风洞内气象要素对湿空气含盐浓度的影响规律

2021-04-27孟庆林

实验室研究与探索 2021年3期

黄明，李琼，孟庆林

（华南理工大学建筑节能研究中心，广州 510640）

0 引言

我国南海地区具有显著的高温、高湿、强辐射、高风速、高盐雾的热带海洋气候特点［1-3］，与内陆地区的气候有着极大的区别。徐云飞等［2］利用DeST软件模拟比较了典型居住建筑和办公建筑在陆地站点和南海岛屿站点的能耗差异，发现南海岛屿建筑能耗均明显高于陆地。为研究南海岛屿建筑围护结构在热、湿、盐多强场耦合作用下的热工问题，迫切需要一个能够营造南海岛屿实际大气环境的风洞。

Liao等［4］开发了一个填料蒸发冷却风洞系统，该风洞较简单，控制参数为温度和相对湿度，控制方式为稳态，无法模拟现实中的气象条件；尾崎明仁［5］建立了一个建筑表面蒸发冷却风洞，该风洞较为成熟，控制参数为温度、相对湿度、风速和太阳辐射，可准确模拟现实中的气象条件，但控制方式仍为稳态；华南理工大学热湿气候风洞试验台［6］最为成熟，通过对太阳辐射、空气温度、相对湿度和风速的动态控制，可以准确地模拟室外动态气候条件。经过多年的调试与改进，风洞已经能够实现对室外气象参数小时间步长的周期性控制。然而，上述风洞均未考虑盐雾环境的营造问题，不能准确地营造海洋大气环境。

海水日夜不停地激烈扰动，引起海浪相互撞击及海浪对海岸礁石的拍击，产生大量泡沫，泡沫向海面升腾、破裂，又被气流撕成细小液滴，随气流升入空中经过裂解、蒸发、混杂等复杂的演变过程而成为弥散系统，形成大气盐核［7］。盐雾浓度主要受海面上方的大气蒸发程度和扩散因素（温度、相对湿度、风以及风向）等影响［8-12］。宋金明等［8］对青岛近海岸大气中的盐分浓度及气象条件进行相关性分析，发现：在0～17.5℃气温段，随温度升高，大气盐分有降低的趋势；在18～27℃气温段，大气含盐量变化幅度相对较大，呈现出不稳定的状态；大气盐分随空气相对湿度的增加而增加。文献［10-12］中提出了风速与盐雾粒子浓度的公式，均认为海洋大气环境的盐雾浓度随着风速的增大而升高。然而，自然环境下海洋盐雾浓度变化与风洞中人工营造的盐雾环境有较大差别。本文基于热湿气侯风洞试验台，研究风洞内气象要素（温度、相对湿度、风速）对其内湿空气含盐浓度的影响。

1 实验原理

1.1 热湿气候风洞试验台

华南理工大学热湿气候风洞性能指标如表1所示，构造示意图如图1所示。

表1 热湿气候风洞性能指标

图1 热湿气候风洞构造示意图

1.2 盐溶液雾化装置与含盐湿空气采集装置

含盐湿空气氛围的营造关键在于盐雾的生成方法。常用的盐雾生成方法大致可分为［13］：①通过高速旋转的扇叶拍打盐液面产生盐雾；②气压喷射法；③雾化法，该法是借用超声雾化原理将盐液直接雾化成盐雾并通过扩散进入试验区，这一方法具有雾化效率高、液滴直径小、扩散行程长，不易沉降的优点。本研究盐溶液雾化装置采用超声波雾化器，仪器摆放位置为风洞试验段起始处，放置高度约为0.8 m（距地面），如图2所示。

湿空气含盐浓度又称盐雾含量或大气含盐量，是指单位体积空气中所含海盐质量，单位为mg／m3。对于目前主流的大气颗粒物浓度测定方法，大致可以分为两类：溶液富集法和颗粒物采集法。在海洋大气航测中，标准［14］规定采集海洋大气悬浮颗粒物使用颗粒物采集法，现有研究也普遍采用这一方法［15-16］。颗粒物采集法通过撞击式采样器对大气悬浮颗粒物进行采集，对采样器上的滤膜进行成分分析，计算颗粒物浓度。本研究采用颗粒物采集法，采集仪器为“崂应”2030型中流量智能TSP大气采样仪，滤膜材质为玻璃纤维，摆放位置为风洞实验段尾端，采集高度约为1.2 m（距地面），如图3所示。

图2 盐雾生成装置实物图

图3 含盐湿空气采集装置实物图

本实验采用的超声雾化器是普通家用加湿器，喷雾速率分别设置为45 mg／s（2.7 g／min）、20 mg／s（1.2 g／min）；使用岛津（SHIMADZU）分析天平（量程320 g，分度值0.1 mg）对空气采样前后的玻璃纤维滤膜进行称重。

实验采用氯化钠分析纯和纯净水配制0.9%的盐溶液，所用仪器及试剂：天平为岛津（SHIMADZUUX6200H）分析天平，最大为6 200 g，最小为0.5 g，d＝0.01 g，烧杯为好奇GG-17 2 L 普通烧杯，氯化钠试剂为润捷化学（Richjoint）氯化钠分析纯，500 g，NaCl含量≥99.5%，水为某品牌4.5 L桶装纯净水。

实验中湿空气含盐浓度的计算公式：

其中：湿空气含盐浓度值为某时间段内湿空气含盐浓度平均值（mg／m3）；m2为采集后经烘干处理后的空气滤膜重量，g；m1为采集前经烘干处理的空气滤膜重量，g；V采集空气为一定时间内采集到的空气体积，本研究设置采集时间为15 min，采集流量为100 L／min，即V采集空气＝1.5 m3。

1.3 实验方案

实验包括5组不同温度的工况、5组不同相对湿度的工况以及5组不同风速的工况，如表2所示。每组实验做两轮，每组工况的时长为9.5 h。

表2 实验工况设置

实验操作：

（1）配制足量的0.9%盐溶液，保证在一轮实验中所使用的盐溶液是同一浓度，防止因盐溶液浓度不同而出现误差；

（2）采样前后，玻璃纤维滤膜均放置于电热鼓风干燥箱内烘干至恒重，烘干时间为30 min；

（3）运行风洞至实验所需的气象参数，在接下来的实验过程中气象参数保持不变，风洞稳定运行后进行两次风洞基底空气检测，作为空白对照组；

（4）完成风洞基底空气检测后，开启超声雾化器，营造盐雾氛围。超声雾化器工作流程为：第1阶段，2.7 g／min的超声雾化器工作55 min后关闭；第2阶段，1.2 g／min的超声雾化器开始工作，运行305 min后关闭；第3阶段，关闭所有超声雾化器后，风洞继续运行210 min；

（5）风洞运行期间，对风洞内湿空气进行采样。具体做法：首先，对烘干后的玻璃纤维滤膜进行称重，记录初始质量；然后，滤膜放置于TSP大气采样仪内，采集风洞内湿空气颗粒物，时间为15 min；第3步，取出滤膜，烘干30 min后称重，记录并保存滤膜前后质量差；

（6）实验完成后，打开风洞屏蔽门，置换风洞内空气，时间约为10 h。

2 实验结果及分析

在对实验结果分析过程中，发现各工况两轮实验数据误差较小，曲线趋势较为接近，因此两轮实验数据取均值作为数据来源。以出现的两次极值点（采集样本6：实验开始后90 min，1.2 g／min 超声雾化加湿器工作5 min；采集样本26：实验开始后390 min，超声雾化器停止工作）为分界点，对应超声雾化器的工作流程，人为地把实验过程分为3个阶段，分别为扩散阶段（样本编号3～6）、调整阶段（样本编号9～26）、沉降阶段（样本编号27～40）。

排除风洞内设备运行误差外，可认为实验误差主要来源于3个方面。①人为测量误差；②超声波雾化加湿器的容量有限，不能同时满足两轮实验中所需盐溶液，只能通过严格控制盐溶液配比来减少此误差。③风洞内沉降的NaCl粒子在后续实验中重新溶入湿空气内。每组实验开始前的风洞基底空气盐粒子浓度检测均显示风洞内湿空气中含盐浓度均为0，证明在风洞内附着和沉降的干燥NaCl颗粒是不会再重新溶入湿空气。通过上述分析，可认为各组实验数据合理可靠。

2.1 温度对湿空气含盐浓度的影响规律

两轮温度相关性实验各时刻点湿空气含盐浓度取均值后的分布曲线如图4所示。

图4 不同温度工况下湿空气含盐浓度随时间的变化规律

由图4可见，在20～30℃温度范围内，随着温度的上升，热湿气候风洞内湿空气含盐浓度也随之增大；温度越高，其对应的湿空气含盐浓度极值越大。

为了更直观地体现温度对湿空气含盐浓度的影响规律，并针对不同温度工况和不同阶段，对湿空气含盐浓度随时间变化曲线进行线性拟合，结果如表3所示。

表3 不同温度工况下湿空气含盐浓度拟合公式

由图4、表3可见，在20～30℃的温度范围内，扩散阶段、调整阶段、沉降阶段拟合公式的斜率绝对值均随着温度的升高而变大，意味着随着温度的升高，盐雾粒子扩散速率、沉降速率也越大。实验采用的超声波雾化技术产生的液滴直径约为2～4 μm，符合布朗运动的粒径范围（1～10 μm），认为NaCl粒子在风洞内的运动是布朗运动。布朗运动会随着温度的升高而加剧，因此风洞内空气温度升高使得NaCl粒子的布朗运动更加剧烈，更有效快速地在风洞内扩散。当不断有盐雾生成时，高温度工况的实验组盐雾粒子更容易扩散到采集仪处，因此高温度工况的实验组湿空气含盐浓度较大；当盐雾停止生成时，高温度工况的盐雾粒子在风洞内循环时容易扩散至风洞内的死角而导致其无法继续循环，导致沉降速率较大。

2.2 相对湿度对湿空气含盐浓度的影响规律

两轮相对湿度相关性实验各时刻点湿空气含盐浓度取均值后的分布曲线如图5所示。可以发现，在65%～85%的相对湿度范围内，随着风洞内空气相对湿度的加大，风洞内湿空气含盐浓度也随之增大，其对应的湿空气含盐浓度极值越大，这一结论与宋金明［8］的研究结果相同。在温度不变的情况下，相对湿度越高，空气中含湿量也越大，意味着空气中含有的水分越多，而NaCl易溶于水，空气中水分越多，NaCl粒子就能更好地漂浮在空气中而不容易在风洞壁面和设备上附着和沉降。

图5 不同相对湿度工况下湿空气含盐浓度随时间的变化规律

同样地，对湿空气含盐浓度随时间变化曲线进行线性拟合，结果如表4所示。从各个阶段的拟合公式可以发现：在65%～85%的相对湿度范围内，扩散阶段和调整阶段拟合公式的斜率绝对值普遍随着相对湿度的升高而增大，意味着相对湿度越高，所对应工况的盐雾扩散速率越大，但随着相对湿度的增大，斜率的增幅逐渐减小，意味着高湿度工况下的相对湿度对湿空气含盐浓度的影响较小；在沉降阶段，拟合公式斜率的绝对值随着相对湿度升高而增大，说明盐雾沉降速率与相对湿度成正相关。

表4 不同相对湿度工况下湿空气含盐浓度拟合公式

2.3 风速对湿空气含盐浓度的影响规律

两轮风速相关性实验各时刻点湿空气含盐浓度取均值后的分布曲线如图6所示。

图6 不同风速工况下湿空气含盐浓度随时间的变化规律

由图6可以发现，相较于温度、相对湿度，风速对湿空气含盐浓度的影响要显著得多，浓度变化幅度明显增大；风速对湿空气含盐浓度的影响规律并不随着风速单调递增或递减。从实验数据看，风速较低的工况组（0.5 m／s）的湿空气含盐浓度整体上要比风速较高的工况组（1.0 m／s）的浓度低，原因在于0.5 m／s工况风洞内整体的风速较低，空气流动较弱，盐雾粒子容易积聚和沉降。

当1.0 m／s≤风速≤2.5 m／s时，风速越大，热湿气候风洞内的湿空气含盐浓度越低。这一结论与目前认为盐雾浓度随风速增大而升高的结论相反。在海洋大气环境下，可以认为海洋是一个无穷无尽的盐雾生成器，风速越大，激起海浪就越多，产生的海盐粒子也就越多，因此风速越大，海洋大气中的盐雾浓度越大。而在封闭的热湿气候风洞里面，风速在盐雾产生过程中不起作用，仅是影响盐雾粒子扩散的一个因素，风速越大，盐雾粒子扩散越均匀，使得风洞内湿空气含盐浓度反而下降。同样地，对湿空气含盐浓度随时间变化曲线进行线性拟合，结果如表5所示。

表5 不同风速工况下湿空气含盐浓度拟合公式

从表5可以看到，当风速≥1.0 m／s时，随着风速增大，在扩散阶段以及调整阶段的湿空气含盐浓度扩散拟合公式的斜率逐渐减小，意味着风速越大，湿空气含盐浓度变化速度越小，湿空气含盐浓度越稳定，说明高风速促进盐雾在整个风洞内部的扩散，导致盐雾浓度的整体下降；0.5 m／s工况的低风速无法使空气有效地流动，盐雾积聚在入口段而无法有效扩散，导致主流风速段湿空气含盐浓度偏低。在沉降阶段，随着风速的增大，拟合曲线的斜率绝对值逐渐减小，意味着浓度下降的速率越来越缓慢。一是因为风洞内不同风速下的盐雾分布均匀程度不一样，高风速工况的盐雾粒子分布均匀，减少了在沉降过程中的浓度扩散；而低风速工况的盐雾粒子分布不均匀，局部之间还存在着浓度的差异，在沉降阶段不仅出现盐雾粒子的沉降，还有盐雾粒子从主流风速区扩散至风速死角的情况。二是高风速工况下的盐雾粒子运动剧烈，不容易发生沉降和附着。当风速为2.5 m／s时，湿空气含盐浓度在整个调整阶段增加较小，可以猜测当风速足够大的时候，可以保持风洞内湿空气含盐浓度保持在一个稳定的水平。