CN110095382A - 拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核污染评价技术领域，涉及拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法。所述的定量测量实验方法包括如下步骤，(1)模拟对象选择：根据研究对象确定包括拖曳式水槽的模拟***的模拟研究区域，收集模拟研究区域的相关资料；(2)模拟实验条件确定：确定包括拖曳式水槽的模拟***的模拟实验条件，包括模型尺寸与比例、模拟风速、模拟排放速度、模拟大气条件；(3)实验测量：利用包括拖曳式水槽的模拟***进行模拟污染物速度场与浓度场的数据测量与输出。利用本发明的定量测量实验方法，能够根据物理模拟的相似准则，利用拖曳式水槽准确模拟大气污染物的扩散，并对模拟污染物的扩散进行准确速度与浓度定量。
Description
技术领域
本发明属于核污染评价技术领域，涉及拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法。
背景技术
伴随我国核电建设由沿海扩展至内陆地区，所面临的大气环境条件更加复杂多变，尤其是在内陆地区稳定大气条件下，重力和浮力的联合作用使得污染物的垂直扩散受到抑制。因此，内陆地区大气流场结构较之于沿海地区大气中性条件下大为不同，流体的抬升、夹卷、落地等现象都发生变化，污染物的浓度、去向更难以预测。
目前，国内外进行了大量针对复杂气象条件下大气扩散的风洞实验研究。然而风洞实验实现不同气象条件成本高昂，工艺难度大，结果却并不理想；同时对于风洞实验研究，关于风温廓线耦合的一系列相似性问题尚不明确。虽然专门用于层结流研究的水槽能够轻易实现对不同大气条件的模拟，但目前水槽模拟仅限于定性方面的研究，无法真正意义上对大气污染物扩散的环境影响作出准确评估，也无法为相关研究结果提供数据支持。
根据物理模拟的相似准则，中国辐射防护研究院建立了一套利用拖曳式水槽，对大气中污染物扩散的模拟与定量测量方法。该方法能够应用于核电厂址大气扩散情况的预测与评价以及流体力学的机理性研究。
发明内容
本发明的目的是提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，以能够根据物理模拟的相似准则，利用拖曳式水槽准确模拟大气污染物的扩散(本发明中所述的“大气污染物”均为普通污染物)，并对模拟污染物的扩散进行准确速度与浓度定量。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，所述的方法包括如下步骤，
(1)模拟对象选择：根据研究对象确定包括拖曳式水槽的模拟***的模拟研究区域，收集模拟研究区域的相关资料；
(2)模拟实验条件确定：确定包括拖曳式水槽的模拟***的模拟实验条件，包括模型尺寸与比例、模拟风速、模拟排放速度、模拟大气条件；
(3)实验测量：利用包括拖曳式水槽的模拟***进行模拟污染物速度场与浓度场的数据测量与输出。
在一种优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中步骤(1)中所述的相关资料包括地形资料与气象资料。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中所述的气象资料包括气载污染物排放率、混合层高度、风向风速。
在一种优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中步骤(3)中采用激光粒子图像测速法进行模拟污染物速度场数据测量。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中所述的模拟污染物速度场数据测量时，选择的示踪粒子为高聚物聚苯乙烯(Polystyrene)。聚苯乙烯能够反射激光，粒径为30-50μm，密度为1.00-1.05g/cm3，能够自由悬浮在水溶液中，跟随水体运动。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中步骤(3)中模拟污染物速度场数据输出时，经自适应互相关算法程序计算后直接得到矢量图导出或以数据的形式直接导出。
在一种优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中步骤(3)中采用平面激光诱导荧光法进行模拟污染物浓度场数据测量。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中所述的模拟污染物浓度场数据测量时，选择的示踪物为罗丹明6G(Rodanmin6G，C28H30N2O3-HCl，分子量479.01，CAS号：989-38-8)。罗丹明6G的水溶液能够受532nm激光激发产生荧光，其低浓度水溶液密度与水相近，并且罗丹明6G对温度及pH变化不敏感。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中：步骤(3)中浓度场的数据测量后，经过修正与图像降噪，再进行数据输出。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中所述的图像降噪是对经过光修正的图像使用均值滤波中的最小值程序进行降噪。
在一种优选的实施方案中，本发明提供拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其中所述的模拟***包括拖曳式水槽、清水罐、盐水罐、导轨、拖车、模型、控制台、泵、激光发生***、相机、测量数据管理***，
顶部敞开的所述的拖曳式水槽可通过所述的清水罐和/或所述的盐水罐注入清水和/或盐水，其顶部设置有所述的导轨，用于所述的拖车在所述的导轨上往复运动；
所述的拖车的下方吊挂可上下调节高度和水平度的，伸入所述的拖曳式水槽中的所述的模型；
所述的控制台用于控制所述的拖车的运动和所述的清水罐、盐水罐的进液、搅拌、输送；
所述的泵用于向所述的拖曳式水槽中注入示踪物或示踪粒子，并进行流量控制；
所述的激光发生***用于产生激光照射到所述的模型上；
所述的测量数据管理***用于控制所述的相机获取模拟过程的实时图像，并进行数据储存、处理、管理与显示。
本发明的有益效果在于，利用本发明的拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，能够根据物理模拟的相似准则，利用拖曳式水槽准确模拟大气污染物的扩散，并对模拟污染物的扩散进行准确速度与浓度定量。本发明的方法能够应用于核电厂厂址区域大气扩散情况的预测与评价，并对污染物流体力学的机理进行研究。
本发明的有益效果具体体现在：
(1)方法采用大型拖曳式水槽作为模拟实验主体，操作方便，可视化强，全程自动化；各类设施运行流畅，安全可靠，节约能源，经济成本低廉，无附加环境效应。
(2)方法使用灵活，可以针对不同的模拟区域范围按比例设计制作模型，并能够在实验过程中一键操作更换不同污染源位置或同时控制多个污染源。
(3)对模拟工况的控制操作准确方便，对风速及排放速度的控制一键输入完成即可自动得到，并由此实现控制模拟污染物释放的有效源高(有效源高即烟囱的实际高度加上烟气的抬升高度的高度之和)。
(4)能够模拟多种大气条件，如中性大气条件、稳定层结大气条件、高架逆温大气条件等。
(5)测量过程中使用激光粒子图像测速法进行速度场测量，使用平面激光诱导荧光法进行浓度场测量。激光粒子图像测速法对流场无干扰，具备单点测量技术的精度和分辨率，能够在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息。平面激光诱导荧光法具有不干扰流场、定量获取瞬时全场浓度信息、捕捉微小湍流结构、可视化显示流场内部结构的优势。
(6)经改良的浓度场测量方法可以有效避免测量***带来的片光不均匀分布问题，并通过一系列图像后处理的方式准确表达各种实验现象；同时根据大气扩散研究的特点，合理增大了浓度测量范围及浓度场测量面积。
附图说明
图1为示例性的实施本发明的拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法的模拟***的组成图。
图2为图1中光路***10的组成、原理图。激光器9的出射光先后经过反光镜21、凸透镜22、棱镜23构成的光路***10，形成片光输出。即激光器9的出射光由反光镜21反射进入下方凸透镜22聚焦，然后进入棱镜23生成片光。
图3为示例性的本发明的拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
(一)包括拖曳式水槽的模拟***
示例性的实施本发明的拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法的模拟***的组成如图1所示，包括拖曳式水槽1、清水罐2、盐水罐3、导轨4、拖车5、模型、底板6、变频电机、履带、控制台7、双通道注射泵8、激光器9、光路***10、高速相机12、数据线13、同步器14、计算机15、连接管线16。
长方体形的拖曳式水槽1顶部敞开，四侧壁为三层8毫米厚钢化玻璃，底部为两层12毫米厚钢化玻璃，长21.6米，宽1.2米，高1.2米。拖曳式水槽1可以承受槽体内水的压力而不变形、***漏。通过与清水罐2、盐水罐3连接的连接管线16，可向拖曳式水槽1中通入清水或盐水(例如，利用液位差可使清水罐2中的水通过连接管线16进入拖曳式水槽1；而盐水罐3中的水可均匀补入清水罐2，使得拖曳式水槽1中的水可形成均匀稳定的密度层)。
拖曳式水槽1的顶部沿长度方向的两条棱上各安装一条导轨4(两条导轨4平行)，两条导轨4上支撑一个能沿导轨4往复运动的拖车5，拖车的5下方吊挂可上下调节高度和水平度的底板6(底板6长284-285mm。宽80-82mm，厚18-20mm)。拖车5由变频电机(图中未示出)提供动力，通过履带(图中未示出)传动带动沿导轨4往复运动。
控制台7由电脑控制拖车5的起停及运动的速度与方向，并控制清水罐2、盐水罐3的进液、搅拌、输送等功能。其中拖车5运动的最低速度控制为3.0-3.2mm/s，最高速度控制为220.0-222.0mm/s。当拖车5以不同速度运动时，拖车5下挂的模型与拖曳式水槽1中的水产生相对运动，即可模拟不同的风速。
实验所用模型按实验目的进行选择并安装在底板6上，方便更换模型。
利用双通道注射泵8向拖曳式水槽1中注入示踪物(示踪粒子)，并进行流量控制。双通道注射泵8由步进电机推动丝杆，连接一次性注射器，将圆周运动转化为直线运动。双通道注射泵8使用50ml注射器，单通道运行时最大流量1500ml/h；双通道同时运行时流量翻倍，误差≤5％。双通道注射泵8注射液体时可产生最大压力160kPa。双通道注射泵8的排放口连接三通装置可以变换不同位置的排放源或同时接多个排放源排放。
激光器9使用功率为5w的连续激光器，激光波长为532nm。如图2所示，激光从激光器9发射后经过光路***10产生35cm宽(按激光到达模型的底板6时考虑)的不均匀片光。激光器9架设在拖车5顶部，距模型的底板6为1.4m，使用铝合金型材固定，可以沿水平面自由移动。
高速相机12使用2500*1600分辨率的高频工业相机，可以以非常高的速度获得全帧分辨率的单帧双帧。高速相机12使用CMOS感光元件，最高拍照频率达1000赫兹，在拍摄高速高频运动的物体时表现出色。高速相机12镜头为nikon50mm定焦镜头，拍摄相对静止的画面表现出色，能够大幅度虚化背景。高速相机12安装在拖车5侧面，镜头朝向与拖曳式水槽1侧壁面垂直。高速相机12同样使用铝合金型材固定，可沿拖曳式水槽1侧壁面的垂直方向移动。
测量数据管理***包括依次与高速相机12连接的数据线13、同步器14、计算机15，用于图片采集和分析。测量数据管理***可以按照所需的参数进行设置，并且可以根据用户的需求对数据进行获取、预览或储存。测量数据管理***对已经采集并且保存的数据可以采用全面的数据处理方法来分析。采集硬件用于控制高速相机12和照明***，硬件同步和数据采集、传递通过采集***被安装在同一台计算机上。该***支持多种不同的相机并且可以配置一个或多个相机(通常使用相同类型的多个相机)。通过同步器14为所有的相机、光源产生触发脉冲。
(二)定量测量实验
利用上述示例性的模拟***进行示例性的本发明的拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法的流程如图3所示，包括如下步骤。该方法在进行模拟污染物速度场数据测量时，选择的示踪粒子为高聚物聚苯乙烯；在进行模拟污染物浓度场数据测量时，选择的示踪物为罗丹明6G。1、选择模拟研究厂址
根据研究对象确定拟模拟的研究厂址区域。收集该厂址区域的有关地形资料与气象资料。其中，收集的等高线地图、主要建筑物及污染源详情、气载污染物排放率资料供制作模型使用；收集的混合层高度、主要风向风速资料用于设置实验条件(包括模拟风速、模拟排放速度、模拟大气条件)。2、实验条件的确定
实验条件主要包括模型尺寸、比例，模拟风速，模拟排放速度，模拟大气条件。
模型制作应保证主要研究范围按比例缩小后能够完全被激光所照射的范围40cm覆盖。
模拟风速由所处的大气条件和所研究厂区上空主要风速联合决定，根据拖曳式水槽1实用相似准则(即当模拟工况与原型的几何相似、运动相似、动力相似时，则两者的流体力学现象相似)中Fr数计算出与真实大气风速所对应的实际拖车5的风速。
模拟排放速度由实际厂区环境风速与气载污染物排放速度的比反推计算得到。
模拟大气条件需根据模拟对象的气象资料，计算得出水的密度，并以此配制拖曳式水槽1中不同密度的水溶液(通过调节清水罐2、盐水罐3中液体的混合比例)。根据不同大气条件的特点，中性大气模拟时使用清水；稳定层结大气模拟时使用密度随高度递减的盐水，其密度随高度递减的曲线斜率与厂区实际大气位温变化曲线斜率相等；高架逆温大气模拟时使用下层为逆温层高度按照模型缩比缩小所得高度的均一密度的盐水，上层为清水。
3、实验开展与测量
将上述已配制好的清水或盐水溶液充满拖曳式水槽1。将模拟风速与模拟排放速度输入控制台7，然后启动拖车5进行实验，同时开始进行测量，待测量完成后停止拖车5。速度场测量与浓度场测量可以同时或分开进行。
(1)测量尺度与方向的标定
在进行测量之前，应对高速相机12图像尺寸所对应的模型尺寸建立标定关系，指定图像中模型的真实尺寸，并规定运动方向的正负号，这一设定将一直用于全部的实验测量。此外还应调整激光、对焦，确保激光照射面、待测面、相机观察面三个平面重合。
(2)速度场测量
激光粒子图像测速是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接测量流场的瞬态速度分布，即v＝Δd/Δt。
在拖车5启动前预先开启双通道注射泵8在拖曳式水槽1的清水或盐水溶液中均匀播撒示踪粒子。测量时，高速相机12镜头前加装绿色带通滤光片，待流场趋于稳定后，通过高速相机12拍摄流场流动过程，测量时间可以设置。测量完成后得到若干张图像，前后两帧粒子图像经保存成为互相关图像。处理图像数据的互相关算法采用快速傅立叶变换(FFT)实现，使用亚像素技术确定相关后峰值位置，此算法的误差量级为0.1个像素，若考虑***噪声，实验整体误差约为0.2个像素。实验中通过调整帧频，保证每2帧图像间粒子位移最小为6-8个像素。
(3)速度场数据输出
速度场经自适应互相关算法程序(来自丹迪公司的DynamicStudio软件)计算后可直接得到矢量图导出，也可通过数据的形式导出，数据内容包括每个点u、v两个矢量以及两者合成表示速度大小的标量。
(4)浓度与荧光强度的标定
平面激光诱导荧光法的测量原理是选定的荧光物质在激光的激发下吸收特征频率的光子，由基态跃迁至第一或第二激发态中各个不同振动能级和转动能级，处于激发态的分子不稳定，返回基态时发生荧光，这个过程的时间很短。由于低浓度时荧光强度与浓度成一定关系，因此，可以通过检测荧光强度达到测量浓度的目的。又因为激发和发射之间存在着一定的能量损失，使荧光光谱中存在着斯托克斯位移，即荧光的波长总是大于激发光的波长。利用这一点可以用截止滤光片将激发光和荧光分离，只检测荧光强度，提高测量精度。
荧光光强与浓度存在一定关系，而一些决定因素在实验室中无法准确测量，这时就需要得到荧光强度与浓度之间的转化关系，而图像的灰度值直接反映了荧光强度，所以需针对多组不同已知浓度的罗丹明6G溶液依次使用平面激光诱导荧光技术进行灰度值的测量，进行拟合得到标定函数，建立灰度值与浓度之间的标定关系。
(5)浓度场测量
在测量前首先应标定高速相机12，使高速相机12在无光时得到的像素值严格为0。测量时选择橙色滤光镜作为截止滤光片，并且需保证在黑暗无光的环境下进行，以防止外界光源对荧光的干扰。
在拖车5运动及测量的同时打开双通道注射泵8，测量用曝光时间应与标定浓度与荧光强度关系时的曝光时间相同。在示踪剂分布趋于稳定分布后开始测量，测量时间可以设置。测量完成后关闭拖车5与双通道注射泵8，存储已经测量好的图像供下一步处理。
(6)浓度场的修正
不均匀片光带来的误差，激光光源发射出的光束为高斯光束，在经过偏光发生器后产生不均匀的片光，该片光的特性为沿光路方向光强强，激发出的荧光光强也随之增强；偏离光路方向发散的光强弱，激发出的荧光光强也随之减弱。这将导致同一工况下不同位置的光强不等，难以建立不同位置处浓度的相互关系。
修正首先要得到片光的不均匀分布场。使用超白玻璃制做尺寸为45cm*30cm*26cm液池，这样完全可以覆盖测量范围。除待观测面外其余各面均涂黑，以减少折射、反射造成的影响。液池内装满均一浓度为20μg/L的罗丹明6G溶液，以减少对光的吸收作用。使用不平衡的片光照射液池，通过图像得到液池内的灰度分布，这一分布等同于激光激发荧光的分布。
当测量实验工况下浓度场后，便可利用上述灰度分布，通过图像平衡程序计算原始数据，达到修正的目的。
(7)图像的降噪
高速相机12的感光元件并非常用的CCD元件，而是背景噪声较大且随机变化的CMOS元件，这一部分噪声来自于电源电压不稳定、环境空气静电、相机发热等多重因素。在得到经光强修正的图像后使用低通过滤波中的最小值降噪程序(非线性滤波的一种，来自丹迪公司的DynamicStudio软件)对图像进行降噪。
(8)浓度场数据输出
在经过一系列处理后的图像实际上是浓度场像素的灰度值，再由标定程序得到每一点所对应的浓度值，并可以数据形式导出。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (10)
1.拖曳式水槽中气载污染物流动与扩散的定量测量实验方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤，
(1)模拟对象选择：根据研究对象确定包括拖曳式水槽的模拟***的模拟研究区域，收集模拟研究区域的相关资料；
(2)模拟实验条件确定：确定包括拖曳式水槽的模拟***的模拟实验条件，包括模型尺寸与比例、模拟风速、模拟排放速度、模拟大气条件；
(3)实验测量：利用包括拖曳式水槽的模拟***进行模拟污染物速度场与浓度场的数据测量与输出。
2.根据权利要求1所述的定量测量实验方法，其特征在于：步骤(1)中所述的相关资料包括地形资料与气象资料。
3.根据权利要求2所述的定量测量实验方法，其特征在于：所述的气象资料包括气载污染物排放率、混合层高度、风向风速。
4.根据权利要求1所述的定量测量实验方法，其特征在于：步骤(3)中采用激光粒子图像测速法进行模拟污染物速度场数据测量。
5.根据权利要求4所述的定量测量实验方法，其特征在于：所述的模拟污染物速度场数据测量时，选择的示踪粒子为高聚物聚苯乙烯。
6.根据权利要求4所述的定量测量实验方法，其特征在于：步骤(3)中模拟污染物速度场数据输出时，经自适应互相关算法程序计算后直接得到矢量图导出或以数据的形式直接导出。
7.根据权利要求1所述的定量测量实验方法，其特征在于：步骤(3)中采用平面激光诱导荧光法进行模拟污染物浓度场数据测量。
8.根据权利要求7所述的定量测量实验方法，其特征在于：所述的模拟污染物浓度场数据测量时，选择的示踪物为罗丹明6G。
9.根据权利要求7所述的定量测量实验方法，其特征在于：步骤(3)中浓度场的数据测量后，经过修正与图像降噪，再进行数据输出。
10.根据权利要求9所述的定量测量实验方法，其特征在于：所述的图像降噪是对经过光修正的图像使用均值滤波中的最小值程序进行降噪。
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