CN113702270A - 一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构 - Google Patents
一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113702270A CN113702270A CN202111279225.1A CN202111279225A CN113702270A CN 113702270 A CN113702270 A CN 113702270A CN 202111279225 A CN202111279225 A CN 202111279225A CN 113702270 A CN113702270 A CN 113702270A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aerosol
- sheath
- section
- flow
- sheath gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 22
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 28
- 230000008602 contraction Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 240000004282 Grewia occidentalis Species 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 47
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009652 hydrodynamic focusing Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
- G01N15/1404—Handling flow, e.g. hydrodynamic focusing
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Measuring Cells (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构，包括入口、收缩段、喉口段、扩散段、出口和光学检测区；所述入口用于输入气溶胶气流，所述收缩段用于加速气溶胶气流并且可使流体内压力降低；所述喉口段在收缩段后方，所述喉口段长度方向中部外侧环绕一周均匀布置3个以上鞘气入口通道用于输入鞘气，所述鞘气入口通道与喉口段内径圆周相切；所述扩散段可使流体流速降低同时增加流体内压力；所述出口用于输出包含气溶胶和鞘气的稳定鞘流进入光学检测区，所述光学检测区为光学观察区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用文丘里效应将气溶胶形成稳定鞘流并对其检测的鞘流检测结构。
背景技术
鞘流是一种利用鞘气（或鞘液）包裹待测粒子以层流为流动形式的流动状态，其中待测粒子被鞘气（或鞘液）限制在中间区域流动。其主要作用是限制待测粒子的流动行为，约束其以单颗粒的方式流过检测通道，减少粒子之间的重叠混杂，在粒子流经检测通道的过程中，可以对粒子进行多种技术的检测工作，鞘流的流动形式能够极大的提高检测过程的精度，并且能够避免过高浓度的粒子堵塞通道。例如常见的流式细胞仪，其鞘流池结构可以使鞘液以层流流动，然后细胞再以稍高的压力注入流的中心，流体动力聚焦原理使细胞在鞘液的保护下在流动方向上排列成一条直线得以单个细胞逐个流过检测器件。再例如尘埃粒子计数器，也是通过鞘流结构将高浓度的尘埃粒子在鞘气保护的形式下，以较低浓度的层流流过仪器检测部件从而精确计数尘埃粒子。目前绝大多数的鞘流检测器件及结构都是针对液相流体的，并且现有鞘流结构单一，基本全都是依靠流量控制形成鞘流，而针对气溶胶的检测多以群粒子探测宏观属性为主。本发明针对这一现状，提供了一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构，实现对气溶胶的单颗粒级精准流动控制和检测。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构。
本发明采用的技术方案是：一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构，所述气溶胶鞘流检测结构包括入口、收缩段、喉口段、扩散段、出口和光学检测区；所述入口用于输入气溶胶气流，所述收缩段用于加速气溶胶气流并且可使流体内压力降低；所述喉口段在收缩段后方，所述喉口段长度方向中部外侧环绕一周均匀布置3个以上鞘气入口通道用于输入鞘气，所述鞘气入口通道与喉口段内径圆周相切；所述扩散段可使流体流速降低同时增加流体内压力；所述出口用于输出包含气溶胶和鞘气的稳定鞘流进入光学检测区，所述光学检测区为光学观察区域。
所述鞘气入口通道数量为4个。
所述收缩段张角为21°±2°，扩散段张角为14°±2°，喉口段长度与喉口段直径相同。
所述4个鞘气入口通道与文丘里鞘流结构主轴线夹角均为45°~60°，所述鞘气入口通道内壁与喉口段管道内径圆周均相切并且互相间隔90°均匀分布，表现为四角切圆结构，以保证鞘气进入喉口段时具有一定的切向流速，由于离心作用可做圆周运动贴壁流动。
所述气溶胶鞘流检测结构气溶胶气流流量与鞘气气流流量之比为0.8~1。
所述气溶胶鞘流检测结构材质为不锈钢，其中光学检测区材质为高透光率的石英玻璃或有机玻璃。
所述气溶胶鞘流检测结构入口及出口内径为1mm-2mm，鞘气入口通道内径为1mm-2mm，收缩段长度为2.7倍的入口段内径，喉口段内径与入口内径之比为0.5-0.75，喉口段长度与喉口段内径相同，扩散段长度为4倍的入口段内径。
本发明的有益效果是：本发明的鞘气进气方式采用文丘里效应由样气流经文丘里结构喉口所产生的负压吸入，而且鞘气通过切线角度进入形成旋流，依靠离心作用能够迅速贴壁流动对样气形成包裹，经过扩散段后，旋流效果消散，鞘气在外、样气在内形成层流，保护样气中气溶胶颗粒逐个通过光学检测区。相比于传统仅通过流量及分层结构控制形成鞘流的方式，本发明利用文丘里效应这一种流体动力学特点能够适应更广的流速范围形成稳定鞘流，减少鞘气和样气的重叠混杂，同时取消了传统鞘流结构中复杂的分层结构式管路，大大降低加工难度。
附图说明
附图1为本发明实施例的剖面结构示意图；
附图2为本发明实施例的扩散段和收缩段张角以及鞘气入口与住轴线夹角示意图；
附图3为本发明实施例鞘气入口与喉口段形成的四角切圆结构布置横向剖面图；
附图4为本发明实施例四角切圆方式鞘气流动流线图；
附图5为本发明实施例中鞘气包裹气溶胶形成稳定鞘流的流动示意图；
附图6为本发明实施例中当流体流过标准文丘里管时从入口到出口轴线上的压力分布曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，本发明一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构，主要包括入口1、收缩段2、鞘气入口通道3、喉口段4、扩散段5、光学检测区6和出口7。
如图2、图3所示，4个鞘气入口通道3通道与鞘流结构主轴线成60°夹角，在喉口段4长度方向中部外侧环绕一周均匀布置圆周阵列分布，每个之间相隔90°，以保证充足的鞘气进气量，鞘气入口通道3内壁与喉口段4内径圆周相切，切点处鞘气入口通道3内壁于经过喉口段4圆心8的直径呈直角，形成四角切圆的结构布置，通过该结构，鞘气均匀且快速的被文丘里效应吸附进入喉口段4后由于具有切向速度，离心作用能够促使其形成旋流贴壁流动，流动效果如附图4所示。鞘气倾斜进入喉口段4与气溶胶气流交汇，可最小限度的限制交汇时产生的紊流。
其中收缩段2、喉口段4和扩散段5符合标准文丘里管（符合国标GB/T2524.4）尺寸规范，当流体流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比，而由伯努利定律知流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的文丘里效应。这种效应在高速流动的文丘里喉口流体附近产生低压，从而产生吸附作用。而经过文丘里喉口后，流体进入扩散段，流速降低但流体压力逐渐回升。流体经过文丘里管段的压力分布见附图4。
形成稳定鞘流的整体流程如下：气溶胶气流通过入口1通道进入鞘流结构，首先经过收缩段2流体进行加速，然后流动至喉口段4，根据文丘里效应，当气溶胶气流流过喉口4位置，气流经过收缩段2加速后静压降低，形成的吸附效应可以将喉口处的鞘气入口通道3内鞘气吸入喉口段4管道，由于鞘气入口通道3是以四角切圆的结构布置，鞘气入口通道3通道与喉口内径圆周相切，故鞘气进入喉口段4时带有一定的切向速度可形成旋流（如附图4所示），切向速度促使鞘气做圆周运动，圆周运动所具有的离心作用可以使鞘气附着在管壁内侧形成旋流包裹着气溶胶共同进入扩散段5，同时随着流动距离增长，旋流效应逐渐消散，并且流体流速逐渐降低但流体压力回升（见附图4），此时靠流体内压力可将鞘气约束在管道内壁层，而气溶胶气流则保持在管道中央流动，整体平稳流动，确保气溶胶颗粒逐个通过光学检测区6，气溶胶颗粒能够按顺序排列逐个通过光学聚焦检测，如附图5所示，之后再从出口7流出，进入后续处理环节。
由于喉口段4低压区对鞘气会产生吸附作用，为平衡气流，气溶胶流量与鞘气流量之比应该控制在1~0.8的范围内，以确保整体流动能够符合层流雷诺数的条件。
使用该鞘流结构时，应提前通入足量的纯净空气或氮气吹扫整个管路及光学探测腔中颗粒物残留，之后保持鞘流结构前后的管路、光学探测腔的密闭，关键管路通常无堵塞。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构，其特征在于：所述气溶胶鞘流检测结构包括入口、收缩段、喉口段、扩散段、出口和光学检测区；所述入口用于输入气溶胶气流，所述收缩段用于加速气溶胶气流并且可使流体内压力降低；所述喉口段在收缩段后方，所述喉口段长度方向中部外侧环绕一周均匀布置3个以上鞘气入口通道用于输入鞘气，所述鞘气入口通道与喉口段内径圆周相切；所述扩散段可使流体流速降低同时增加流体内压力；所述出口用于输出包含气溶胶和鞘气的稳定鞘流进入光学检测区，所述光学检测区为光学观察区域。
2.如权利要求1所述的气溶胶鞘流检测结构，其特征在于：所述鞘气入口通道数量为4个。
3.如权利要求2所述的气溶胶鞘流检测结构，其特征在于：所述收缩段张角为21°±3°，扩散段张角为14°±3°，喉口段长度与喉口段直径相同。
4.如权利要求2所述的气溶胶鞘流检测结构，其特征在于：所述4个鞘气入口通道与文丘里鞘流结构主轴线夹角均为45°~60°，所述鞘气入口通道内壁与喉口段管道内径圆周均相切并且互相间隔90°均匀分布，表现为四角切圆结构，以保证鞘气进入喉口段时具有一定的切向流速，由于离心作用可做圆周运动贴壁流动。
5.如权利要求2所述的气溶胶鞘流检测结构，其特征在于：所述气溶胶鞘流检测结构气溶胶气流流量与鞘气气流流量之比为0.8~1。
6.如权利要求2所述的气溶胶鞘流检测结构，其特征在于：所述气溶胶鞘流检测结构材质为不锈钢，其中光学检测区材质为高透光率的石英玻璃或有机玻璃。
7.如权利要求2所述的气溶胶鞘流检测结构，其特征在于：所述气溶胶鞘流检测结构入口及出口内径为1mm-2mm，鞘气入口通道内径为1mm-2mm，收缩段长度为2.7倍的入口段内径，喉口段内径与入口内径之比为0.5-0.75，喉口段长度与喉口段内径相同，扩散段长度为4倍的入口段内径。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111279225.1A CN113702270A (zh) | 2021-11-01 | 2021-11-01 | 一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111279225.1A CN113702270A (zh) | 2021-11-01 | 2021-11-01 | 一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113702270A true CN113702270A (zh) | 2021-11-26 |
Family
ID=78647562
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111279225.1A Pending CN113702270A (zh) | 2021-11-01 | 2021-11-01 | 一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113702270A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113720744A (zh) * | 2021-11-04 | 2021-11-30 | 碧兴物联科技(深圳)股份有限公司 | 一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法 |
| CN114486642A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-13 | 中船重工安谱（湖北）仪器有限公司 | 一种生物气溶胶分析仪气路*** |
| CN117388351A (zh) * | 2023-11-03 | 2024-01-12 | 中国地质大学（武汉） | 一种激光剥蚀***中气溶胶提取装置及方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1405443A (zh) * | 2001-06-05 | 2003-03-26 | 奥尔塞特工程有限公司 | 流体流的混合 |
| US20050173336A1 (en) * | 2001-06-12 | 2005-08-11 | Johnny Arnaud | Methods and apparatus for enhancing venturi suction in eductor mixers |
| US20090208372A1 (en) * | 2005-06-09 | 2009-08-20 | The Government Of The Us, As Represented By The Secretary Of The Navy | Sheath flow device and method |
| CN102564926A (zh) * | 2010-12-13 | 2012-07-11 | 日本光电工业株式会社 | 血液测量装置 |
| US20120196314A1 (en) * | 2007-09-10 | 2012-08-02 | The Penn State Research Foundation | Three-dimensional (3d) hydrodynamic focusing using a microfluidic device |
| CN104046565A (zh) * | 2013-03-13 | 2014-09-17 | 索尼公司 | 流路设备、粒子分选装置、粒子流出方法和粒子分选方法 |
| CN204882322U (zh) * | 2015-08-31 | 2015-12-16 | 武汉科技大学 | 一种流式细胞仪流动室 |
-
2021
- 2021-11-01 CN CN202111279225.1A patent/CN113702270A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1405443A (zh) * | 2001-06-05 | 2003-03-26 | 奥尔塞特工程有限公司 | 流体流的混合 |
| US20050173336A1 (en) * | 2001-06-12 | 2005-08-11 | Johnny Arnaud | Methods and apparatus for enhancing venturi suction in eductor mixers |
| US20090208372A1 (en) * | 2005-06-09 | 2009-08-20 | The Government Of The Us, As Represented By The Secretary Of The Navy | Sheath flow device and method |
| US20120196314A1 (en) * | 2007-09-10 | 2012-08-02 | The Penn State Research Foundation | Three-dimensional (3d) hydrodynamic focusing using a microfluidic device |
| CN102564926A (zh) * | 2010-12-13 | 2012-07-11 | 日本光电工业株式会社 | 血液测量装置 |
| CN104046565A (zh) * | 2013-03-13 | 2014-09-17 | 索尼公司 | 流路设备、粒子分选装置、粒子流出方法和粒子分选方法 |
| CN204882322U (zh) * | 2015-08-31 | 2015-12-16 | 武汉科技大学 | 一种流式细胞仪流动室 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 《运输机械设计选用手册》编辑委员会 编: "《运输机械设计选用手册 上册》", 31 January 1999, 化学工业出版社 * |
| 刘丹丹 等: "基于气固两相流的粉尘质量浓度测量装置优化", 《煤炭学报》 * |
| 刘丹丹 等: "基于静电感应的小粒径粉尘浓度测量装置优化研究", 《煤炭科学技术》 * |
| 葛慧青 等主编: "《高流量氧疗实用手册》", 31 December 2018, 辽宁科学技术出版社 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113720744A (zh) * | 2021-11-04 | 2021-11-30 | 碧兴物联科技(深圳)股份有限公司 | 一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法 |
| CN113720744B (zh) * | 2021-11-04 | 2022-01-25 | 碧兴物联科技(深圳)股份有限公司 | 一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法 |
| CN114486642A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-13 | 中船重工安谱（湖北）仪器有限公司 | 一种生物气溶胶分析仪气路*** |
| CN117388351A (zh) * | 2023-11-03 | 2024-01-12 | 中国地质大学（武汉） | 一种激光剥蚀***中气溶胶提取装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113702270A (zh) | 一种基于文丘里效应的气溶胶鞘流检测结构 | |
| CN101900588B (zh) | 包括锥形流动通路的流量传感设备 | |
| Senoo et al. | Influence of inlet flow conditions and geometries of centrifugal vaneless diffusers on critical flow angle for reverse flow | |
| CN204649518U (zh) | 一种动态气溶胶稀释器 | |
| CN102016517B (zh) | 具有管壁通道的调节孔板 | |
| RU2589267C2 (ru) | Вспомогательное устройство для расходомеров | |
| CN106704047B (zh) | Egr文丘里管 | |
| JPH0445100B2 (zh) | ||
| CN108844673A (zh) | 一种整流型文丘里管压差测量装置 | |
| CN203824756U (zh) | 一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器 | |
| CN116952312A (zh) | 一种高承压式气体涡轮流量计 | |
| CN106802169A (zh) | 一种多文丘里孔平衡流量计 | |
| CN107167194A (zh) | 一种气体管道整流器 | |
| CN209102472U (zh) | 大流量可多级组装的pm2.5等速采样装置 | |
| Parpanchi et al. | Experimental investigation of a diffuser for use in skydiving vertical wind tunnel | |
| CN115950493A (zh) | 一种适用于亚声速流道的流量测试***及测试方法 | |
| Wong et al. | The effect of initial conditions on the exit flow from a fluidic precessing jet nozzle | |
| KR20130044434A (ko) | 입자 및 가스시료 샘플링용 쉬라우드 노즐과 노즐 고정 장치 | |
| JPH05223109A (ja) | 整流ダクト | |
| Chen et al. | Performance evaluation and analysis of a new flow conditioner based on CFD | |
| CN107806913A (zh) | 输气管道用多喷嘴式流量测量器 | |
| CN113720750A (zh) | 一种光学颗粒计数器 | |
| Cloos et al. | A second turbulent regime when a fully developed axial turbulent flow enters a rotating pipe | |
| CN207650103U (zh) | 基于激光分析仪的检测内管 | |
| CN217180589U (zh) | 高压环境下多组份气体检测装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211126 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |