光学仪器  2016, Vol. 38 Issue (6): 471-475   PDF    
引用本文
黄远东, 宋也, 侯人玮, 王梦洁 . 激光片光浓度场测量系统及其在风洞模拟中的应用[J]. 光学仪器,2016, 38(6): 471-475.   
HUANG Yuandong, SONG Ye, HOU Renwei, WANG Mengjie . A laser sheet light system for measuring pollutant concentration fields in wind tunnel modeling[J]. Optical Instruments,2016, 38(6): 471-475   
激光片光浓度场测量系统及其在风洞模拟中的应用
黄远东, 宋也, 侯人玮, 王梦洁     
上海理工大学 环境与建筑学院, 上海 200093
收稿日期: 2016-09-12
作者简介: 黄远东(1964-), 男, 教授, 主要从事大气污染控制、浓度场激光测试方面的研究。E-mail:huangyd@usst.edu.cn
摘要: 为在大型环境风洞中模拟大气污染物迁移扩散状况，开发出污染物浓度激光片光测量系统和污染物发放系统。基于激光片光浓度场测量系统，风洞模拟得到城市环境下点、线和面源污染物的扩散分布图案。基于风洞试验工况的边界条件，计算流体动力学（CFD）仿真得到污染物扩散分布，CFD仿真结果和激光片光浓度测量结果，两者定性一致，达到了相互印证的效果。将研究开发的激光片光浓度场测量系统和定量采样方法相结合，有望实现风洞试验中污染物浓度场的定量测试。
关键词: 风洞     激光片光     污染物扩散     污染源     气流运动    
A laser sheet light system for measuring pollutant concentration fields in wind tunnel modeling
HUANG Yuandong, SONG Ye, HOU Renwei, WANG Mengjie     
School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: In order to perform wind tunnel experimental studies on pollutant dispersion, a laser sheet light system for measuring pollutant concentration fields and a pollutant releasing system were developed. Based on the laser sheet light system for concentration measurement, the distribution patterns of pollutants released respectively from point, line and face sources under urban environments were investigated by wind tunnel experiments. Based on the boundary conditions in the wind tunnel test case, the pollutant dispersion was simulated numerically by computational fluid dynamics (CFD). The CFD results are qualitatively matched the laser sheet concentration measurements in the wind tunnel. By combining the laser sheet light system for concentration field measurement with the concentration sampling method, it will be expected to realize the quantitative measurement of pollutant concentration fields in wind tunnel modeling.
Key words: wind tunnel     laser sheet light     pollutant dispersion     pollution source     airflow    
引言

城市环境下的大气污染物迁移扩散是当前环境科学领域的研究热点之一[1]。对于该类问题的研究有风洞试验[2-3]、计算流体动力学(CFD)数值仿真[1, 4-5]和现场实测等技术。风洞试验由于边界条件可控, 以及可为CFD仿真模型的验证提供重要基础数据等特点, 已成为模拟大气污染物迁移扩散的重要技术手段。但目前在风洞试验中, 测试大气污染的扩散分布大多采用的是定点采样方法[2], 该方法可定量得到污染物浓度, 但带来流场干扰, 且采样点数目有限, 很难得到全场的污染物浓度分布概貌。

本文将介绍我们集成开发的、用于大型环境风洞模拟的大气污染物浓度激光片光测试系统, 激光片光浓度场测试系统属于非接触式、全场(激光片光照射平面)测量, 可避免流场干扰并能有效获得污染物浓度的场分布。采用污染物发放系统在大型风洞中模拟典型点源(建筑物屋顶烟囱排放)、线源(城市道路交叉口及街道内机动车尾气连续排放)和面源(城市交通隧道洞口大气污染物排放)的污染物, 采用大气污染物浓度激光片光测试系统, 测试这些污染物的扩散分布状况。

1 污染物浓度测试系统和污染物发放系统的组成 1.1 激光片光污染物浓度场测试系统

图 1为用于风洞模拟大气污染物扩散的污染物浓度激光片光测试系统。

图 1 激光片光浓度场测试系统 Figure 1 Laser sheet measuring system for pollutant concentration

该浓度场测试系统由激光器、光学镜片和高速数字图像记录系统等组成。激光器为连续波半导体激光器, 通过光学镜片汇聚激光器所发出的激光能量, 得到输出波长为532 nm的激光片光(光束直径小于4 mm, 发散角小于0.7 mrad); 高速数字图像记录系统(CCD系统)由计算机(含记录软件)、尼康AF镜头(相机)、CORE传输主机、固态硬盘(存储设备)和连接线等构成。测量过程中, 将激光片光作为照射光源照射大气污染物, CCD系统采集粒子的散射光, 散射光越强则说明粒子浓度越大[6]。

1.2 污染物发放系统

图 2为污染物发放系统, 由变频器、旋涡气泵和烟雾发生器等组成。发烟材料在烟雾发生器内燃烧产生烟雾, 烟雾在旋涡气泵作用下通过导管导入风洞内, 产生点源、线源和面源的污染源, 而旋涡气泵送风量可由变频器控制。

图 2 污染物发放系统 Figure 2 Pollutant releasing system
2 激光片光浓度场测试系统在风洞模拟大气污染扩散中的应用

采用激光片光污染物浓度测试系统和污染物发放系统, 在上海理工大学的大型环境风洞(工作段空间为长20 m、宽2.2 m和高2.1 m)中模拟了点源、线源和面源污染物在城市环境下的扩散分布状况。试验中, 通过CCD系统采集激光片光照射平面上的污染分布图案, 然后利用MATLAB软件对图像进行处理, 得到污染物浓度分布云图, 该云图可表示平面上各处污染物浓度的相对大小。此外, 通过CFD数值仿真的方法, 获得污染物浓度分布云图, 并将该云图与风洞试验得到的云图进行比较。

2.1 点源污染物扩散的风洞模拟

在来流风速为5 m/s的条件下, 用风洞模拟建筑物屋顶烟囱排放污染物的扩散。图 3为两等高建筑物的点源污染物扩散分布测试结果, 图 3(a)为实测获得的污染物分布图, 图 3(b)为采用MATLAB软件对图 3(a)进行处理所得到的云图, 图 3(c)为风洞试验工况下, 采用CFD数值仿真方法获得的污染物分布图案。比较图 3(c)与图 3(a), 可以看出两者定性结果一致, 都表明污染物都往下风向扩散分布。图 4为上游建筑物高于下游建筑物条件下的污染物扩散分布测试结果, 风洞模拟结果和数值仿真结果都表明污染物往上游建筑物扩散分布, 这是由于在上游建筑物后部形成一个顺时针方向的大旋涡所致[7]。

图 3 点源污染物扩散试验结果(两建筑物等高) Figure 3 Experimental results for the dispersion of pollutants released from a point source (the two buildings are identical in height)

图 4 点源污染物扩散试验结果(上游建筑物高于下游建筑物) Figure 4 Experimental results for the dispersion of pollutants released from a point source (the upstream building is higher than the downstream building)
2.2 线源污染物扩散的风洞模拟

在来流风速为5 m/s的条件下, 风洞模拟城市道路交叉口排放污染物的扩散。图 5为线源污染物在街道和交叉口处的扩散分布情况, 且风洞模拟和CFD数值仿真结果都揭示污染物在街道峡谷的背风侧聚集, 这是因为在街道峡谷内存在一个顺时针的大旋涡, 该大旋涡使街道地面发放出的线源污染物聚集到峡谷的背风面[8]。

图 5 线源污染物扩散试验结果 Figure 5 Experimental results for the dispersion of pollutants released from a line source
2.3 面源污染物扩散的风洞模拟

在来流风速为5 m/s的条件下, 风洞模拟城市交通隧道的洞口大气污染物扩散。由于污染物从整个隧道洞口排放, 所以污染源为一面源。图 6为面源污染物在隧道洞口周围的扩散分布情况, 且风洞模拟和CFD数值仿真的定性分布规律一致。

图 6 面源污染物扩散试验结果 Figure 6 Experimental results for the dispersion of pollutants released from a face source
3 结论

本文介绍了一种用于大型风洞模拟试验的大气污染物浓度激光片光测试系统, 该系统为非接触式、全场测量, 能有效避免流场干扰和获得污染物浓度的场分布。采用污染物发放系统、大气污染物浓度的激光片光测试系统, 在大型风洞中模拟了代表性点源(建筑物屋顶烟囱排放)、线源(城市道路交叉口和街道上的机动车尾气连续排放)和面源(城市交通隧道洞口大气污染物排放)的污染物扩散分布, 清晰获得了污染物扩散分布的图案。风洞模拟得到的污染物扩散分布图案和CFD数值仿真结果定性一致, 达到了相互印证的效果, 使研究结果更加可靠。

需指出的是, 本文介绍的激光片光浓度场测量系统, 只能获得污染物浓度场的定性分布(灰度分布), 如将激光片光浓度场测量系统和传统的定量采样方法相结合, 有望在风洞试验中实现污染物浓度场的定量测试。

参考文献
[1] HUANG Y D, HE W R, KIM C N. Impacts of shape and height of upstream roof on airflow and pollutant dispersion inside an urban street canyon[J]. Environmental Science and Pollution Research , 2015, 22 (3) :2117–2137. DOI:10.1007/s11356-014-3422-6
[2] KASTNER-KLEIN P, PLATE E J. Wind-tunnel study of concentration fields in street canyons[J]. Atmospheric Environment , 1999, 33 (24/25) :3973–3979.
[3] NIACHOU K, LIVADA I, SANTAMOURIS M. Experimental study of temperature and airflow distribution inside an urban street canyon during hot summer weather conditions. Part Ⅱ:Airflow analysis[J]. Building and Environment , 2008, 43 (8) :1393–1403. DOI:10.1016/j.buildenv.2007.01.040
[4] YASSIN M F. Impact of height and shape of building roof on air quality inurbanstreet canyons[J]. Atmospheric Environment , 2011, 45 (29) :5220–5229. DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.05.060
[5] HUANG Y D, LONG C, DENG J T, et al. Impacts of upstream building width and upwind building arrangements on airflow and pollutant dispersion in a street canyon[J]. Environmental Forensics , 2014, 15 (1) :25–36. DOI:10.1080/15275922.2013.872714
[6] SAGRADO A P G, BEECK J, RAMBAUD P, et al. Numerical and experimental modelling of pollutant dispersion in a street canyon[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics , 2002, 90 (45) :321–339.
[7] CHAVEZ M, HAJRA B, STATHOPOULOS T, et al. Assessment of near-fieldpollutant dispersion:Effect of upstream buildings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics , 2012, 104 :509–515.
[8] HUANG Y D, HU X N, ZENG N B. Impact of wedge-shaped roofs on airflow and pollutant dispersion inside urban street canyons[J]. Building and Environment , 2009, 44 (12) :2335–2347. DOI:10.1016/j.buildenv.2009.03.024