Simulation of Flow in Continuous-flow Cloud Condensation Nuclei Counter (DMT-CCNC)

YU Renjie1, ZHAO Chunsheng1,†, XUE Huiwen1, MA Nan1, TAO Jiangchuan1, FU Shizuo1, ZHANG Jianpeng2, KUANG Ye1, LIU Hongjian1, BIAN Yuxuan1

ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis - - Contents - YU Renjie, ZHAO Chunsheng, XUE Huiwen, et al

1. Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871; 2. State Key Laboratory for Turbulence & Complex Systems, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871; † Corresponding author, E-mail: zcs@pku.edu.cn

Abstract The velocity, temperature and humidity in the chamber of the Continuous Flow Streamwise Thermalgradient CCN Counter manufactured by DMT were successfully simulated using the computational fluid dynamics software ANSYS FLUENT. With velocity of 0.0164, 0.0185, 0.0205, 0.0226, 0.0246 m/s and temperature settings of ∆T 2, 8 and 17 K, the influence of velocity and temperature on the flow were tested. Results show that, velocity and temperature setting of CCNC influenced both velocity field and temperature field. When ∆T=8 K, v=0.0205 m/s, the supersaturaiton on the centerline was about 0.27%. Supersaturation in the CCNC chamber was simulated successfully. Key words CCNC; ANSYS FLUENT; velocity field; temperature field; water vapor field

大气气溶胶可以作为云凝结核(cloud condensation nuclei, CCN), 影响云的微观特性。在液态水含量不变的前提下, 气溶胶增多会导致云滴数浓度增加而粒径变小, 提高云的反射率, 反射更多太阳短波辐射。另外, CCN 也会对降水过程产生影响。

CCN 数浓度的增加, 在使平均云滴粒径变小的同时, 还会阻碍降水的发展, 进而增加云的寿命, 从而使云总量增加, 同样会反射更多的太阳辐射[1]。‒云相互作用以及气溶胶对所以, 研究气溶胶的活化特性, 即气溶胶作为 CCN的能力, 是研究气溶胶

于天气和气候影响的关键内容[2]。

CCN 计数器(CCN counter, CCNC)是直接观测CCN 数浓度的仪器, 由 DMT (Droplet Measure ment Technologies)公司研发的 CCNC 广泛应用于实验研

[3]究和外场观测中。Rose 等 对 CCNC 的测量不确定性进行了研究, 发现主要原因之一是 CCNC 云室内过饱和度的不确定性, 而过饱和度受进气流量、云室温差和压强等因素的影响。为了更好地了解CCNC 云室内气流的上述特征, 需要利用 ANSYS FLUENT 进行模拟。

FLUENT 是目前处于世界领先地位的商业计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件包, 采用离散化的数值方法对流体的流动与传热现象进行数值模拟和分析。通过 CFD 模拟, 可以分析并且显示流体在流动过程中发生的各种现象,及时预测流体在模拟区域的流动性能, 并通过改变各种参数, 得到相应过程的最佳设计参数。Steatmann

[4]等 为了探究影响水基凝结核计数器 (Water Condensation Particle Counter, WCPC)计数效率的因素, 曾经利用 FLUENT, 并结合细粒子模型(Fine Particle Model, FPM), 对 WCPC 内的流场和粒子的增长过程进行模拟, 得到 WCPC 内温度、水汽和水汽过饱和度的分布, 结论是 WCPC 的计数效率主要受到其内部水汽过饱和度的影响, 与粒子的物理化学性质也有关系。Herrmann等[56]也曾经将FLUENT 与 FPM 结合, 模拟层流扩散云室(laminar flow diffusion chamber, LFDC)中的流场, 发现载流气体(carrier gas)的气压对粒子活化过程有影响。

本文使用由 ANSYS 公司最新发布的 ANSYS FLUENT 16.0, 模拟 CCNC 云室内的速度场、温度场和水汽场, 并研究进气流量和云室温差的改变对上述特征的影响。

1 CCNC 云室简介

本研究模拟的 CCNC 云室是由 DMT 公司研制的 CCN-200 连续流纵向热梯度扩散云凝结核计数器(Continuous-flow Streamwise Thermal-gradient CCN Counter)[7]中的云室(图 1)。圆筒云室垂直放置,顶部有一进气口, 底部为出气口。进气分为样气(sample inlet)和鞘气(sheath flow inlet)。样气携带气溶胶粒子且经过干燥, 鞘气在仪器内部经过过滤和加湿, 从顶端通入主体云室内。鞘气为样气提供一个没有气溶胶粒子的保护层, 从而将气溶胶粒子限 制在云室的中心线附近。云室内部的进气口是一根直径为 0.2159 cm 的细管, 进气口到出气口的距离为 50.038 cm, 云室内部直径为 2.2733 cm。云室中水汽过饱和的产生是由于水汽分子和空气分子扩散速度不同[8]。圆筒云室顶部的温度为环境温度或稍高于环境温度, 底部比顶部温度高。本研究中将云室顶部与底部的温度差值∆T 简称为云室温差。由于云室圆筒壁的材料具有良好的导热性, 使筒壁上的温度梯度几乎为定值。云室上冷下热的温差和筒壁上恒定的温度梯度决定了云室内部的温度场。同时, 湿润的圆筒壁上水汽是饱和的,沿着内壁, 水汽梯度也几乎为定值。水汽从圆筒壁向中心扩散, 与加湿后的鞘气共同作用, 形成云室内的水汽场。在圆筒内部, 由于空气分子的平均分子量大于水汽分子, 所以空气分子比水汽分子的扩散速度慢。如图 2 所示, 在中心线 C处的水汽分子

图 1 CCNC 云室示意图Fig. 1 CCNC chamber

图 2 CCNC中产生水汽过饱和的原理Fig. 2 Theory of supersaturation generation of CCNC chamber

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