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细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析_傅旭东

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析_傅旭东
细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析_傅旭东

A辑第19卷第2期 水动力学研究与进展 Ser.A,Vol.19,No.2

2004年3月 J OURNAL OF HY DROD YNAM ICS Mar.,2004

文章编号:100024874(2004)022*******

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析Ξ

傅旭东, 王光谦

(清华大学水利系水沙科学教育部重点实验室,北京100084)

摘 要: 从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流,利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程,表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度,挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响,并定量分析了细颗粒试验资料,表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差,需要修正。

关 键 词: 升力;脉动强度梯度;有效重力;紊动扩散;泥沙扩散系数;悬沙浓度分布;挟沙水流

中图分类号: TV142 文献标识码:A

Analysis on the factors affecting the vertical

concentration distribution of f ine sediment

FU Xu2dong, WAN G Guang2qian

(K ey Laboratory for Water and Sediment Science of the Ministry of Education

Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)

Abstract: Equations of mass,momentum and second moments for particulate phase are derived from a particle PDF(probabili2 ty distribution function)equation in dilute turbulent sediment2laden flows.The equation of momentum in the vertical direction for two2dimensional steady and uniform open2channel flows is used to develop a modified sediment diffusion equation,which shows that the vertical gradient of particle velocity fluctuation and lift force contribute to the movement of sus pended sediment as well as the ef2 fective gravity and turbulent diffusion.The influences of the density,diameter and average concentration of fine sediment,and those of the water depth and friction velocity on sediment diffusion coefficient and the concentration distribution patterns are analyzed theo2 retically and numerically.Experiment data of fine sediment is also analyzed quantitatively.It shows that the traditional diffusion e2 quation brings remarkable error under flow conditions where friction velocity,particle diameter and sediment2water density ratio are relatively large and the water depth is small.

K ey w ords: lift force;particle velocity fluctuation gradient;effective gravity;turbulent diffusion;sedi2 ment diffusion coefficient;concentration distribution of suspended sediment;sediment2laden flow

收稿日期: 2002205222

基金项目: 国家自然科学基金创新研究群体基金(59890200),清华大学骨干人才支持计划资助

作者简介: 傅旭东(1973~),男,安徽无为人,讲师,博士。

1 引言

研究悬移质泥沙浓度分布的理论多种多样,但各家成果形式上均与扩散方程类似,只是扩散系数有些差异[1]。长期以来,悬沙浓度分布的研究一直以传统的泥沙扩散理论为主,泥沙扩散系数εs的确定是理论的关键。但是,泥沙扩散系数的确定往往依靠半经验的处理,假定εs等于或者正比于水流的紊动粘性系数v t f。根据已知泥沙浓度的垂线分布,利用传统扩散方程反推出εs往往大于v t f[2,3]

,这样的结果与离散质点的紊流扩散理论并不一致[4,5]。虽然针对扩散系数的确定提出了种种修正方法,如Czer2 nuszenko[4]提出了漂移扩散系数的概念,但都未从根本上解决这个矛盾。而且,对于试验和实测中所观测到的泥沙浓度I型分布,传统的泥沙扩散理论亦难以解释[1]。由于传统理论存在不足,一些学者着手寻求更为一般的理论解释悬沙运动机理。如Wang&Ni[6]应用固液两相流的动理学理论,分析发现升力作用是I型分布形成因素之一。刘大有[5,7]从两相流的一般扩散模型出发,发现传统扩散理论不能反映颗粒脉动强度梯度引起的扩散,指出在颗粒脉动强度变化较大区域,传统泥沙理论所基于的Fick扩散定律存在明显缺陷,并对εs大于v t f 的试验结果以及浓度I型分布的形成做了定性解释。刘大有[8]继而分析了泥沙悬浮运动的机理,认为河流或水平管道中颗粒的悬浮,除了重力和浮力以外,还可能受到其他的升力与颗粒脉动强度梯度的作用。本文从动力学理论的PDF方程出发,修正传统的泥沙扩散方程,并对悬沙浓度不同分布类型的形成机理及其影响因素作定量分析。

2 悬沙颗粒运动的PDF方程与各阶守恒方程

低浓度挟沙水流中,不考虑泥沙颗粒之间的碰撞,单颗粒运动的Lagrange方程为

d R pi

d t=νpi(1)

dνpi

d t=

(u i-νpi)/τp+F i+w i(2)

式中,R pi为颗粒位置,νpi为颗粒速度,u i为颗粒位

置处的水流速度;τp为颗粒驰豫时间;F i为阻力以外

的其他相间力与重力之和,w i为颗粒布朗运动作用

力,是一连续随机过程。

将Lagrange方程转化成为Euler变量的方程,

定义颗粒相平均的PDF(概率密度分布函数):

〈f〉=〈δ(x i-R pi)δ〈νi-νpi)〉(3)

式中,〈?〉表示系综平均,δ(?)为Dirac的δ函数。

颗粒相平均浓度〈C〉和平均速度〈νi〉:

〈C〉=∫〈f〉d ν,〈C〉〈νi〉=∫νi〈f〉d ν(4)

模化颗粒轨道的水流紊动与颗粒的作用

〈u′iδ(x i-R pi)δ〈νi-νpi)〉,对式(3)求时间导数,

可导出平均PDF的输运方程[9,10]:

5〈f〉

5t+νi

5〈f〉

5x i+

5

5νi〈f(

〈u i〉-νi

τ

p

+F i)〉=

G p〈u′i u′k〉

52〈f〉

5x i5νk+

1

τ

p

{f p〈u′i u′k〉+Dδik/τp}

52〈f〉

5x i5νk(5)

式中,D为颗粒布朗运动扩散系数,〈u i〉和u′i分别

为水流平均与脉动速度;f p和G p为描述颗粒与水流

紊动作用的参数。不失一般性,采用[9]:

f p=1-exp(-T E/τp),G p+f p=T E/τp

(6)

式中,T E为颗粒和水流紊动涡的作用时间。

对方程(5)两边分别乘以1, ν和 ν ν,并对整个

速度空间积分,可进而获得颗粒相连续方程、动量方

程和脉动速度二阶矩方程:

5〈C〉

5t+

5〈C〉〈νi〉

5x i=0(7)

232水 动 力 学 研 究 与 进 展 2004年第2期

5〈νi 〉5t +〈νj 〉5〈νi 〉5x j +5〈ν′j ν′

i 〉

5x j

=〈u i 〉-〈νi 〉τp +〈F i 〉-D t pij τp

5ln 〈C 〉

5x j (8)

5〈ν′i ν′j 〉5t +〈νk 〉5〈ν′i ν′j 〉5x k +1〈C 〉5〈C 〉〈ν′i ν′j ν′

k 〉5x k

=-

D t

plk

1

τp (δil δjm +δjl δim 5〈v m 〉

5x k +2

τp

(f p 〈u ′i ν′j 〉+D δij /τp -〈ν′i ν′

j 〉

)(9)

式中,ν′i =ν′-〈ν′i 〉为颗粒相脉动速度;D t

pij =τp (〈ν′i ν′j 〉+G p 〈u ′i u ′

j 〉

)为颗粒扩散张量,包括颗粒无规则脉动和水流紊动扩散两部分。3 二维恒定均匀流的悬沙浓度方程

明渠二维恒定均匀流中,5/5t =0、5/5x =

5/5z =0,x 为流动方向,z 为侧向,y 为垂向。颗粒相连续方程简化成:

5〈C 〉〈νy 〉

5y

=0

(10)

对方程(10)积分得〈C 〉〈νy 〉=J w =const .,由

自由水面处颗粒相零通量条件J w =0,可得〈νy 〉=

0,这里〈νy 〉

为Euler 观点的颗粒相平均速度,并非单颗粒沉速;同理有液相垂向平均速度〈u y 〉=0。

颗粒相垂向动量和垂向脉动速度二阶矩〈ν′2y 〉

的方程分别为:

5〈ν′2

y 〉5y =〈F y 〉-1τp

D t pyy 5ln 〈C 〉

5y (11)

5〈C 〉〈ν′3

y 〉5y =2〈C 〉τp

(f p 〈u ′2y 〉+D/τp -〈ν′2

y 〉)(12)

方程(11)可作为研究悬沙垂线浓度分布的基本方程。为与传统的泥沙扩散方程相比较,引入挟沙水流中泥沙的沉速ωp ,它由阻力、重力和浮力之间

的平衡获得[5]:

ωp =τp (1-ρf -ρs )g

(13)

在垂向作用力中,除了颗粒所受有效重力(1-ρf /ρs )g 以外,还包括Saffman 升力和Magnus 升力等,将这些升力表示成综合升力F L ,则有:

〈F y 〉=F L -ωp /τp

(14)

将式(13)和式(14)代入方程(11),得到二维明渠

恒定均匀流的泥沙浓度方程:

D t pyy 5〈C 〉/5y =-ωp 〈C 〉

+〈C 〉τp (F L -5〈ν′2

y 〉

/5y )(15)

或者:

D t pyy 5〈C 〉/5y =-ωp 〈C 〉β-1

1

(153)

β1=

1-F L -5〈ν′2y 〉/5y

(1-ρf -ρs )g

-1

(16)

方程(15)左端反映了挟沙水流中泥沙颗粒的扩散,右一项为重力沉降,右二项为颗粒相脉动强度梯度

和升力所产生的垂向合力的影响。β1表征了这种合力对有效重力作用的增强或削弱。如果忽略右二项,

即β1=1,则方程(15)为传统的泥沙扩散方程:

εs 5〈C 〉/5y =-ωp 〈C 〉

(17)

其中,εs 表示传统扩散方程定义的扩散系数,以与

D t

pyy 区别。在后文中,不引起混淆,用C 表示平均浓

度〈C 〉,用D t p 表示颗粒垂向扩散系数D t pyy 。4 浓度分布影响因素

4.1 颗粒垂向扩散系数D t p

浓度方程(15)中的颗粒垂向扩散系数D t p 和脉

动速度二阶矩〈ν′2

y 〉需要封闭。对于细颗粒,局域平衡假设近似满足,或者假定ν′

y 服从正态分布,方程(12)中的扩散项可略去:

〈ν′2y 〉=f p 〈u ′2

y 〉+D/τp

(18)

3

32傅旭东等:细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

这样,细颗粒泥沙的脉动将包括由于水流紊动引起

的颗粒脉动和无规则的布朗运动,垂向扩散系数D t p 为:

D t

p =T E 〈u ′2

y 〉+D

(19)

壁面附近的粘性底层中,T E 〈u ′2

y 〉趋于零,布朗运动扩散系数D 为常数,这样,细颗粒泥沙的布朗运动将居主要地位,使得泥沙的浓度梯度维持有

限值。粘性底层以外,T E 〈u ′2

y 〉远大于D ,细颗粒泥沙将以紊动扩散为主,D t p ≈T E 〈u ′2y 〉。因为细小颗粒的“穿越轨道效应”并不明显,颗粒与水流紊动作用时间尺度T E 与载能涡的时间尺度T t 近似相等,

则有:D t p ≈T t 〈u ′2

y 〉=εm ,εm 为水流垂向紊动扩散系数,这与单相流体紊流扩散理论一致。4.2 颗粒相脉动强度梯度和升力

实测资料表明,壁面附近以外的区域,〈ν′2

y 〉沿垂向接近均匀分布,或者呈现出下面大、水面小的分

布形式,亦即5〈ν′2y 〉

/5y ≤0。在壁面附近区域,由于水流垂向脉动强度向壁面递减,可能出现

5〈ν′2y 〉

/5y >0。由于泥沙颗粒密度大,其沿流向的速度分量通常小于水流的速度分量,作用于颗粒上

的升力将大于零,且在边壁附近显著。

定义升力系数αL ,u 3为水流剪切流速,作用于细颗粒上的升力可表示为[11]:

F L

=αL

d p y u 3

3νf ρs -ρf

ρs

νf

u 3y

(20)

定义无量纲垂向坐标η=y/H ,径深比d 0=

d p /H ,固液密度比s =ρs /ρf 、

沙粒雷诺数R ep 3=u 3d p /νf 、

二维水流能坡J e =

u 23

/gH ,将式(20)代

入式(16)有:

β1=

1-αL

d 0R ep 3J e

η

3/2

+

s J e (s -1)u 235〈

ν′2

y 〉5η

-1

(21)

由上式可见,β1的取值将存在多种可能,在壁面附

近以外区域,若5〈ν′2

y 〉

/5η≤0沿垂向近似保持不变,升力和脉动强度梯度所产生的合力大于零。径深比d 0、沙粒雷诺数R ep 3、能坡J e 、水沙密度比1/s 的增加,都将使合力增大。在合力数值小于有效重力时,β1>1;等于有效重力时,|β1|=∞;大于有效

重力时,β1<0。在壁面附近区域,由于5〈ν′2

y 〉

/5y 可能大于零,上述合力可能为正、也可能为负。当合

力为负值时,有β1<1。水沙密度比1/s 的增加,将促进合力负值和β1<1的出现。4.3 紊流Schmidt 数β=εs /εm 在传统泥沙运动理论中,见方程(17),用实测浓度分布资料反算出的泥沙扩散系数εs 通常大于εm ,亦即β1≥1。根据上文分析,比较方程(15)与(17)有:

εs =

-ωp C 5C/5y =D t p β1,β=εs εm

=εs

D t p =β1(22)可见,用已知浓度分布反算泥沙扩散系数时,方程

(17)忽略了升力和颗粒脉动强度梯度的影响,通常过高估计了泥沙颗粒的重力沉降作用,导致εs 值较大,从而常有β1≥1。而实际上,由于β1<1在一定流动条件下也可能出现,β<1也是可能的。

而且,由于εs 取正值,方程(17)给出5

〈C 〉/5y <0,不能预测浓度分布I 型的存在。方程(15)中,当有效重力小于升力和脉动强度梯度的合力时,β1取负值(此条件下的等式(22)没有意义,用传统扩散方程已不能定义εs ),5

〈C 〉/5y >0,浓度I 型分布出现。因此,方程(15)是传统扩散方程(17)的修正方程,β1为其修正系数。

5 影响因素的数值分析

粘性底层以外,泥沙扩散系数D t p 中布朗运动

的贡献可以略去:

D t

p ≈T t

〈u ′2y 〉=εm ≈νt

f

(23)

对于低浓度、含细颗粒的明渠二维挟沙水流,液

相水流紊动涡粒性系数νt f 和垂向脉动强度〈u ′2

y 〉可用下式计算[4,12]:

νt f

u 3

H

=κ(1-η)1

η+πΠsin (πη)-1

(24)

〈u ′2

y 〉=1.23u 3exp (-0.67η

)(y +=yu 3/νf ≥50)

(25)

式中κ为Karmann 常数,取为0.41;Π为尾流强

432水 动 力 学 研 究 与 进 展 2004年第2期

度。对于清水,Π=0~0.2,随水流雷诺数变化[12];对挟沙水流,Π与Richardson 数有关,Cole 2man [13]给出Π=0.2~0.9。通过Π的变化,式(24)一定程度上反映挟沙水流流速分布偏离清水流速分布、从而涡粘性系数不同的事实。而且,本文考察升力和颗粒相脉动强度梯度对浓度分布和传统

扩散方程的影响,采用式(24)计算νt

f 对结果没有本质影响。

对粒径d p =0.1~1.0mm 的单颗粒,清水中的静水沉速ω0和挟沙水流中的沉速ωp [3,4]

:ω0=10

νf

d p

?

(1+0.01(ρs /ρf -1)gd 3p /ν2f )

0.5

-

1(26)ωp /ω0=(1-C )5

(27)

用方程(15)、

(18)、(21)、(23)~(27)可以计算分析不同因素对β1和用传统扩散方程预测浓度分布所带来的误差的影响。用B L 和B v 分别表示升力和颗粒相脉动强度梯度与有效重力的比值、定义无量纲沉速ω3=ω0/u 3、颗粒Stokes 数S t =

τp /T t

,将方程(15)写成:

5C

5η=-ω3β1κ

C (1-C )m

1+ηπΠsin (πη)η(1-η)

(28)

β1=(1-B L -B v )

-1

(29)B L =αL

η-3/2

d 0J e

R ep 3

(30)

B v

=1.232

1-1/s J e

exp (-1.34η

)?{1.34+exp (-1/S t )(S -2

t 5S t /5η-1.34)}

(31)

式中的ω3/κ和ω3/β1κ即为通常的悬浮指标和修正悬浮指标。式(30)中的升力系数αL 可用Saffman

力估计[3],结果为αL ~1.62/(3π

k 1.5

)=0.7。实际上,除了Saffman 力以外,颗粒还受其他升力的影响,计算中取αL =0.8。

边界条件理论上可通过一定的颗粒2边壁作用模型建立,为简便,仍用参考点和参考浓度的方法,下面除特别说明以外,参考点ηa =0.05,参考浓度C a =0.5%,尾流强度Π=0.2,计算域最低点y +=yu 3/νf =50,最高点η=0.

9。

不同流动条件下的计算参数和典型位置处的

β1的计算结果见表1,β1、方程(28)的解C (η)、β1

=1时方程(28)的解C 0(η

)(即传统扩散方程的解)、以及ΔC rel =(C -C 0)/C 0的计算结果如图1~5

所示。

图1 β1、C 、C 0、ΔC rel 的垂向分布随剪切流速u 3的变化

5.1 剪切流速u 3的影响

水深不变时,u 3增大使得J e 和R ep 3增加,升力

参数B L 增大,而颗粒相脉动强度梯度参数B v 变化不大,故β1相应增大。从图1来看,β1随η的减小而增大,在η=0.1以上,不同剪切流速下的β1都不大;而在接近边壁时,β1迅速增大。这表明升力变化主要影响壁面附近域内的β1。在J e =0.8%时,η=0.008以下的β1出现了负值(图中没有绘出),对

应的C (η

)最大值点在床面以上,为I 型浓度分布。ΔC rel 随着剪切流速u 3的增加而增加。J e =0.2%

时,计算域底部和顶部的相对差别均不超过10%;而在J e =0.8%时,顶部ΔC rel 为17%,底部达45%。4种剪切流速下,ΔC rel 在参考点以上为正、参

考点以下为负,表明C (η)比C 0(η)分布均匀。5.2 颗粒粒径d p 的影响

随着d p 增大,R ep 3、d 0和S t 数增大。这样,尽管

5

32傅旭东等:细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

图2 β1、

C 、C 0、ΔC rel 的垂向分布随粒径d p 的变化

B v 稍微减少,但B L 增大导致β1增大。

由于ω3也随之增大。ΔC rel 将随d p 增大而迅速变化。从图2可见,

在η=0.1以下,d p =0.1mm 时的β1变化最小,

其C (η

)和C 0(η)几乎重合,ΔC rel 最大不超过6%;d p =0.3mm 时的β1变化最大,最大值达3.4,ΔC rel 在底部达40%。在η=0.1以上,d p =0.1mm 时的ΔC rel 〈3%,而d p =0.3mm 时达22%。5.3 颗粒密度ρs 的影响

密度比s 的变化,对B L 没有直接影响。s 变小使得主流区的B v 增加和β1增大。但在近壁区,当颗粒相脉动强度为正梯度时,B v 取负值,s 的减小将导致β1的减小。

从图3看,对于s =1.056和1.6的小密度比情形,随着η的减小,β1开始增大,随后减小,并甚至出现β1<1,这是由于B v 为负值,且绝对

值较大所致。

ΔC rel 在小密度比s 时都较小,s =1.056和1.6时的ΔC rel 均在7%以内。而s =7.8时的ΔC rel 在顶部达到26%,在底部达到30%。这是由于s 小时,虽然在主流区β1较大,但ω3很小,导致浓度分布均

匀。降低了C (η

)和C 0(η)的相对差别。5.4 水深H 的影响随着水深H 的增大,能坡J e 和径深比d 0减小,导致B L 和B v 减小,β1随之减小并趋向于1,但ω

3

图3 β1、C 、C 0、ΔC rel 的垂向分布随密度s

的变化

图4 β1、C 、C 0、ΔC rel 的垂向分布随水深H 的变化

632水 动 力 学 研 究 与 进 展 2004年第2期

图5 β1、C、C0、ΔC rel的垂向

分布随浓度C的变化

保持不变。这样,不同水深条件下的C0(η)相同, C(η)随着H的增大而趋近于C0(η),如图4所示(图中仅绘出了一个C0(η)曲线,其他情形与其重合)。图4表明,在η=0.1以上,H=0.5m和1. 0m时的β1都接近于零;在同一η处,较小的H对应较大的β1。ΔC rel分布图上,H=0.05m时的顶部取值25%,底部取值也比同一η处的其他水深情形为大;而H=0.5m和1.0m时的顶部取值在2%以内,底部取值也不超过17%。

5.5 颗粒相浓度C的影响

参考点处的Ca从0.05%到3%变化。由于C的变化对J e、d0、R ep3、ω3没有影响,仅改变沉速ω

p

、Stokes数S t和B v,对β1和5C/5η构成一定影响。图5中,随着Ca的变化,β1仅在底部有一定变化,在η=0.05以上几乎没有变化。ΔC rel的分布在计算域内(y+>50和η<0.9)也几乎与浓度变化无关。这表明在低浓度下,浓度变化对ΔC rel近似没有影响。应该说明的是,随着浓度C的增加,式(24)中的尾流强度Π增大或者Karman常数κ减小,水流紊动涡粘性系数随着变化[3]。而这里的分析中,并没有将这些变化考虑在内。

6 试验资料比较

下面结合Wang&Qian[14]和Einstein& Chien[15]的细颗粒试验资料分析上述计算结果。各组次的试验及计算参数见表2。其中,尾流强度Π随着试验条件的变化有所调整。

Wang&Qian[14]的SF组次s小、R ep3大;Ein2 stein&Chien[15]的S11组次J e和R ep3都较大。图6

为计算的β1和ΔC rel的垂线分布。由图可见,SF组次的β1在主流区较大,而在近壁区小于1;S11组次的β1在主流区并不明显,在近壁区较其它组次为大。这是由于密度比s的变化主要影响B v,J e和R ep3的变化主要影响B L造成的。不同试验组次的ΔC

rel

相比较,由于SF1和SF2的ω3比其他组次小得多,在主流区尽管其β1较大,但其浓度分布均匀,因而ΔC rel最小;S11组次的ω3最大,浓度分布最不均匀,由于β1也较大,故其在整个计算域内的

ΔC

rel

最大,顶部将近40%,底部在50%以上。图7为计算的C(η)和C0(η)与各组次试验结果的对比,图中的SF1和SF2组次的浓度分布均匀,S11组次的分布最不均匀;在主流区内,S11组次的C(η)和C0(η)差别最为明显

图6 按照试验条件计算的

β

1

、ΔC rel的垂向分布

7 结论

从颗粒运动的PDF输运方程出发,理论分析结合数值计算分析了水沙两个物理属性和流动条件对浓度分布特征、传统泥沙扩散方程及其扩散系数的影响,并结合细颗粒试验资料进行了分析。结论如下:

(1)从颗粒相PDF方程建立的泥沙扩散方程描述了重力沉降、紊动扩散、颗粒无规则布朗运动、升力和颗粒相脉动强度梯度等对悬沙运动的影响。布朗运动使得壁面附近粘性底层内的浓度分布趋向均匀。

732

傅旭东等:细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

表1 不同流动条件的计算参数及β1

Case

d p

(mm )H

m u 3

(cm/s )d 0

(10-3)R ep 3

J e

(%)s

ω3

Ca

(%)β1,0.02β1,0.1β1,0.5

1

0.2

0.20.20.20.10.10.10.1 4.436.267.678.8522228.8312.515.317.70.20.40.60.8 2.652.652.652.650.580.410.330.290.50.50.50.5 1.0561.0281.1161.158 1.0131.0281.0451.064 1.0061.0131.0201.0272

0.10.30.10.1 6.266.2613 6.2418.70.40.4 2.652.650.1240.700.50.5 1.1101.151 1.0201.035 1.0121.0143

0.2

0.20.20.20.10.10.10.1 6.266.266.266.26222212.512.512.512.50.40.40.40.4 1.0561.62.17.80.0170.170.291.210.50.50.50.50.9901.1001.0911.148 1.1761.0361.0301.022 1.1561.0211.0151.01040.2

0.20.20.050.51.0 6.266.266.2640.40.212.512.512.50.80.080.04 2.652.652.650.410.410.410.50.50.5 1.2441.0191.007 1.0681.0041.002 1.0281.0021.00150.2

0.20.2

0.10.10.1

6.266.266.26

222

12.512.512.5

0.40.40.4

2.652.652.65

0.410.410.41

0.051.03.0

1.0721.0981.140

1.0281.0281.028

1.0131.0131.013

图7 C 和C 0的垂向分布:计算结果与Wang &Qian [14]、

Einsteom &Chien [15]资料的比较

升力和颗粒相脉动强度梯度等对不同颗粒的浓度分布都有影响,是浓度I 分布形成的内在机制。

(2)细颗粒的紊动扩散系数在粘性底层以外的

区域与水流紊动扩散系数近似相等,紊流Schmidt 数

β为1。根据实测浓度分布资料,用传统扩散方程反算出泥沙扩散系数εs ,获得β大于1,原因在于忽略了升力和颗粒相脉动强度梯度的影响、过高估计了重力沉降作用。水沙两相物理属性和水流条件通过影响升力与颗粒相脉动强度梯度,影响传统泥沙运动理论中的εs 和β。

(3)β1反映了升力和颗粒相脉动强度梯度对重

力沉降的增强与削弱。对于含细颗粒挟沙水流,升力主要增大近壁区内的β1;颗粒相脉动强度梯度对整个水深内的β1都有影响,这与密度比s 显著有关。在颗粒相脉动强度为负梯度的大部分水深内,β1的垂线分布呈现出“上小下大”的特征。径深比、沙粒雷诺数、水沙密度比和水流能坡的增大,都将削弱重力沉

降对浓度分布的影响,增大β1和εs 。

(4)β1和ω3的大小共同决定了浓度分布的具832水 动 力 学 研 究 与 进 展 2004年第2期

表2 试验基本参数

Run

u3

(cm/s)

H

(cm)

d p

(mm)

s

J e

(10-3)

R ep3ω3

C

(0.1H)

ωθ

(cm/s)

Π

WQ—SF27.7110.00.268 1.052 6.0720.60.0250.56%0.190.2 WQ—SF27.7410.00.268 1.052 6.1120.70.025 1.36%0.190.5 WQ—SQ17.378.00.15 2.64 6.9311.1 2.181% 1.610 WQ—SQ27.418.00.15 2.64 6.9811.1 2.175% 1.610.3 EC—S1110.613.30.274 2.658.6229.0 3.710.4% 3.940.4 Wang&Qian[14]资料,EC表示Einstein&Chien[15]资料

体形状。在u3、d p、s较小,H较大的流动中,ΔC rel 较小,传统扩散方程近似成立;反之,升力和颗粒相脉动强度梯度对浓度分布形状影响明显,传统扩散方程带来的误差较大,需要对其进行修正。

参 考 文 献:

[1] 倪晋仁,王光谦,张红武.固液两相流基本理论及其最新

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932

傅旭东等:细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

颗粒大小分析

附录 土 工 试 验 实验四 颗粒大小分析试验 (一)概述 试验目的是使用比重计法测定土的各种粒组占该土总质量的百分数,并据此绘制颗粒大小分配曲线。比重计法适用于分析粒径小于0.075mm 的土样,若试样中还有大于0.075mm 的粒径时,应联合使用比重计法和筛析法。 (二)试验原理 比重计法是将一定质量的试样加入4%浓度的六偏磷酸钠10mL 混合成1000mL 悬液,并使悬液中的土粒均匀分布。此时悬液中不同大小的土粒下沉速度快慢不一。一方面可由斯笃克(Stokes ,1845)定律计算悬液中不同大小土粒的直径,另一方面用比重计测定其相应不同大小土粒质量的百分数。 1.斯笃克定律 根据斯笃克定律各种土粒在悬液中的下沉速度与其直径大小、比重和液体的动力粘滞系数有关。在时间t 内的下沉速度v 为: 2 4101800)(gd d d t L v w wt s η ρ?-== 或 t L k d = g d d k w wt s ρη)(1018004-?= 式中 v ——土颗粒下沉速度,cm/s ; η——纯水的动力粘滞系数,10-6kPa·s d ——土颗粒粒径,mm ; g ——重力加速度,981cm/s 2; d s ——土粒的比重; ρw ——4℃时水的密度,g/cm 3; d wt ——温度T ℃时水的比重; L ——某一时间t 内土粒的沉降距离,cm ; t ——土粒沉降的时间,s ; k ——粒径计算系数。 为了简化计算,用图附4.1的斯笃克列线图,便可求得粒径d 值。此时,悬液中在L 范围内所有土粒的直径都比算得的d 值小,而大于d 的土粒都下沉到比L 大的深度处。 2.悬液中土粒质量的百分数 附4.1

柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究

第25卷(2007)第2期 内 燃 机 学 报T ransactions of CS I CE V o.l 25(2007)N o .2 文章编号:1000 0909(2007)02 0113 05 25 018 收稿日期:2006 05 19;修回日期:2006 12 05。 基金项目:上海市科委重大科技项目(043012015)。 作者简介:李新令,博士研究生,E m ai:l l x@l s jt https://www.doczj.com/doc/3414680182.html, .cn 。 柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究 李新令,黄 震,王嘉松,吴君华 (上海交通大学燃烧与环境技术中心,上海200030) 摘要:研究了6114柴油机不同工况下排气颗粒的数浓度、体积浓度和粒径分布特征,测试工况下柴油机排气颗粒数浓度均呈包括核模态(峰值粒径为10n m ~20n m )和积聚模态(峰值粒径为50n m ~80n m )的双峰对数正态分布。高转速下排气颗粒数浓度和体积浓度大于中间转速时的数浓度和体积浓度。相同转速下,颗粒体积浓度随负荷增加而增大,而数浓度高转速下随负荷增大而增加,中间转速下随负荷增加没有规律性变化。相同转速下,积聚模态数浓度随负荷增加而增大,核模态数浓度高转速下随负荷增大而增加,但在中间转速下随负荷增加无规律性变化。相同转速下,随负荷增加,核模态峰值粒径有减小趋势。中间转速下积聚模态峰值粒径随负荷增大先增大后减小,高转速下积聚模态峰值随负荷变化无明显变化。中间转速下排气颗粒的核模态峰值粒径小于高转速下核模态的峰值粒径,积聚模态峰值粒径大于高转速下积聚模态的峰值粒径。排气颗粒中核模态粒子占有较大的数量百分比,积聚模态粒子占有较大的体积百分比。关键词:柴油机;负荷;排气颗粒;数浓度;粒径分布中图分类号:TK 421.5 文献标志码:A I nvestigation on Concentrations and Size D istribution Characteristic of Particles fro m D iesel Engine LI X in ling ,HUANG Zhen ,W ANG Jia song ,W U Jun hua (Center for Combustion and Environm enta l T echno l ogy ,Shanghha i Jiao tong U nivers it y ,Shangha i 200030,Chi na) Abstract :Exhaust particle number w ei ghted and volu m e w ei ghted concentrations and size distri buti on w ere m easured i n a 6114 model diesel e ng i ne by a t wo stage dil ution syste m and an S M PS .The number w ei ghte d size distribut i ons clearly sho w a b m i oda l and lognor m al i n for m w ith a nuclei mode i n dia meter range of 10nm to 20nm and an accu m ulat i on mode in dia m eter range of 50nm to 80nm.T he total num ber and volu m e conce ntrat i ons at high e ng i ne speed are lar ger than at m i ddle engine speed .A t the sa me engi ne speed ,t he total vol um e conce ntrat i on increasesw ith the i ncrease of load .The tota l nu m ber c oncen trat i ons i ncrease w ith the i ncrease of l oad at hi gh speed ,wh ile the total nu m ber concentrat i ons vary litt l e w ith load at m iddle engine speed .A t sa me eng i ne speed ,the number conce ntrat i ons of accu mu l ation mode i ncrease w ith the i ncrease of l oad .The number conce ntr at i ons of nuclei mode i ncrease w it h the i ncrease o f l oad at hi gh eng i ne speed ,a nd t he number c oncentration of nucle im ode varies little w it h load at m iddl e engi ne speed .M a x m i um dia m eter of nuclei mode at m i ddle eng i ne speed gives s m aller val ue than that at h i gh engine speed .M a x m i um d i a m eter of accu m ulat i on m ode at m i ddle e ng i ne speed g i ves larger val ue than at h i gh engine spee d .Nucleim ode gives l arge nu mber fraction wh ile acc umulation mode gives large volu m e fracti on . K ey words :D iesel eng i ne ;Loads ;Exhaust particles ;Number concentration ;Size d i stri bution

大气颗粒物浓度检测技术及其发展_杨书申(精)

收稿日期:2005-12-15 作者简介:杨书申(1966-,男,中原工学院机械工程专业毕业,中国矿业大学北京校区在读博士生,副教授。 大气颗粒物浓度检测技术及其发展 杨书申1,2邵龙义1龚铁强3刘昌凤1 (1.中国矿业大学(北京校区,北京100083;2.中原工学院,郑州450007; 3.湖南省煤矿设计研究院,长沙410000 摘要:大气颗粒物是一种重要的空气污染物,详细分析了大气颗粒物浓度的检测原理、检测方法。基于膜捕集的称重法是最基本的颗粒物浓度检测方法,但是基于其他原理的颗粒物浓度检测方法在颗粒物的实时在线检测方面得到了广泛应用,对各类监测方法的优缺点作了对比,指出自动化、智能化和网络化是大气颗粒物浓度检测仪器的方向发展。 关键词:大气颗粒物;浓度;检测;实时在线中图分类号:X831文献标识码:B 文章编号:1671-6558(200501-36-04 An Overvie w of the Monitoring T echnology for Airborne Particulate Concentrations Yang Shushen 1,2Shao Longyi 1G ong Tieqiang 3Liu Changfeng 1 (1.China University of Mining and Technology ,Beijing ,100083,China ; 2.Zhongyuan Institute of Technology ,Zhengzhou 450007,China ; 3.Hunan Institute of Mining Design &Research ,Changsha 410000,China

多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法

第38卷,第4期 光谱学与光谱分析V o'38,N o.4,ppl025-1030 2 0 18 年 4 月Spectroscopy and Spectral Analysis April,2018 多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法 饶志敏,何廷尧",华灯鑫,陈若曦 西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048 摘要为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线,提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光 系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探 测工具,获取气溶胶的消光与后向散射系数,反演得到气溶胶粒子谱分布%同时,根据米散射理论算出气溶 胶消光效率,结合粒子谱分布,提出颗粒物质量消光效率模型,从而建立基于消光系数与质量消光效率相结 合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数 据进行反演,并与地表采用的颗粒物浓度对比,证明该方法的可行性,为实现颗粒物质量浓度空间分布的探 测提供科学依据和方法论。 关键词气溶胶%多波段激光雷达%质量消光效率%颗粒物的质量浓度 中图分类号:T N958.98 文献标识码:A D O I:10. 3964/j.issn. 1000-0593(2018)04-1025-06 引言 在大气科学中,把大气介质和混合于其中的尘埃、烟 雾、冰晶、花粉等粒径为0.001?100 的悬浮固体或液体颗粒组成的体系称为气溶胶[1]。气溶胶主要分布在对流层,它影响着大气的辐射平衡、化学过程、区域乃至全球的气候及环境变化。受气象条件和人为排放的影响,气溶胶的形状、成分等在大气中随地点和高度的不同变化很大23]。 目前,对大气颗粒物质量浓度的检测主要采用直接测量和间接等效测量方法,包括采样称重法、卩射线法、T E O M 颗粒物质量监测仪等M。这些测量基本都还局限于点测量或者空间网格式分布测量。受气象条件以及其他人为因素的影响!大气颗粒物质量浓度空间分布变化很大!点测量获得的信息不足以完整地反映颗粒物在大气中停留和传输的物理过程。另一方面,激光雷达作为大气气溶胶探测的有力工具57],在大气气溶胶光学特性探测方面具有其他探测手段无法比拟的优势,是观测颗粒物时空分布的有效手段[811]。在边界层结构、气溶胶消光系数反演等领域,激光雷达探测技术也已经非常成熟,实现了数十米至十几公里大范围的气溶胶消光和后向散射系数空间分布高时空分辨率探测[12_13]。但在颗粒物质量浓度的探测上,目前尚未有成熟的激光雷达 探测方法。近年来,我国在颗粒物的监测上有了较大进展,通过实验观测获得了我国部分地区的气溶胶成分、数浓度、质量浓度等重要数据[14]。然而,大范围、大尺度的颗粒物质 量浓度空间连续分布的监测技术仍不太成熟。 针对当前颗粒物质量浓度局限于点测量,大尺度空间分布测量技术还不太成熟的难题,本文提出利用覆盖紫外到近红外波段的多波段激光雷达对气溶胶进行探测!通过气溶胶 粒子谱分布和消光效率反演及分析!获得颗粒物质量消光效率(m a s s extinction efficiency,M E E'并结合不同波段的消光系数反演得到颗粒物质量浓度廓线,构建激光雷达定量探测颗粒物质量浓度的理论和方法,拓展及提升激光雷达的应用能力。 1理论分析 1.1多波段激光雷达系统 多波段激光雷达结构原理如图1所示,系统主要由发射 系统,接收系统,分光系统以及数据处理系统四部分组成。系统采用N d r Y A G固体激光器作为激励光源,同时发射1 064,532和355 n m的激光脉冲"为了提高系统在低层大气的探测能力,减小探测盲区,发射和接收系统采用同轴结构。激光器发出的脉冲经过倍频、整形和扩束后由反射镜射向大气%多波段脉冲与大气中物质相互作用后产生散射现象,由望远镜接收后向散射信号,随后信号经透镜准直后发 收稿日期:2017-04-10,修订日期:2017-09-02 基金项目:国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(41627807)和国家自然科学基金项目(61675167, 41405028)资助 作者筒介:饶志敏,1987年生,西安理工大学机械与精密仪器工程学院博士研究生 e-mail: 1805695165?" com "通讯联系人 e-mail:tingyao.he@https://www.doczj.com/doc/3414680182.html, cn

“颗粒粒径分析方法”汇总大全

“颗粒粒径分析方法”汇总大全 来源:材料人2016-08-05 一、相关概念: 1、粒度与粒径:颗粒的大小称为粒度,一般颗粒的大小又以直径表示,故也称为粒径。 2、粒度分布:用一定方法反映出一系列不同粒径区间颗粒分别占试样总量的百分比称为粒度分布。 3、等效粒径:由于实际颗粒的形状通常为非球形的,难以直接用直径表示其大小,因此在颗粒粒度测试领域,对非球形颗粒,通常以等效粒径(一般简称粒径)来表征颗粒的粒径。等效粒径是指当一个颗粒的某一物理特性与同质球形颗粒相同或相近时,就用该球形颗粒的直径代表这个实际颗粒的直径。其中,根据不同的原理,等效粒径又分为以下几类:等效体积径、等效筛分径、等效沉速径、等效投影面积径。需注意的是基于不同物理原理的各种测试方法,对等效粒径的定义不同,因此各种测试方法得到的测量结果之间无直接的对比性。 4、颗粒大小分级习惯术语:纳米颗粒(1-100 nm),亚微米颗粒(0.1-1 μm),微粒、微粉(1-100 μm),细粒、细粉(100-1000 μm),粗粒(大于1 mm)。 5、平均径:表示颗粒平均大小的数据。根据不同的仪器所测量的粒度分布,平均粒径分、体积平均径、面积平均径、长度平均径、数量平均径等。 6、D50:也叫中位径或中值粒径,这是一个表示粒度大小的典型值,该值准确地将总体划分为二等份,也就是说有50%的颗粒超过此值,有50%的颗粒低于此值。如果一个样品的D50=5 μm,说明在组成该样品的所有粒径的颗粒中,大于5 μm的颗粒占50%,小于5 μm的颗粒也占50%。 7、最频粒径:是频率分布曲线的最高点对应的粒径值。 8、D97:D97指一个样品的累计粒度分布数达到97%时所对应的粒径。它的物理意义是粒径小于它的的颗粒占97%。这是一个被广泛应用的表示粉体粗端粒度指标的数据。 二、粒度测试的基本方法及其分析 激光法 激光法是通过一台激光散射的方法来测量悬浮液,乳液和粉末样品颗粒分布的多用途仪器。纳米型和微米型激光料度仪还可以通过安装的软件来分析颗粒的形状。现在已经成为颗粒测试的主流。 1、优点:(1)适用性广,既可测粉末状的颗粒,也可测悬浮液和乳浊液中的颗粒;(2)测试范围宽,国际标准ISO 13320 - 1 Particle Size Analysis 2 Laser Diffraction Meth 2 ods 2 Part 1: General Principles中规定激光衍射散射法的应用范围为0.1~3000 μm;(3)准确性高,重复性好;(4)测试速度快;(5)可进行在线测量。 2、缺点:不宜测量粒度分布很窄的样品,分辨率相对较低。 激光散射技术分类: 1、静态光散射法(即时间平均散射):测量散射光的空间分布规律采用米氏理论。测试的有效下限只能达到50纳米,对于更小的颗粒则无能为力。纳米颗粒测试必须采用“动态光散射”技术。 2、动态光散射法:研究散射光在某固定空间位置的强度随度时间变化的规律。原理基于ISO 13321分析颗粒粒度标准方法,即利用运动着的颗粒所产生的动态的散射光,通过光子相关光谱分析法分析PCS颗粒粒径。 按仪器接受的散射信号可以分为衍射法、角散射法、全散射法、光子相关光谱法,光子交叉相关光谱法(PCCS)等。其中以激光为光源的激光衍射散射式粒度仪(习惯上简称此类仪器为激光粒度仪)发展最为成熟,在颗粒测量技术中已经得到了普遍的采用。 激光粒度分析仪:

数字式通用颗粒物浓度传感器

数字式通用颗粒物浓度传感器 PMSA003数据手册 版本V2.5 主要特性 ◆激光散射原理实现精准测量 ◆零错误报警率 ◆实时响应并支持连续采集 ◆最小分辨粒径0.3μm ◆全新专利结构,六面全方位屏蔽,抗干扰性能更强 ◆进出风口方向可选,适用范围广,用户无需再进行风道设计 ◆超薄超小设计,仅有12毫米,适用于便携式、穿戴式设备 概述 PMSA003是一款基于激光散射原理的数字式通用颗粒物浓度传感器,可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数,即颗粒物浓度分布,进而换算成为质量浓度,并以通用数字接口形式输出。本传感器可嵌入各种与空气中悬浮颗粒物浓度相关的仪器仪表或环境改善设备,为其提供及时准确的浓度数据。 工作原理 本传感器采用激光散射原理。即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射,同时在某一特定角度收集散射光,得到散射光强随时间变化的曲线。进而微处理器利用基于米氏(MIE)理论的算法,得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。传感器各功能部分框图如图1所示

图1 传感器功能框图 技术指标 如表1所示 表1 传感器技术指标

注1:最大量程指本传感器确保PM2.5标准值最高输出数值不小于1000微克/立方米。1000微克/立方米以上以实测为准。 注2:颗粒物浓度一致性数据为通讯协议中的数据2(见附录A)测量环境条件为20℃,湿度50% 输出结果 主要输出为单位体积内各浓度颗粒物质量以及个数,其中颗粒物个数的单位体积为0.1升,质量浓度单位为:微克/立方米。 输出分为主动输出和被动输出两种状态。传感器上电后默认状态为主动输出,即传感器主动向主机发送串行数据,时间间隔为200~800ms,空气中颗粒物浓度越高,时间间隔越短。主动输出又分为两种模式:平稳模式和快速模式。在空气中颗粒物浓度变化较小时,传感器输出为平稳模式,即每三次输出同样的一组数值,实际数据更新周期约为2s。当空气中颗粒物浓度变化较大时,传感器输出自动切换为快速模式,每次输出都是新的数值,实际数据更新周期为200~800ms。

烟气颗粒浓度检测

烟气颗粒物浓度检测技术在大气环境、工农业生产领域发挥十分重要的作用,选题合理。请尽快确定课题完成方式,完善相关技术路线,开展课题调研论证工作。80 烟气颗粒浓度检测 1 背景 大气是人类生存所必需的环境,大气质量直接关系到人类的生活。在人类经济、生产活动发展、科技进步的同时,大量的能源燃烧生成的烟尘、工业生产散发的废气被排放到大气系统中,影响了大气环境的质量,进而影响生态、气候、健康等多个方面,直接威胁到人类的生活质量,对人类的生存环境造成了严重的破坏。近些年伴随着人类社会的发展,这一情况愈发明显,人们在科技进步的同时,为了人类与环境的和谐相处、实现可持续发展,开始越来越多的关注对大气环境的保护,其中重要的一个方面就是工业、农业、医学、科研等领域排放烟气中所含有的污染物的检测和控制。烟气对人体健康的危害程度与微粒的大小及其组成有关。颗粒直径小于100μm的称为总悬浮颗粒物(TSP);颗粒直径小于10μm的称为可吸入颗粒物(PM10);颗粒直径小于2.5μm的称为呼吸性颗粒物(PM2.5)。颗粒直径越小,在空气中悬浮的时间越长,进入人体肺部之后停滞在肺部及支气管中的比例越大,危害也就越大。大于10μm的微粒可以排出体外;大于5μm的微粒会在鼻部受阻,无法进入呼吸道;介于0.1-0.5μm的微粒能深入肺部并粘附在肺叶表面的粘液中,随后被绒毛所清除;小于0.01μm的微粒能够在空气中作随机运动,进入肺部附着在肺壁细胞的组织中,有些还会被血液吸收。这些颗粒物会引发上呼吸道感染、支气管炎、气喘、肺炎、肺气肿、心脏病等多种疾病。烟气除了对人体的呼吸系统有害外,由于微粒存在孔隙能粘附SO2、NO2等有毒物质或苯丙花等致癌物质,因而会对人体的健康造成更大的危害。 随着工业技术的发展,生产加工精度要求的提高,工业生产对生产环境的洁净程度要求也越来越高,特别在微电子、超精密加工、化工等生产领域,空气中颗粒物的浓度直接影响到生产结果;石油化工需要催化剂,催化剂颗粒过小会影响产品的质量,颗粒过大将会造成浪费,所以需要对投放催化剂的浓度和颗粒直径进行控制;在化工和医学等领域例如细胞核生长等活动也涉及到与颗粒物浓度监测相关的课题。

室内可吸入颗粒物浓度与粒径分布检测方法的研究

第30卷 第2期2009年2月 仪器仪表学报 Chinese Journal of Scientific I nstru ment Vol 130No 12Feb .2009  收稿日期:2008201 Received Date:2008201  3基金项目:湖北省自然科学基金(2007ABA195)资助项目 室内可吸入颗粒物浓度与粒径分布检测方法的研究 3 刘红丽1 ,张 伟2 ,李昌禧 1 (1 华中科技大学控制科学与工程系 武汉 430074; 2 武汉理工大学自动化学院 武汉 430063) 摘 要:本文采用显微观测成像和数字图象处理技术,研究了一种室内可吸入颗粒物浓度与粒径分布的检测方法。基于数学形态学对颗粒物图像进行图像处理,设计了检测颗粒物粒径,分形维数和形状因子等重要形态学参数的识别算法,最后采用数据融合的方法计算了可吸入颗粒物的浓度及其粒径分布。实验结果表明:这种检测方法可同时得到可吸入颗粒物的数量浓度、总表面积和质量浓度及其粒径分布,具有处理速度快、数据统计分析方便快捷、检测结果稳定等优点。关键词:可吸入颗粒物;浓度与粒径分布;颗粒形态学;数据融合 中图分类号:TP216 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510.40 D etecti on of the concen tra ti on and si ze d istr i buti on of i n door i n ha led parti cul a te ma tters L iu Hongli 1 ,Zhang W ei 2 ,L i Changxi 1 (1D epart m ent of Control Science &Engineering,Huazhong U niversity of Science and Technology,W uhan 430074,China 2School of A uto m ation,W uhan U niversity of Technology,W uhan 430063,China ) Abstract:Adop ting m icr oscop ic observati on i m aging and digital i m age p r ocessing technol ogies,this paper researches a ne w measuring method of indoor inhaled particulate matter concentrati on and size distributi on.A t first,the i m age of the particulate matters is p r ocessed based on mathe matical mor phol ogy;then the recogniti on algorithm of the mor 2phol ogical para meters is designed,which include particulate matter size,fractal di m ensi on,shape fact ors and s o on;finally the concentrati on and size distributi on of the particulate matters are calculated using data fusi on method .Ex 2peri m ental results show that this method can detect the nu mber concentrati on,t otal surface area,weight concentra 2ti on and size distributi on synchr onously .Mean while,this method has the advantages such as intuitive,high p reci 2si on,fast p r ocessing s peed,easy data statistical analysis,and stable measure ment result . Key words:inhaled particulate matter;concentrati on and size distributi on;particle mor phol ogy;data fusi on 1 引 言 据调查,现代人60%~80%以上的时间是在室内活动,尤其是婴幼儿、老弱残疾者在室内的时间更长。因此,室内悬浮颗粒物给人们的健康产生了相当不利的影响。室内空气中的悬浮颗粒物能够长时间悬浮在空气中。颗粒物的粒径携带颗粒物的重要性质信息,空气动 力学当量直径大于10μm 的悬浮颗粒物在静止空气中会 快速沉降,一般将小于或等于10μm 的悬浮颗粒物称为可吸入颗粒物(P M 10),目前人们把目光主要集中在粒径小于10μm 的可吸入颗粒物上,因为这些小粒径颗粒物能够长时间飘浮于空气中,难以沉降到地面,易于被吸入人体呼吸道,沉积于咽喉以下呼吸道部位,且粒径越小,进入人体呼吸道的位置越深,因而对人体的危害越大。悬浮颗粒物浓度和暴露时间决定了吸入剂量。浓度越

城市道路交叉口处颗粒物空间分布规律

第45卷第5期2019年5月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.45No.5May 2019 城市道路交叉口处颗粒物空间分布规律 于 泉,梁 锐,郭增增,朱小飞 (北京工业大学城市交通学院,北京 100124) 摘 要:为了在宏观上掌握交叉口处颗粒物的分布规律,通过采集北京市多个交叉口处的颗粒物质量浓度,并进一步分析颗粒物质量浓度与交通特性之间的相关关系以及数据之间的拟合估计,建立交叉口处颗粒物的空间扩散模型,最终得出颗粒物在城市道路交叉口处的分布规律,即:颗粒物质量浓度在交叉口处横向断面上的分布基本呈现中央较高,随后向两侧递减的趋势;颗粒物在交叉口处50m 范围内纵断面上的扩散规律为越靠近交叉口停车线的点位颗粒物质量浓度越高,波动越大,且人行道上的纵向分布波动性高于机动车道的波动性;颗粒物PM 2.5与颗粒物PM 10规律一致. 关键词:交叉口;颗粒物;空间分布;扩散模型 中图分类号:U 121文献标志码:A 文章编号:0254-0037(2019)05-0485-08 doi :10.11936/bjutxb2017120033 收稿日期:2017?12?20 基金项目:北京市交通委员会重点资助项目(40106001201622) 作者简介:于 泉(1976 ),男,副教授,主要从事智能交通二交通控制方面的研究,E?mail:yuquan@https://www.doczj.com/doc/3414680182.html, Law of Spatial Distribution of Particles at the Intersection of Urban Roads YU Quan,LIANG Rui,GUO Zengzeng,ZHU Xiaofei (College of Metropolitan Transportation,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract :To grasp the distribution law of particulate matter at an intersection,by collecting the concentrations of particulate matter at many intersections in Beijing and further analyzing the correlation between particle concentration and traffic characteristics and fitting estimation of data,a spatial diffusion model of particulates at the intersection was established.Finally,the distribution of particles at the intersection of urban roads was obtained.Results show that the distribution of particulate matter on the cross section of the intersection is higher in the center and then decreases to the two sides.The higher the concentration of particulate matter at the point near the intersection parking line is,the greater the fluctuation is.The fluctuation of the particle concentration on the sidewalk is higher than that on the driveway.The regularity of PM 2.5in particulate matter is consistent with that of PM 10in particulate matter.Key words :intersections;particles;spatial distribution;diffusion model 交叉口作为城市道路中的重要节点,车辆在交叉口处频繁地加减速运动,使得城市道路交叉口成为环 境质量较差的区域.在宏观上掌握交叉口处污染物 的分布规律,可以为交叉口处污染物分布的预测提供科学依据.通过对污染物在交叉口处扩散的研究,确定影响污染物分布的各个因素,进一步为环境保护部门制定降低各种污染物浓度的措施提供依据.国外学者自20世纪60年代末开始对机动车尾

固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法

固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法 (征求意见稿) 编制说明 编制组 2015年9月

一、项目背景 (3) 1.任务来源 (3) 2.工作过程 (3) 二、修订本标准的必要性分析 (3) 1.固定污染源颗粒物污染的危害 (4) 2.相关环保标准和环保工作的需要 (4) 3.现行环境监测分析方法标准的实施情况和存在问题 (4) 4.低浓度颗粒物测定技术的最新进展 (5) 三、国内外相关分析方法研究 (5) 1.主要国家、地区及国际组织相关分析方法研究 (5) 2.国内相关分析方法研究 (7) 四、标准制修订的基本原则和技术路线 (7) 1.标准制修订的基本原则 (7) 2.标准制修订的技术路线 (8) 五、方法研究报告 (10) 1.适用范围 (10) 2.规范性引用文件 (11) 3.术语和定义 (11) 4.方法原理 (11) 5.仪器和设备 (12) 6.采样位置和采样点 (13) 7.采样 (13) 8.结果与表述 (14) 9.质量控制措施 (14) 六、方法验证 (16) 1.实验内容 (16) 2.质量控制措施 (16) 3.验证实验室基本情况 (18) 4.验证实验结论 (18) 参考文献: (19)

一、项目背景 1.任务来源 2015年6月,河北省环境保护厅向河北省环境监测中心站下达了起草《固 定污染源低浓度颗粒物的测定重量法》方法标准的任务。 标准的制定由河北省环境监测中心站牵头,石家庄环境监测中心、秦皇岛市环境保护监测站、兴隆县环境监测站、河北省大名市环境监测站、唐山永正环境监测有限公司协作;青岛明华电子仪器有限公司、青岛崂山应用技术研究所、青岛容广电子科技有限公司提供支持。 2.工作过程 按照河北省环境保护厅的要求,召集各参加单位,成立了标准编制小组,制定了详细的标准编制计划与任务分工,具体工作计划如下: (1)对国内外有关“低浓度颗粒物的测定重量法”的标准内容、包括测定原理、采样装置、采样程序、质量控制、结果计算及方法性能进行调研,对国内外 固定污染源低浓度颗粒物采样设备的工作原理、测试方法、可行性及应用情况进行调研,对国内外相关分析方法进行研究比较,对国内固定污染源排放的相关法律、法规和政策进行分析研究,收集国内外关于低浓度颗粒物测定的文献资料, 分类归纳。 (2)依据调研的内容,参考相关标准,确定标准的适用范围,并制定相应的 技术路线; (3)对确定的技术指标和验证方案进行测试、比对,验证其可行性,形成测 试报告和验证报告; (4)完成编制说明和标准文本。 目前,我们查阅了国内外“低浓度颗粒物的测定重量法”的相关标准、固定污染源颗粒物采样设备标准及检定规程、各类固定污染源颗粒物测定标准及烟尘烟气排放标准中颗粒物规定限值,结合我省各环境监测站和排废企业对低浓度 颗粒物检测方法的应用研究及需求情况的广泛调研,进行了分类、归纳和总结, 在此基础上完成了标准草案。 二、修订本标准的必要性分析

对不同颗粒尺寸采用不同的测量方法

对不同颗粒尺寸采用不同的测量方法 作者:Stephen Ball,,马尔文仪器产品营销经理 本文中,马尔文仪器产品营销经理Stephen Ball向您介绍生物制药中蛋白质团聚物的一些测量技术。 随着生物分子在许多制药公司药物开发途径中所占据的比例越来越大,人们越来越关心相关开发、生产与监管方面难题的解决。由于药物的潜在免疫原性是生产商和监管者都十分关心的要素,因此如何定义生物药品的纯度与效力要比那些小分子药物复杂得多。这反过来突显了业界对高质量分析工具的迫切需要——希望它们能有助于全面表征出生物药物颗粒和团聚物,同时对药物内在颗粒与污染物的理化特性表征也越来越重视。 测量的用处何在? 药物分子从发现走向早期配方是十分关键的一个步骤。分子的理化特性是药物配方与给药的决定因素;药物分子的理化特性确定得越早,就能获得越大的经济效益——无论是为了确定上述步骤成功的可能性,还是尽早避免可能的失败。就这一点而言,比较理想的是能够在非常少量的样品上进行一系列非破坏性试验,并且把更多的精力放在改善可能用到的测试过程中。 从药物分子理化特性表征到药物开发过程直至最终的成品测试,发现和检测蛋白质团聚物,是药物开发最重要的步骤,因为理解药物分子这方面的行为对于药物产品的配制、稳定性和安全性来说都是至关重要的。蛋白质结构是通过范德华力、氢键、二硫键和疏水作用的结合来保持的,环境条件的改变可能会影响其中的一些或者全部相互作用力——其结果可能会引发团聚物非正常的折叠或者对于溶解性造成负面影响。在此过程中,蛋白质的活性常常会消失,也有可能很多团聚物会发展出免疫原性,从而对最终治疗药物产品的有效性和安全性造成显著影响。 当前的监管预期是,对团聚物和大小范围在“0.2- 2”微米级别1的不溶性微粒进行表征。大小超过几微米的团聚物可以用视觉方法来进行表征。小于这个尺寸的,可以采用动态光散射(DLS) 法和体积排除色谱 (SEC) 法等成熟的分析技术对蛋白质凝聚物进行表征。图1列出了上述方法所采用的技术和测量范围。共振质量测量法 (RMM)是最新发展的技术现在也被用来检测和统计50 nm到5μm这一至关重要尺寸范围内的不溶性微粒,并对它们的浮力质量、净质量和粒径大小进行可靠的测量。共振质量测量法为不溶性微粒和亚微米级凝聚物提供了测量窗口。 动态光散射法的使用 动态光散射法测量迅速,属于非侵入性的测量方式,特别适合在药物试剂开发的早期阶段筛选蛋白质。

固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法

固定污染源废气-低浓度颗粒物的测定-重量法

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固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法 (征求意见稿) 编制说明 编制组 2015年9月 ? 一、项目背景................................................................................................... 错误!未定义书签。 1.任务来源?错误!未定义书签。 2.工作过程 ....................................................................................... 错误!未定义书签。 二、修订本标准的必要性分析....................................................................... 错误!未定义书签。

1.固定污染源颗粒物污染的危害 ................................................... 错误!未定义书签。 2.相关环保标准和环保工作的需要.............................................. 错误!未定义书签。 3.现行环境监测分析方法标准的实施情况和存在问题.............. 错误!未定义书签。 4.低浓度颗粒物测定技术的最新进展?错误!未定义书签。 三、国内外相关分析方法研究....................................................................... 错误!未定义书签。 1.主要国家、地区及国际组织相关分析方法研究........................ 错误!未定义书签。 2.国内相关分析方法研究 ............................................................. 错误!未定义书签。 四、标准制修订的基本原则和技术路线?错误!未定义书签。 1.标准制修订的基本原则?错误!未定义书签。 2.标准制修订的技术路线 ............................................................. 错误!未定义书签。 五、方法研究报告?错误!未定义书签。 1.适用范围 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 2.规范性引用文件?错误!未定义书签。 3.术语和定义 ................................................................................... 错误!未定义书签。 4.方法原理 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 5.仪器和设备?错误!未定义书签。 6.采样位置和采样点?错误!未定义书签。 7.采样 ............................................................................................... 错误!未定义书签。 8.结果与表述?错误!未定义书签。 9.质量控制措施 ............................................................................... 错误!未定义书签。 六、方法验证................................................................................................... 错误!未定义书签。 1.实验内容18? 2.质量控制措施 ............................................................................... 错误!未定义书签。 3.验证实验室基本情况?错误!未定义书签。 4.验证实验结论?错误!未定义书签。 参考文献:......................................................................................................... 错误!未定义书签。

油中颗粒数及尺寸分布测量方法

中华人民共和国能源部标准 SD313—89 油中颗粒数及尺寸分布测量方法 (自动颗粒计数仪法) 中华人民共和国能源部1989-03-27批准 1989-10-01实施 本方法采用自动颗粒计数仪测定每100mL油中所含颗粒数量及尺寸分布,测量颗粒尺寸范围5~150μm(更换传感器可以扩大量程)。适合于测定变压器油、汽轮机油等油品的颗粒污染度。 1仪器及材料 1.1自动颗粒计数仪根据遮光原理工作,需定期校准。 1.2传感器与自动颗粒计数仪配套使用,能测定粒径约150μm的颗粒。 1.3超声波清洗器最小功率50W。 1.4秒表或计时器精确度为0.1s。 1.5真空泵真空度不小于86kPa。 1.6过滤装置供过滤清洁液使用。 1.7微孔滤膜孔径为0.8μm、0.45μm和0.15μm。 1.8取样瓶250mL玻璃瓶(医用输液瓶),具塞和塑料薄膜衬垫。 1.9AC粉尘校准液AC粉尘为非球形颗粒,校准液一般由仪器生产厂提供,也可按国际标准ISO4402方法配制。 1.10标准胶球校准液一般由仪器生产厂提供,也可按美国宇航标准ARP1192A方法配制。 1.11异丙醇化学纯。 1.12石油醚化学纯,沸程60~90℃。 1.13甲苯(或二甲苯)化学纯。 1.14去离子水或蒸馏水。 2清洁液的制备 异丙醇、石油醚、甲苯和蒸馏水等可依次经过不同孔径的滤膜过滤制得。供清洗仪器及稀释样品使用的清洁液,每100mL中粒径大于5μm的颗粒不多于100粒;供检验取样瓶用的清洁液,每100mL中粒径大于5μm的颗粒不多于50粒。 3取样 3.1取样瓶的清洗及检验 3.1.1取样瓶经过自来水和蒸馏水清洗后,再用清洁水清洗,瓶盖和薄膜衬垫也要用清洁液清洗。 3.1.2检验清洗干净后,向瓶中注入总容积为45%~55%的清洁液,垫上薄膜,盖上瓶盖后充分摇动。用自动颗粒计数仪测定每100mL液体中粒径大于5μm的颗粒数应不多于100

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