凝结核粒子计数器的流场数值模拟及流量配比优化

为推进凝结核粒子计数器(CPC)的研发并提升其检测性能,系统开展了 CPC 粒子生长器内的流场数值模拟和流量配 比优化研究。 对粒子生长器的基本结构和分析模型进行设计建立,通过 Fluent 软件模拟研究了粒子生长器内流场的参数分布 情况,以及流量配比对饱和度等参数变化和 CPC 理论计数效率的影响。 模拟结果表明,鞘流结构能够约束气溶胶颗粒保持在 流场轴心处饱和度高的位置流动,且流量比越高,气溶胶颗粒的扩散范围越小;在一定范围内提升流量比可以增大蒸汽质量分 数以及饱和度的值,降低临界直径。 在最优化流量参数下,所设计粒子生长器颗粒扩散范围仅 4 mm,流场内最高饱和度值可达 7 以上。 基于数值模拟数据,自主研发了 CPC 测量系统,并开展了计数效率校准实验,结果表明在 7 ~ 200 nm 粒径范围内 13 个 点位的校准相对误差均低于 9% ,符合校准规范。 因此,基于数值模拟的 CPC 内粒子生长器结构设计及操作参数优化对 CPC 的 研发具有指导意义。     

凝结核粒子计数器的研究及校准技术现状

凝结核粒子计数器(CPC)是针对亚微米及纳米量级气溶胶颗粒的检测仪器,其在环境监测、气象研究等领域有重要应用。国际上有少部分机构已经实现了CPC的规模化生产,而国内的相关研究却相对滞后。本文基于国内外学者对于CPC的研究成果,讨论了近40年CPC的发展历程。我们介绍了不同种针对CPC结构的优化方案,并围绕生长温度、颗粒浓度、工作液性质等参数对CPC检测性能的影响进行了探讨。发现鞘流的加入可以显著降低CPC的切割粒径,工作液的性质直接决定了CPC的计数效率,合理控制冷凝器和饱和器的温差以及颗粒浓度也对CPC计数效率有改善作用。随后介绍了几种主流的CPC校准装置以及校准技术,并对比分析了其优劣性;最后讨论了不同类型CPC的测试性能以及主要应用。