击器实物，用于开展气溶胶分离实验，来测试虚拟冲击器的分离效率。wada等比较了传统冲击器和虚拟冲击器在pm 2.5分离效率和测量质量浓度精度方面的性能]。结果表明虚拟冲击器的效果要优于传统冲击器。该研究中所采用的气溶胶颗粒的粒径分布在1μm到20μm之间。zahir等对虚拟冲击器的入口设计开展数值和实验研究以提高其收集效率和减少壁损失。实验中颗粒的粒径在0.1μm到10μm之间。为了提高虚拟冲击器的收集效率和减少壁损失，zahir等在传统垂直入口基础上提出了一种两分区的水平入口，发现接近切割粒径的颗粒物的壁损失从16％降到1％左右。仿真和实际实验中颗粒物的尺寸在0.1μm到10μm之间。
6、上述所介绍的虚拟冲击器主要用于颗粒物的筛分，而几乎没有研究基于虚拟冲击原理设计筛分系统用于液滴的筛分。相较于其他两种分离方式，虚拟冲击器能够避免粒子的破碎、反弹、再悬浮问题，也使得基于虚拟冲击原理设计雾滴筛分系统成为可能，从而能替代标准粒子来标定雾滴谱采样和在线测量系统。为此，本文设计了一种基于虚拟冲击原理的多级雾滴筛分系统。随后，运用流体仿真软件分析了收集腔直径、喷嘴与收集腔的间距对筛分系统筛分效率的影响规律，并确定了筛分系统的最优的参数设计方案。最后，设计了相关的实验方案进行验证，结果表明我们设计的筛分系统能够对雾滴实现多个粒径段的高效筛分，能够为多种雾滴谱测量系统的性能表征提供一种重要的技术装置。
7、但上述以及其他典型现有技术在使用时还存在一定的问题：
8、1.传统的雾滴谱的准确测量是揭示雾中颗粒物的来源和形成的前提，这就要求雾滴谱采样和在线测量系统具有较高的性能。目前常采用标准粒子(如玻璃珠)表征雾滴谱在线测量系统的性能，然而，玻璃珠与真实的雾滴粒径分布存在差异，且折射率不同，有可能带来较大的标定误差，所以设计一个新的“标定系统”用于标定“雾滴谱仪”，不同于以往用“玻璃珠标定”的方法，并且利用“多级雾滴筛分系统”分级产生的雾滴来标定“雾滴谱仪”尤为重要。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种多级雾滴筛分系统及其性能评估方法，解决了玻璃珠与真实的雾滴粒径分布存在差异，且折射率不同，有可能带来较大的标定误差的问题。
2、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种多级雾滴筛分系统及其性能评估方法，包括用于表征雾滴谱在线测量系统的性能，该筛分系统的级数设计为三级，每级的切割粒本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多级雾滴筛分系统，包括用于表征雾滴谱在线测量系统的性能和Solidworks软件，该筛分系统的级数设计为三级，每级的切割粒径分别为16，10和5μm，虚拟冲击式采样器由上下同轴的喷嘴和收集腔构成，虚拟冲击器的流量设置，系统入口总流量Q设置为100L/min，根据流量比MFR(表示次流量与总流量的比值，取10％)，筛分系统的第2级和第3级的入口总流量分别为90和81L/min，虚拟冲击采样器的主要技术参数包括喷嘴直径D0、收集腔直径D1、喷嘴距收集腔的距离S、喷嘴长度L和喷嘴与收集腔的同轴度。
2.根据权利要求1所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述多级雾滴粒径筛分系统的筛分性能，通过仿真来优化系统的技术参数，包括“收集腔直径D1”和“喷嘴距收集腔的距离S”。
3.根据权利要求2所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述喷嘴距收集腔的距离S，需要考虑两种情形：当收集腔与喷嘴的间距S取值为喷嘴直径的1.5倍时，将系统的每一级收集腔直径分别取值为加速喷嘴直径的1.33、1.35、1.37、1.39、1.41倍。
4.根据权利要求3所述
5.根据权利要求4所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述多级雾滴粒径筛分系统每一级的收集腔直径参数，保持筛分系统各级喷嘴与收集腔间距等参数不变，采用相同尺度和单元类型的网格，将筛分系统的收集腔直径D1分别设置为加速喷嘴直径D0的1.33，1.35，1.37，1.39和1.41倍，分别计算筛分系统在以上收集腔直径参数下的筛分效率，筛分系统下各个出口的筛分效率曲线图和筛分系统平均筛分效率曲线图分别是筛分系统在不同收集腔直径下四个出口的筛分效率及其平均筛分效率曲线。
6.根据权利要求5所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述优化多级雾滴粒径筛分系统喷嘴与收集腔间距S，在收集腔直径D1＝1.35D0基础上，我们将喷嘴距收集腔的距离S设置为喷嘴直径D0的1.1、1.3、1.5、1.7、1.9倍，并分别计算出不同参数值下的筛分系统的筛分效率，进而完成连续相计算。
7.根据权利要求6所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述完成连续相计算后，进行DPM迭代计算，获得筛分系统在各级喷嘴距收集腔的距离S为1.90D0、收集腔直径D1为加速喷嘴直径D0的1.35倍时的颗粒粒径分布流线图，随后分析喷嘴与收集腔之间的距离对筛分系统筛分效率的影响机制。
8.根据权利要求7所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述分析喷嘴与收集腔之间的距离对筛分系统筛分效率的影响机制，选取筛分系统各级在S＝1.50D0和S＝1.90D0这两种参数设置下第二级区域的速度矢量图进行对比分析，筛分系统第二级区域速度矢量图分别是筛分系统在收集腔直径相同时，喷嘴距收集腔的距离S＝1.50D0和S＝1.90D0时的速度矢量图。
9.根据权利要求8所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述通过仿真实验对所设计的筛分系统的关键参数进行优化，对于具有高筛分效率的出口，可以将从该出口筛分出来的粒子作为标准粒子来表征雾滴谱采样和在线测量系统性能。
10.一种多级雾滴筛分性能评估方法，适用于上述权利要求1至9中任一项所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种多级雾滴筛分系统，包括用于表征雾滴谱在线测量系统的性能和solidworks软件，该筛分系统的级数设计为三级，每级的切割粒径分别为16，10和5μm，虚拟冲击式采样器由上下同轴的喷嘴和收集腔构成，虚拟冲击器的流量设置，系统入口总流量q设置为100l/min，根据流量比mfr(表示次流量与总流量的比值，取10％)，筛分系统的第2级和第3级的入口总流量分别为90和81l/min，虚拟冲击采样器的主要技术参数包括喷嘴直径d0、收集腔直径d1、喷嘴距收集腔的距离s、喷嘴长度l和喷嘴与收集腔的同轴度。
2.根据权利要求1所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述多级雾滴粒径筛分系统的筛分性能，通过仿真来优化系统的技术参数，包括“收集腔直径d1”和“喷嘴距收集腔的距离s”。
3.根据权利要求2所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述喷嘴距收集腔的距离s，需要考虑两种情形：当收集腔与喷嘴的间距s取值为喷嘴直径的1.5倍时，将系统的每一级收集腔直径分别取值为加速喷嘴直径的1.33、1.35、1.37、1.39、1.41倍。
4.根据权利要求3所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述solidworks软件分别建立筛分系统的三维模型，随后，运用由fluent软件对多级雾滴粒径筛分系统进行优化设计，在仿真中用水滴作为标准验证，并且水滴与的气流的速度相同，根据fm120雾滴谱仪收集到的分布在2μm-20μm粒径区间的雾滴粒径谱，对于多级雾滴粒径筛分系统，用以四个出口处的粒子尺寸符合设计的目标。
5.根据权利要求4所述的一种多级雾滴筛分系统，其特征在于：所述多级雾滴粒径筛分系统每一级的收集腔直径参数，保持筛分系统各级喷嘴与收集腔间距等参数不变，采用相同尺度和单元类型的网格，将筛分系统的收集腔直径d1分别设置为加速喷嘴...
【专利技术属性】
技术研发人员：桂华侨，孙联四，琚书存，张建军，程寅，张礁石，伍德侠，王杰，杨义新，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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