风洞内气象要素对湿空气含盐浓度的影响规律

尹 光 张 颖

（黑河市爱辉区气象局，黑龙江黑河 164300）

0 引言

我国海域辽阔，海洋环境开发资源丰富，海洋环境特有的高风速、高盐雾、高湿、高温特点对资源开发提出了较大挑战。营造一个近似海洋实际大气环境的风洞，有助于降低海洋开发技术研究难度。而风洞内湿空气含盐浓度的气象干扰因素较多，影响了风洞的构建。因此，基于已有风洞，研究气象要素对湿空气含盐浓度的影响规律具有非常重要的意义。

1 风洞构建

风洞构建主要是在室内动态控制风速、相对湿度、空气温度、太阳辐射，人为模拟室外气象条件，形成稳定的风洞环境。其中风洞风速控制设备为750W 轴流风机，控制范围为0 ～5m/s；相对湿度控制设备为电极加湿器+工业除湿器，控制范围为40%～90%；温度控制设备为柜式空调机+电热风扇，控制范围为20℃～40℃；太阳辐射控制设备为红外辐射灯，控制范围为0 ～1030W/m2。

2 实验方案

2.1 准备仪器

在风洞试验段开始位置摆放2 台喷雾高度达80cm、加湿量为320ml/h 的超声波雾化器，调整1 台超声波加湿器喷雾速率为2.7g/min，将0.9%盐水雾扩散到空气，快速提升风洞内湿空气含盐浓度至目标浓度；调整另外1台超声波加湿器喷雾速率为1.2g/min，满足风洞内盐分消耗，缓慢将水雾化为微粒子，营造6mg/m3的湿空气环境[1]。在风洞试验段出口位置摆放大气采样仪（范围60 ～120L/min，分辨率0.1L/min），采集风洞内空气。同时，准备精度达0.01g 的电子分析天平、电热鼓风干燥箱、普通烧杯。

2.2 准备试剂

准备分析纯氯化钠（纯度大于99.5%）、纯净水，配置0.9%盐溶液[2]。

2.3 实验操作

在风洞内太阳辐射为200W/m2、相对湿度为75%、风速为1.5m/s 的情况下，设置3 组温度工况，分别为20℃、26℃、30℃；在风洞内太阳辐射为200W/m2、温度为26℃、风速为1.5m/s 的情况下，设置3 组相对湿度工况，分别为65%、75%、85%。在风洞内太阳辐射为200W/m2、相对湿度为75%、温度为26℃的情况下，设置3 组风速工况，分别为0.5m/s、1.5m/s、2.5m/s。

具体操作：第一，运行风洞至前期设计气象参数，持续20 分钟，获得稳定的风洞气象环境。同时，在电热鼓风干燥箱内处理玻璃纤维滤波至恒定重量，并称量记录[3]；第二，风洞稳定运行后，开启大气采样仪（已安装玻璃纤维滤膜），在100L/min 的采样流量下采样20 分钟，先后测试2 次，作为空白对照；第三，先开启1 台运行速度为2.7g/min 的超声波雾化器，连续运行55 分钟，再开启运行速度为1.2g/min 的超声波雾化器，连续运行305 分钟。关闭2 台超声波雾化器，持续运行210 分钟。运行期间，每间隔20 分钟更换1 次大气采样仪内玻璃纤维膜，记录质量。

2.4 数据处理

在获得大气采样数据后，计算采样前烘干滤膜质量（不开启盐溶液雾化装置时的空气成分）、采样后烘干滤膜质量差值m（单位：mg）。进而计算m与风洞尺寸（120m3）的比值，得到空气中盐粒子含量（单位：mg/m3）。在获得湿空气含盐浓度后，计算前一时刻湿空气含盐浓度、后一时刻湿空气含盐浓度差值m0。进而计算湿空气含盐浓度差值m0与扩散时间（20 分钟）的比值，得出盐雾扩散速率。同理，计算湿空气含盐浓度差值m0与沉降时间（20分钟）的比值，得出盐雾沉降速率[4]。

3 实验结果

3.1 风洞内温度对湿空气含盐浓度的影响

风洞内相对湿度、太阳辐射、风速一定情况下，温度对湿空气含盐浓度的影响结果见表1。

表1 风洞内温度对湿空气含盐浓度的影响

由表1 可知，在扩散阶段，超声波雾化液滴所含氯化钠颗粒在风洞内附着、沉降，不会融入湿空气，导致组间湿空气浓度出现差别。在不考虑氯化钠颗粒在空气内沉降造成组间湿空气浓度差别的情况下，分析20 ～30℃范围内风洞内湿空气含盐浓度随温度变化而变化，得出：在扩散阶段（开启2.7g/min 超声波雾化加湿器），湿空气含盐浓度较为稳定，30℃对应的盐雾扩散速率远远大于26℃对应的盐雾扩散速率，20℃对应的盐雾扩散速率最小，表明风洞内温度与湿空气含盐浓度成正比例关系；在调整时间段（关闭2.7g/min 超声波雾化加湿器，开启1.2g/min超声波雾化加湿器），湿空气含盐浓度增加速率不断提高，湿空气含盐浓度出现极大值，盐雾扩散速率较为稳定，随温度变化不显著；在沉降阶段（关闭1.2g/min 超声波雾化加湿器），湿空气含盐浓度出现极小值，30℃对应达到盐雾沉降速率大于26℃对应的盐雾沉降速率，但均大于20℃对应的盐雾沉降速率，表明温度上升，盐雾粒子加速沉降[5]。

各阶段温度为30℃时对应的湿空气含盐浓度均大于温度为26℃时对应的湿空气含盐浓度，各阶段温度为20℃时对应的湿空气含盐浓度最小。表明在温度处于20 ～30℃范围内，湿空气含盐浓度与温度存在正比例关系。这主要是由于超声波雾化液滴（直径3±1μm）在风洞内运动符合布朗运动规律，运动随温度上升而加剧是布朗运动的特征之一。在温度升高情况下，超声波雾化液滴内氯化钠粒子的布朗运动进一步加剧，由风洞初始位置向风洞末端扩散速度更快，附着、沉降速度更慢，粒子浓度更高。

3.2 风洞内相对湿度对湿空气含盐浓度的影响

风洞内温度、太阳辐射、风速一定情况下，相对湿度对湿空气含盐浓度的影响结果见表2。

表2 风洞内相对湿度对湿空气含盐浓度的影响

表2 中，各阶段（扩散阶段、调整阶段、沉降阶段）对应相对湿度65%时的湿空气含盐浓度均小于对应相对湿度75%的湿空气含盐浓度，对应相对湿度85%时的湿空气含盐浓度最大。表明在65%～85%相对湿度范围内，风洞内湿空气含盐浓度随着空气相对湿度的增加而增加，这主要是由于温度一定情况下，风洞内相对湿度较高时对应的空气含水量较多，湿空气含盐成分氯化钠易溶于水，可以在空气中含水量较多时飘浮在空气中，不易附着、沉降[6]。

在扩散阶段，同一时刻，65%相对湿度对应的湿空气盐雾扩散速率最小，为0.093mgNaCl/m3·min；85%相对湿度对应的湿空气盐雾扩散速率最大，为0.18mgNaCl/m3·min，表明升高风洞内相对湿度有利于增强湿空气盐雾扩散速率；在调整阶段，同一时刻，风洞中相对湿度65%对应的湿空气盐雾扩散速率、相对湿度85%对应的湿空气盐雾扩散速率差距较小。可能是由于超声波雾化加湿器喷雾速率一定，湿空气盐雾处于动态稳定状态；在沉降阶段，同一时刻，风洞中相对湿度65%、75%、85%时对应的湿空气盐雾沉降速率差距较小，可大致认定湿空气盐雾沉降速率为0.041mgNaCl/m3•min。

3.3 风洞内风速对湿空气含盐浓度的影响

风洞内相对湿度、太阳辐射、温度一定情况下，风速对湿空气含盐浓度的影响结果见表3。

表3 风洞内风速对湿空气含盐浓度的影响

表3 中，在扩散阶段，对应风速为0.5m/s 时的湿空气含盐浓度小于对应风速为1.5m/s 的湿空气含盐浓度，但大于风速为2.5m/s 时的湿空气含盐浓度；而在调整阶段、沉降阶段，对应风速为0.5m/s 时的湿空气含盐浓度均大于对应风速为1.5m/s 的湿空气含盐浓度，风速为2.5m/s 时的湿空气含盐浓度最小。表明风洞内风速对湿空气含盐浓度的影响较为复杂，初始扩散阶段，0.5m/s 风速较低时，盐雾发生装置产生氯化钠粒子无法在短时间内扩散到整个风洞，大气采样仪采样受阻，导致湿空气含盐浓度测量误差较大。将风速提高到1.5m/s 后，盐雾发生装置产生盐分可以均匀扩散整个风洞，且盐分扩散均匀度与风速成正相关，风洞内湿空气含盐浓度随着风速的增加而下降[7]。

扩散阶段，0.5m/s、1.5m/s、2.5m/s 风速下湿空气盐雾扩散速率变化规律与湿空气中含盐浓度变化规律类似，呈现出随风速变化先上升后下降的趋势。这主要是由于0.5m/s 风速无法确保风洞内空气有效流动，盐雾积聚在风洞一端无法扩散，而1.5m/s、2.5m/s 可以促进盐雾在整个风洞内部扩散；调整阶段，0.5m/s 风速下湿空气盐雾扩散速率大于2.5m/s 风速下湿空气盐雾扩散速率，表明湿空气含盐浓度随着风速增加而下降。为降低风洞含盐环境波动，可以优选高风速气象日。沉降阶段，0.5m/s 风速下，湿空气盐雾沉降速率为0.047mgNaCl/m3•min；1.5m/s 风速下，湿空气盐雾沉降速率为0.043mgNaCl/m3•min；2.5m/s 风速下，湿空气盐雾沉降速率为0.037mgNaCl/m3•min。湿空气盐雾沉降速率随着风速的增加而减小，这主要是由于低风速（0.5m/s）下盐雾颗粒基本处于静止状态，更易沉降；高风速（2.5m/s）下，盐雾颗粒可多次在风洞内部流动，不易沉降。

4 结语

单一变更相对湿度、温度、风速等因素，寻找风洞内气象要素对湿空气含盐浓度的影响规律。得出结论：在25℃±5℃温度范围内，湿空气含盐浓度随着风洞内温度的升高而增加，盐雾粒子沉降速率、扩散速率随着风洞内温度的升高而提升；在70%±15%相对湿度范围内，湿空气含盐浓度随着相对湿度的升高而增加，盐雾粒子沉降速率、扩散速率随着风洞内相对湿度的升高而提升；在1.5±0.5m/s 风速范围内，调整阶段、沉降阶段湿空气含盐浓度随着风洞内风速的升高而减小，盐雾粒子沉降速率、扩散速率随着风洞内风速的升高而下降。研究表明，影响风洞内湿空气含盐浓度的主导因素是风速，温度、相对湿度对湿空气含盐浓度的影响也较为显著，需要着重控制。