doi：10.16576/jki.1007-4414.2020.06.027
孙茂文
(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074)
摘要：针对实时高效检测空气中PM0.5的浓度问题，设计了一种新型亚微米惯性冲击器。在传统惯性冲击器基础上，将冲击板改为椭圆凹槽型形状，可有效的将粒子切割直径降为0.5 p m，解决了粒子逃逸问题，同时将冲击器设计为二级惯性冲击器，可有效地降低壁损失。在计算流体动力学（CFD)分析软件FLU EN T中，借助k-epsilon湍流模型模拟连续相，粒子颗粒模型（DPM)模拟离散相，模拟了惯性冲击器的颗粒轨迹，研究了惯性冲击器的分离效率和壁面损失，分析结果表明其收集效率有明显提高。 关键词：亚微米粒子分离；惯性冲击器；分离效率；壁面损失；CFD
中图分类号：TH89;X513 文献标志码：A 文章编号：1007-4414(2020)06-0101-03
Design and Performance Analysis of a New Type of Inertial Impactor
SUN Mao-wen
(School of Mechatronics and Vehicle Engineerings Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074 y China)
A bstract：A new submicron inertial impactor is designed to detect the concentration of PM0.5 in the air in real time and effi
ciently. Based on the traditional inertial impactor, the impact plate is changed into an elliptical groove shape, which can effectively reduce the particle cutting diameter to 0.5 micron, solving the problem of particle escape；Meanwhile, the impactor is designed as a two-stage inertial impactor, which can effectively reduce the wall loss. In FLUENT, the computational fluid dynamics (CFD) analysis software，the K-epsilon turbulence model is used to simulate the continuous phase, and the particle particle model (DPM) is used to simulate the discrete phase, and the particle trajectory of the inertial impellers is simulated.
The separation efficiency and wall loss of the impellers are studied. The analysis results show that the collection efficiency is significantly improved.
Key w ords：submicron particle separation；inertial impactor；separation efficiency；wall loss；CFD
分集接收技术0引言
近年来，环境污染已经成为人们关注的焦点。在 世界各大城市大气中，颗粒物（PM)已经达到较高的 水平。PM，是导致大气能见度降低和光化学污染不 可忽略的产物，而且直径小于0.5 颗粒物是对健 康造成伤害的主要原因，颗粒物可以直接进入肺泡和 血管，引发人体呼吸道疾病，并提出随着颗粒物粒径 的减小，对健康的不利影响也会增加[1]。因此，对空 气中PM a5的浓度进行实时高效检测具有极为重要的 意义。监测空气中PM浓度的关键步骤是将不同空 气动力学直径的气溶胶颗粒进行分离。惯性冲击器 是目前非常流行的气溶胶粒度表征仪器，能有效地将 亚微米级气溶胶粒子按照其空气动力学直径的不同 分离开来。
从20世纪50年代开始，国外研究者就开始对 惯性冲击器的理论及应用进行研究[2]。Lee等[3]改 变惯性冲击器冲击板的表面条件，即在冲击板上涂上 润滑油脂可以有效地减少气溶胶粒子的反弹。Mar-ja m a k i等[4]研究了冲击板的粗糙度对冲击器收集效率的影响，发现随着冲击板粗糙度的增大，惯 性冲击器的切割直径也随之减小。K i m等[5]设计了 椭圆凹形冲击板，并验证了椭圆凹槽长轴与短轴长之 比的最佳范围，以减小嘴惯性冲击器的切割直径。齐 厚博M将冲击板设计成型楔型和阶梯型，通过改变 内流道流场的流动形态，降低冲击板附近的流体速 度，从而减少粒子沉积的反弹概率，提高冲击器的收 集效率。
迄今为止，大量研究者主要考虑的是冲击板形状 和表面条件对单级惯性冲击器的影响，在国内此类的 研究也相对较少，笔者在楠圆凹槽型冲击板惯性冲击 器的基础上，设计了一种新型二级惯性冲击器，对其 内流道进行仿真分析，分析结果表明其收集效率有明 显提高，切割直径为0.5 pm，且有效的降低了壁损失。1惯性冲击器设计
1.1惯性冲击器工作原理
惯性冲击器是一种利用惯性实现将粒径不同的
收稿日期：2020-09-08
作者简介：孙茂文（1991-)，男，山东烟台人，硕士研究生，研究方向：亚微米粒子分离装置的设计及优化。
•101 •
粒子分离的装置，二级惯性冲击器的每级由加速喷嘴 和冲击板组成，如图1 ( a)所示，工作过程中，气流通 过加速喷嘴加速后冲向冲击板，此时气流流动方向会 发生改变，粒径较大的气溶胶粒子受到较大的惯性力 而与气流流动轨迹发生一定的偏离，撞击到冲击板 上，而粒径较小的气溶胶粒子由于受到的惯性力较 小，将会跟随气流继续流动，从而达到将不同粒径的 粒子分开的目的。图丨（b )为
新型二级惯性冲击器的 其中一级，将传统的平面冲击板改为椭圆凹槽型冲击 板，可以有效的减少气溶胶粒子的反弹，提高分离效 率。其中为喷嘴直径，r 为喷嘴长度，s 为喷嘴到 冲击板的距离，p 为冲击板长度，4为椭圆凹槽的长 半轴，b 为楠圆凹槽的短半轴。
图
1
传统惯性冲击器和新型惯性冲击器示意图
1.2惯性冲击器设计
基于Marple的经典惯性冲击器设计理论[7]，斯 托克斯数和雷诺数是两个描述气流中粒子行为的关 键性参数，在惯性冲击器设计中有非常重要的意义。 其中，斯托克斯数(S d )可由式（1)表示：
AQCc p ?d\
Stk
(1)
upiea式中：(> 为取样流量;&为粒子密度；为粒子空气 动力学直径;M 为流体的粘度系数;C ，为滑移修正系 数，其可由式（2)表示：
C c -,2A —1
+ -- 1.257 + 0.4exp -1.1 —I -Ay _(2)
式中:A 为气体分子的平均自由程长度。
雷诺数（办）作为表征流场流动特性的重要参 数，可由式（3)表示：
式中:P 为流体密度；K 为气流的平均速度。
惯性冲击器的切割直径为收集效率为50% 时的粒子直径，可由式（1)确定，其中是50%效 率对应的临界Stokes数。对于圆形喷嘴，5认5()的取值 范围为0.22~0.25。文中拟设计的惯性冲击器的切 割直径为0.5 p m ，根据式（1)和式（2)可知，要使切割
直径达到亚微米级，需要较小的喷嘴直径取和较大 的米样流量在此，取样流量确定为60 L/min。根据惯性冲击器理论基础和以上设计准则，可以
计算出加速喷嘴的直径阶，惯性冲击器其它关键尺寸 可根据经验由加速喷嘴的直径取得出，图2给出了
二级惯性冲击器内流道二维示意图。
2
计算流体动力学理论模型
2.1连续相控制方程
数学模型可以用来描述和控制流场中的流动态
势。对于连续项，需要求解其质量与动量守恒方程，
在笛卡尔坐标系下，流体的控制方程如下：
质量守恒方程：
.
d x J
动量守恒方程：
apu, J , dipi ^Uj )
~
d t ~ + ^
dx ,d P
士 d
(4)
dx dx ；
dx -
(5)
i
J = 1
i j 午:*，与&为笛卡儿坐标系中的坐标轴*、y 、2，其
/取1 ,2,3 ;u，与分别为速度w 沿x 轴、y 轴、z 轴 分量u
对于瑞流&
，其中h 为流体有
沾度，M 为动力粘度，A 为揣流粘度…为流体压
2.2离散相控制方程
气流中分散的气溶胶粒子需要在拉格朗日框架 下进行数值模拟，通过积分粒子力平衡方程对粒子运 动进行求解。笛卡尔坐标下离散项粒子的力平衡方 程为[8]:
“丨，
r w ——、.莒(P p -P )
T
= f D(“ - up) + —
山
P p
+ F
(6)
式中：F 为附加加速度，F ,,( u -^)为单位质量阻力，
• 102
•
为2.8 i x m 新型二级惯性冲击器总收集效率曲线和
壁面损失如图7所示，对于收集效率曲线，二级惯性 冲击器总收集效率曲线也接近理想状况下的“Z ”型
效率曲线，其切割直径为0.5 |x m ；另一方面，新型二 级惯性冲击器的壁面损失最大值仅为1.93%，实现了 超低壁面损失。
图5
新型惯性冲击器一级收集效率和壁面损失曲线
0.1 0. 2 0. 3 0 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1
粒径(pm)
图6新型惯性冲击器总收集效率和壁面损失曲线
4结语
惯性冲击器是监测空气中P M a5浓度的关键前
提。基于Marple的经典惯性冲击器设计理论和计算
流体动力学，设计了一种新型惯性冲击器并对其内流 道流场进行仿真分析，结果表明，新型惯性冲击器的 切割直径为0.5 p m ，壁面损失最大值仅为1.93%，有 效的提高了分离效率。
参考文献：
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(下转第110页)
• 103 •
其可由式（7)表7K :
^
18M Cn Re'
F n 一
(7)
P A 24
式中：[和t 分别为流体速度和粒子速度;p 和&，分别为流体密度和粒子密度;g 为重力加速度；彳，为粒子直径；为阻力系数。
为相对雷诺数，定义为：
—» ►
pdf U -M P I
Re'
(8)
3采集器流场建模及仿真分析
建立新型惯性冲击器内流道二维模型，利用
F L U E N T 软件对二维模型进行网格化和流体动力学 仿真。假定新型惯性冲击器内流道的数值模拟为稳 态，湍流、不可压缩。边界条件的设置如表I 所列。
黑龙江计划生育条例表1
边界条件
郑成功教学设计边界条件
入口速度人口（ velocity -inlet )出口流出（outflow )，粒子逃逸（escape )
壁面粒子捕捉（imp)中心轴线轴对称（axis )冲击板
粒子捕捉（trap )
由于惯性冲击器内流道模型为轴对称结构，在计 算域轴线处设置轴对称边界条件；为了控制惯性冲击 器的设计米样流量为60 L/min，设置人口速度为2. 985 m /s；壁面的边界条件设置为粒子捕捉，从而计算 惯性冲击器的壁面损失；离散项粒子密度为1 〇〇〇 kg/m 3，速度为 2.985 m /s。
在取样流量为60 ly mi n的情况下，二级惯性冲 击器内流道速度云图及0.5 p m 粒子迹线图分别如图 3、4所示。
103
97
m
(m /s)(m /s)
图3
二级惯性冲击器内图4 0.5 (xm 粒子在二级惯性冲 流道速度云图
击器内流道迹线图
新型二级惯性冲击器一级收集效率曲线和壁面
损失如图6所示，对于收集效率曲线，第一级收集效 率曲线接近理想状况下的“ Z ”型效率曲线，切割直径
r T T T T T T T T T T
I
I I
I I H --I
-i
)%)%)%
)%W .\A /|
^6W 4W 2W ~
(％)肼
较埘
每
速度快有利于板料局部流动，非加工部位的材料可以 补偿流人提升了加T部位的厚度；层间距越小则减薄 率越好，小的层间距使特征成型更加均匀，同时层间 距太小会导致加工时间大幅度增长，影响加工效率; 走刀轨迹选择一次或者两次走刀成型最优利，试验结 果表面刀路太多会产生过多的加工层纹进而影响样 件表面粗糙度，并且会破坏表面镀锌层降低板材防腐 蚀性能。
图10优化参数包再成型
4结论
数字化单点无模渐进成型中，关键特征参数会对 减薄率的影响。通过试验和数据分析，可以得出如下
结论：进给速度和减薄率特性呈现正比例，更高的进给速度有利于提升减薄率：进给速度快有利于板料局
部流动，非加工部位的材料可以补偿流入提升了加工
部位的厚度；层间距越小则减薄率越好。走刀轨迹选
择一次或者两次走刀成型最优利，试验结果表面刀路
太多会对板材表面形成过压，导致材料更加致密的同
时厚度也会减薄；刀路太多会影响减薄率。针对标准
工艺参数验证模型，减薄率最优参数组合为：采用无
过渡刀路而一道次成型，Z向进给量为0.2 m m的最
小步距，刀路为单向等高线渐进成型，刀具移动进给
速度为6 400 m m/min。采用优化后的参数包后减薄
率从28%提升至26%，相对于原参数包提高比例达
到7%。
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构抗扭转刚强度较好，下垂及窗框刚强度较为适中，带线刚强度则盈余较少，但对比评价标准，该车门结 构刚度、强度均在限值以内，满足设计要求。
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•11
0.
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