鞘流技术在气溶胶颗粒物光学传感器上的应用研究 下载: 1135次
Application of Sheath Flow Technique in Aerosol Particle Sensor
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海镭慎光电科技有限公司, 上海 201800
图 & 表
图 1. 尘埃粒子计数器的光学系统示意图
Fig. 1. Optical system diagram of dust particle counter
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图 2. 气嘴的结构示意图。(a)普通气嘴;(b)含鞘流器的气嘴
Fig. 2. Structural diagram of air nozzle. (a) Ordinary gas nozzle; (b) gas nozzle with sheath flow
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图 3. 鞘流气路设计图
Fig. 3. Design of sheath flow path
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图 4. 仿真模型图
Fig. 4. Schematic of simulation model
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图 5. 不同喷嘴倾斜角的样气仿真压缩图。(a) 30°;(b) 45°;(c) 60°
Fig. 5. Simulated results of sample gas for different nozzle inclination angles. (a) 30°; (b) 45°; (c) 60°
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图 6. 不同流量比下的最小压缩量的仿真结果图
Fig. 6. Simulation results of minimmm compression amount under different flow rates
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图 7. 设计参数示意图
Fig. 7. Schematic of design parameters
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图 8. 鞘流器仿真结果图。(a)粒子运动轨迹;(b)粒子分布曲线
Fig. 8. Simulated results of sheath flow. (a) Particle trajectory; (b) particle distribution curves
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图 9. 鞘流器结构示意图
Fig. 9. Structural diagram of sheath flow
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图 10. 气体鞘流器实物图
Fig. 10. Physical map of gas sheath flow
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图 11. 实验装置图
Fig. 11. Schematic of experimental device
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图 12. 鞘流器性能测试结果
Fig. 12. Performance test results of sheath flow
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表 1常见管道的临界雷诺数
Table1. Critical Reynolds number of common pipelines
Pipeshape | Smoothmetal tube | Rubber hose | Smoothconcentricring slit | Smootheccentricring slit | Concentricring slit with aring groove | Eccentricring slit with aring groove | Slidevalve por |
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Recr | 2000-2300 | 1600-2000 | 1100 | 1000 | 700 | 400 | 260 |
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表 2关键参数
Table2. Key parameters
Parameter | Value |
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Carrier gas nozzle diameter d /mm | 1 | Sheath gas nozzle diameter d2 /mm | 3 | Inclination angle θ /(°) | 45 | Wall thickness s /mm | 0.3 | Carrier gas velocityU0(1 L/min) /(m·s-1) | 21.22 | Sheath gas velocityUsheath(3 L/min) /(m·s-1) | 9.88 | Carrier and sheath gas | Air | Particle diameter dm /μm | 0.5 | Particle density ρ /(kg·m-3) | 1040 (polystyrene) | Particle mass flow rate m /(kg·m-3) | 5×10-5 |
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表 3标定过程中0.5 μm标准粒子浓度绝对值标定结果
Table3. Calibration results of absolute concentration vale of 0.5 μm standard particles in calibration process
Type | Particlesize /μm | Concentration /(particle·L-1) | /% | >0.5 μm(PMS) |
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| | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Average |
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1.0 mmsheath jet | >0.3 | 2119 | 2123 | 2277 | 2128 | 2073 | 2064 | 2130.67 | | | | >0.5 | 1063 | 1038 | 1123 | 1088 | 1050 | 1041 | 1067.17 | 50.1 | 1089 | ϕ0.5 mm jet | >0.3 | 2064 | 2177 | 2096 | 2284 | 2156 | 2203 | 2163.33 | | | | >0.5 | 1076 | 1140 | 1156 | 1148 | 1075 | 1100 | 1115.83 | 51 | 1145 | ϕ1.0 mm jet | >0.3 | 2241 | 2218 | 2347 | 2277 | 2413 | 2353 | 2308.16 | | | | >0.5 | 1121 | 1120 | 1202 | 1145 | 1212 | 1189 | 1164.83 | 50.5 | 1194 |
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表 4标定过程中0.3 μm标准粒子浓度绝对值标定结果
Table4. Calibration results of absolute concentration vale of 0.3 μm standard particles in calibration process
Type | Particlesize /μm | Concentration /(particle·L-1) | /% |
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| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Average |
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1.0 mm sheathflow jet | >0.3 | 1014 | 942 | 912 | 984 | 970 | 964 | 964.33 | | | >0.5 | 156 | 138 | 168 | 156 | 150 | 152 | 154.33 | 16 | ϕ0.5 mm jet | >0.3 | 1056 | 1017 | 1120 | 1001 | 1098 | 1053 | 1057.5 | | | >0.5 | 200 | 190 | 182 | 176 | 200 | 189 | 189.5 | 17.9 | ϕ1.0 mm jet | >0.3 | 1200 | 1014 | 1160 | 1108 | 1068 | 1014 | 1094 | | | >0.5 | 204 | 194 | 192 | 198 | 196 | 188 | 196 | 18.9 |
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表 5三种气嘴的饱和测量浓度范围
Table5. Saturation measurement concentration ranges of three jets
Jet type | Saturation measurementconcentration /(particle·L-1) |
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ϕ1.0 mm jet | 5000-10000 | ϕ0.5 mm jet | 10000-14000 | ϕ1.0 mm sheath flow jet(core diameter 0.34 μm) | 15000-23000 |
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鲁晨阳, 张佩, 王光辉, 朱菁, 黄惠杰. 鞘流技术在气溶胶颗粒物光学传感器上的应用研究[J]. 中国激光, 2019, 46(1): 0104006. Lu Chenyang, Zhang Pei, Wang Guanghui, Zhu Jing, Huang Huijie. Application of Sheath Flow Technique in Aerosol Particle Sensor[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(1): 0104006.