風洞內氣象要素對濕空氣含鹽濃度的影響規律

黃 明，李 瓊，孟慶林

（華南理工大學建筑節能研究中心，廣州 510640）

0 引言

我國南海地區具有顯著的高溫、高濕、強輻射、高風速、高鹽霧的熱帶海洋氣候特點［1-3］，與內陸地區的氣候有著極大的區別。徐云飛等［2］利用DeST軟件模擬比較了典型居住建筑和辦公建筑在陸地站點和南海島嶼站點的能耗差異，發現南海島嶼建筑能耗均明顯高于陸地。為研究南海島嶼建筑圍護結構在熱、濕、鹽多強場耦合作用下的熱工問題，迫切需要一個能夠營造南海島嶼實際大氣環境的風洞。

Liao等［4］開發了一個填料蒸發冷卻風洞系統，該風洞較簡單，控制參數為溫度和相對濕度，控制方式為穩態，無法模擬現實中的氣象條件；尾崎明仁［5］建立了一個建筑表面蒸發冷卻風洞，該風洞較為成熟，控制參數為溫度、相對濕度、風速和太陽輻射，可準確模擬現實中的氣象條件，但控制方式仍為穩態；華南理工大學熱濕氣候風洞試驗臺［6］最為成熟，通過對太陽輻射、空氣溫度、相對濕度和風速的動態控制，可以準確地模擬室外動態氣候條件。經過多年的調試與改進，風洞已經能夠實現對室外氣象參數小時間步長的周期性控制。然而，上述風洞均未考慮鹽霧環境的營造問題，不能準確地營造海洋大氣環境。

海水日夜不停地激烈擾動，引起海浪相互撞擊及海浪對海岸礁石的拍擊，產生大量泡沫，泡沫向海面升騰、破裂，又被氣流撕成細小液滴，隨氣流升入空中經過裂解、蒸發、混雜等復雜的演變過程而成為彌散系統，形成大氣鹽核［7］。鹽霧濃度主要受海面上方的大氣蒸發程度和擴散因素（溫度、相對濕度、風以及風向）等影響［8-12］。宋金明等［8］對青島近海岸大氣中的鹽分濃度及氣象條件進行相關性分析，發現：在0～17.5℃氣溫段，隨溫度升高，大氣鹽分有降低的趨勢；在18～27℃氣溫段，大氣含鹽量變化幅度相對較大，呈現出不穩定的狀態；大氣鹽分隨空氣相對濕度的增加而增加。文獻［10-12］中提出了風速與鹽霧粒子濃度的公式，均認為海洋大氣環境的鹽霧濃度隨著風速的增大而升高。然而，自然環境下海洋鹽霧濃度變化與風洞中人工營造的鹽霧環境有較大差別。本文基于熱濕氣侯風洞試驗臺，研究風洞內氣象要素（溫度、相對濕度、風速）對其內濕空氣含鹽濃度的影響。

1 實驗原理

1.1 熱濕氣候風洞試驗臺

華南理工大學熱濕氣候風洞性能指標如表1所示，構造示意圖如圖1所示。

表1 熱濕氣候風洞性能指標

圖1 熱濕氣候風洞構造示意圖

1.2 鹽溶液霧化裝置與含鹽濕空氣采集裝置

含鹽濕空氣氛圍的營造關鍵在于鹽霧的生成方法。常用的鹽霧生成方法大致可分為［13］：①通過高速旋轉的扇葉拍打鹽液面產生鹽霧；②氣壓噴射法；③霧化法，該法是借用超聲霧化原理將鹽液直接霧化成鹽霧并通過擴散進入試驗區，這一方法具有霧化效率高、液滴直徑小、擴散行程長，不易沉降的優點。本研究鹽溶液霧化裝置采用超聲波霧化器，儀器擺放位置為風洞試驗段起始處，放置高度約為0.8 m（距地面），如圖2所示。

濕空氣含鹽濃度又稱鹽霧含量或大氣含鹽量，是指單位體積空氣中所含海鹽質量，單位為mg／m3。對于目前主流的大氣顆粒物濃度測定方法，大致可以分為兩類：溶液富集法和顆粒物采集法。在海洋大氣航測中，標準［14］規定采集海洋大氣懸浮顆粒物使用顆粒物采集法，現有研究也普遍采用這一方法［15-16］。顆粒物采集法通過撞擊式采樣器對大氣懸浮顆粒物進行采集，對采樣器上的濾膜進行成分分析，計算顆粒物濃度。本研究采用顆粒物采集法，采集儀器為“嶗應”2030型中流量智能TSP大氣采樣儀，濾膜材質為玻璃纖維，擺放位置為風洞實驗段尾端，采集高度約為1.2 m（距地面），如圖3所示。

圖2 鹽霧生成裝置實物圖

圖3 含鹽濕空氣采集裝置實物圖

本實驗采用的超聲霧化器是普通家用加濕器，噴霧速率分別設置為45 mg／s（2.7 g／min）、20 mg／s（1.2 g／min）；使用島津（SHIMADZU）分析天平（量程320 g，分度值0.1 mg）對空氣采樣前后的玻璃纖維濾膜進行稱重。

實驗采用氯化鈉分析純和純凈水配制0.9%的鹽溶液，所用儀器及試劑：天平為島津（SHIMADZUUX6200H）分析天平，最大為6 200 g，最小為0.5 g，d＝0.01 g，燒杯為好奇GG-17 2 L 普通燒杯，氯化鈉試劑為潤捷化學（Richjoint）氯化鈉分析純，500 g，NaCl含量≥99.5%，水為某品牌4.5 L桶裝純凈水。

實驗中濕空氣含鹽濃度的計算公式：

其中：濕空氣含鹽濃度值為某時間段內濕空氣含鹽濃度平均值（mg／m3）；m2為采集后經烘干處理后的空氣濾膜重量，g；m1為采集前經烘干處理的空氣濾膜重量，g；V采集空氣為一定時間內采集到的空氣體積，本研究設置采集時間為15 min，采集流量為100 L／min，即V采集空氣＝1.5 m3。

1.3 實驗方案

實驗包括5組不同溫度的工況、5組不同相對濕度的工況以及5組不同風速的工況，如表2所示。每組實驗做兩輪，每組工況的時長為9.5 h。

表2 實驗工況設置

實驗操作：

（1）配制足量的0.9%鹽溶液，保證在一輪實驗中所使用的鹽溶液是同一濃度，防止因鹽溶液濃度不同而出現誤差；

（2）采樣前后，玻璃纖維濾膜均放置于電熱鼓風干燥箱內烘干至恒重，烘干時間為30 min；

（3）運行風洞至實驗所需的氣象參數，在接下來的實驗過程中氣象參數保持不變，風洞穩定運行后進行兩次風洞基底空氣檢測，作為空白對照組；

（4）完成風洞基底空氣檢測后，開啟超聲霧化器，營造鹽霧氛圍。超聲霧化器工作流程為：第1階段，2.7 g／min的超聲霧化器工作55 min后關閉；第2階段，1.2 g／min的超聲霧化器開始工作，運行305 min后關閉；第3階段，關閉所有超聲霧化器后，風洞繼續運行210 min；

（5）風洞運行期間，對風洞內濕空氣進行采樣。具體做法：首先，對烘干后的玻璃纖維濾膜進行稱重，記錄初始質量；然后，濾膜放置于TSP大氣采樣儀內，采集風洞內濕空氣顆粒物，時間為15 min；第3步，取出濾膜，烘干30 min后稱重，記錄并保存濾膜前后質量差；

（6）實驗完成后，打開風洞屏蔽門，置換風洞內空氣，時間約為10 h。

2 實驗結果及分析

在對實驗結果分析過程中，發現各工況兩輪實驗數據誤差較小，曲線趨勢較為接近，因此兩輪實驗數據取均值作為數據來源。以出現的兩次極值點（采集樣本6：實驗開始后90 min，1.2 g／min 超聲霧化加濕器工作5 min；采集樣本26：實驗開始后390 min，超聲霧化器停止工作）為分界點，對應超聲霧化器的工作流程，人為地把實驗過程分為3個階段，分別為擴散階段（樣本編號3～6）、調整階段（樣本編號9～26）、沉降階段（樣本編號27～40）。

排除風洞內設備運行誤差外，可認為實驗誤差主要來源于3個方面。①人為測量誤差；②超聲波霧化加濕器的容量有限，不能同時滿足兩輪實驗中所需鹽溶液，只能通過嚴格控制鹽溶液配比來減少此誤差。③風洞內沉降的NaCl粒子在后續實驗中重新溶入濕空氣內。每組實驗開始前的風洞基底空氣鹽粒子濃度檢測均顯示風洞內濕空氣中含鹽濃度均為0，證明在風洞內附著和沉降的干燥NaCl顆粒是不會再重新溶入濕空氣。通過上述分析，可認為各組實驗數據合理可靠。

2.1 溫度對濕空氣含鹽濃度的影響規律

兩輪溫度相關性實驗各時刻點濕空氣含鹽濃度取均值后的分布曲線如圖4所示。

圖4 不同溫度工況下濕空氣含鹽濃度隨時間的變化規律

由圖4可見，在20～30℃溫度范圍內，隨著溫度的上升，熱濕氣候風洞內濕空氣含鹽濃度也隨之增大；溫度越高，其對應的濕空氣含鹽濃度極值越大。

為了更直觀地體現溫度對濕空氣含鹽濃度的影響規律，并針對不同溫度工況和不同階段，對濕空氣含鹽濃度隨時間變化曲線進行線性擬合，結果如表3所示。

表3 不同溫度工況下濕空氣含鹽濃度擬合公式

由圖4、表3可見，在20～30℃的溫度范圍內，擴散階段、調整階段、沉降階段擬合公式的斜率絕對值均隨著溫度的升高而變大，意味著隨著溫度的升高，鹽霧粒子擴散速率、沉降速率也越大。實驗采用的超聲波霧化技術產生的液滴直徑約為2～4 μm，符合布朗運動的粒徑范圍（1～10 μm），認為NaCl粒子在風洞內的運動是布朗運動。布朗運動會隨著溫度的升高而加劇，因此風洞內空氣溫度升高使得NaCl粒子的布朗運動更加劇烈，更有效快速地在風洞內擴散。當不斷有鹽霧生成時，高溫度工況的實驗組鹽霧粒子更容易擴散到采集儀處，因此高溫度工況的實驗組濕空氣含鹽濃度較大；當鹽霧停止生成時，高溫度工況的鹽霧粒子在風洞內循環時容易擴散至風洞內的死角而導致其無法繼續循環，導致沉降速率較大。

2.2 相對濕度對濕空氣含鹽濃度的影響規律

兩輪相對濕度相關性實驗各時刻點濕空氣含鹽濃度取均值后的分布曲線如圖5所示。可以發現，在65%～85%的相對濕度范圍內，隨著風洞內空氣相對濕度的加大，風洞內濕空氣含鹽濃度也隨之增大，其對應的濕空氣含鹽濃度極值越大，這一結論與宋金明［8］的研究結果相同。在溫度不變的情況下，相對濕度越高，空氣中含濕量也越大，意味著空氣中含有的水分越多，而NaCl易溶于水，空氣中水分越多，NaCl粒子就能更好地漂浮在空氣中而不容易在風洞壁面和設備上附著和沉降。

圖5 不同相對濕度工況下濕空氣含鹽濃度隨時間的變化規律

同樣地，對濕空氣含鹽濃度隨時間變化曲線進行線性擬合，結果如表4所示。從各個階段的擬合公式可以發現：在65%～85%的相對濕度范圍內，擴散階段和調整階段擬合公式的斜率絕對值普遍隨著相對濕度的升高而增大，意味著相對濕度越高，所對應工況的鹽霧擴散速率越大，但隨著相對濕度的增大，斜率的增幅逐漸減小，意味著高濕度工況下的相對濕度對濕空氣含鹽濃度的影響較小；在沉降階段，擬合公式斜率的絕對值隨著相對濕度升高而增大，說明鹽霧沉降速率與相對濕度成正相關。

表4 不同相對濕度工況下濕空氣含鹽濃度擬合公式

2.3 風速對濕空氣含鹽濃度的影響規律

兩輪風速相關性實驗各時刻點濕空氣含鹽濃度取均值后的分布曲線如圖6所示。

圖6 不同風速工況下濕空氣含鹽濃度隨時間的變化規律

由圖6可以發現，相較于溫度、相對濕度，風速對濕空氣含鹽濃度的影響要顯著得多，濃度變化幅度明顯增大；風速對濕空氣含鹽濃度的影響規律并不隨著風速單調遞增或遞減。從實驗數據看，風速較低的工況組（0.5 m／s）的濕空氣含鹽濃度整體上要比風速較高的工況組（1.0 m／s）的濃度低，原因在于0.5 m／s工況風洞內整體的風速較低，空氣流動較弱，鹽霧粒子容易積聚和沉降。

當1.0 m／s≤風速≤2.5 m／s時，風速越大，熱濕氣候風洞內的濕空氣含鹽濃度越低。這一結論與目前認為鹽霧濃度隨風速增大而升高的結論相反。在海洋大氣環境下，可以認為海洋是一個無窮無盡的鹽霧生成器，風速越大，激起海浪就越多，產生的海鹽粒子也就越多，因此風速越大，海洋大氣中的鹽霧濃度越大。而在封閉的熱濕氣候風洞里面，風速在鹽霧產生過程中不起作用，僅是影響鹽霧粒子擴散的一個因素，風速越大，鹽霧粒子擴散越均勻，使得風洞內濕空氣含鹽濃度反而下降。同樣地，對濕空氣含鹽濃度隨時間變化曲線進行線性擬合，結果如表5所示。

表5 不同風速工況下濕空氣含鹽濃度擬合公式

從表5可以看到，當風速≥1.0 m／s時，隨著風速增大，在擴散階段以及調整階段的濕空氣含鹽濃度擴散擬合公式的斜率逐漸減小，意味著風速越大，濕空氣含鹽濃度變化速度越小，濕空氣含鹽濃度越穩定，說明高風速促進鹽霧在整個風洞內部的擴散，導致鹽霧濃度的整體下降；0.5 m／s工況的低風速無法使空氣有效地流動，鹽霧積聚在入口段而無法有效擴散，導致主流風速段濕空氣含鹽濃度偏低。在沉降階段，隨著風速的增大，擬合曲線的斜率絕對值逐漸減小，意味著濃度下降的速率越來越緩慢。一是因為風洞內不同風速下的鹽霧分布均勻程度不一樣，高風速工況的鹽霧粒子分布均勻，減少了在沉降過程中的濃度擴散；而低風速工況的鹽霧粒子分布不均勻，局部之間還存在著濃度的差異，在沉降階段不僅出現鹽霧粒子的沉降，還有鹽霧粒子從主流風速區擴散至風速死角的情況。二是高風速工況下的鹽霧粒子運動劇烈，不容易發生沉降和附著。當風速為2.5 m／s時，濕空氣含鹽濃度在整個調整階段增加較小，可以猜測當風速足夠大的時候，可以保持風洞內濕空氣含鹽濃度保持在一個穩定的水平。

3 結論

海洋環境下的鹽霧環境和風洞環境下的鹽霧環境存在著較大的差異，主要是鹽霧的來源不一樣。本文基于熱濕氣候風洞實驗臺，對風洞內氣象要素和濕空氣含鹽濃度的關系進行了探索，得到了以下主要結論：

（1）氣象要素（溫度、相對濕度、風速）影響熱濕氣候風洞內濕空氣含鹽濃度。其中，風速起主導性作用，對熱濕氣候風洞內濕空氣含鹽濃度的影響要比溫度、相對濕度顯著得多；

（2）在20～30℃的溫度范圍內，熱濕氣候風洞內濕空氣含鹽濃度與溫度成正相關，溫度越高，濕空氣含鹽濃度越高，鹽霧粒子的擴散和沉降也越快；

（3）在65%～85%的相對濕度范圍內，熱濕氣候風洞內濕空氣含鹽濃度與相對濕度成正相關，隨著相對濕度的升高，熱濕氣候風洞內濕空氣含鹽濃度也隨之增大，鹽霧粒子的擴散速率和沉降速率也增大；

（4）在1.0～2.5 m／s的風速范圍內，熱濕氣候風洞內濕空氣含鹽濃度與風速大小呈負相關，隨著風速的增大，熱濕氣候風洞內濕空氣含鹽濃度、鹽霧粒子的擴散速率和沉降速率均隨之減小。

風速是影響風洞內濕空氣含鹽濃度的主要因素，這一研究結論為后續探究如何在南海島礁不同的環境工況下使風洞內的濕空氣含鹽濃度保持在穩定數值提供了較好思路。同時，本文提出的擬合公式可預測相似環境工況的濕空氣含鹽濃度值。