鞘流技术在气溶胶颗粒物光学传感器上的应用研究

鲁晨阳; 张佩; 王光辉; 朱菁; 黄惠杰

doi:doi:10.3788/CJL201946.0104006

中国激光, 2019, 46 (1): 0104006, 网络出版: 2019-01-27

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Application of Sheath Flow Technique in Aerosol Particle Sensor

鲁晨阳 ^1,2张佩 ¹王光辉 ³朱菁 ¹黄惠杰 ^1,*

作者单位

¹ 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800

² 中国科学院大学, 北京 100049

³ 上海镭慎光电科技有限公司, 上海 201800

图 & 表

图 1. 尘埃粒子计数器的光学系统示意图

Fig. 1. Optical system diagram of dust particle counter

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图 2. 气嘴的结构示意图。(a)普通气嘴;(b)含鞘流器的气嘴

Fig. 2. Structural diagram of air nozzle. (a) Ordinary gas nozzle; (b) gas nozzle with sheath flow

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图 3. 鞘流气路设计图

Fig. 3. Design of sheath flow path

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图 4. 仿真模型图

Fig. 4. Schematic of simulation model

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图 5. 不同喷嘴倾斜角的样气仿真压缩图。(a) 30°;(b) 45°;(c) 60°

Fig. 5. Simulated results of sample gas for different nozzle inclination angles. (a) 30°; (b) 45°; (c) 60°

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图 6. 不同流量比下的最小压缩量的仿真结果图

Fig. 6. Simulation results of minimmm compression amount under different flow rates

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图 7. 设计参数示意图

Fig. 7. Schematic of design parameters

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图 8. 鞘流器仿真结果图。(a)粒子运动轨迹;(b)粒子分布曲线

Fig. 8. Simulated results of sheath flow. (a) Particle trajectory; (b) particle distribution curves

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图 9. 鞘流器结构示意图

Fig. 9. Structural diagram of sheath flow

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图 10. 气体鞘流器实物图

Fig. 10. Physical map of gas sheath flow

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图 11. 实验装置图

Fig. 11. Schematic of experimental device

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图 12. 鞘流器性能测试结果

Fig. 12. Performance test results of sheath flow

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表 1常见管道的临界雷诺数

Table1. Critical Reynolds number of common pipelines

Pipeshape	Smoothmetal tube	Rubber hose	Smoothconcentricring slit	Smootheccentricring slit	Concentricring slit with aring groove	Eccentricring slit with aring groove	Slidevalve por
Re_cr	2000-2300	1600-2000	1100	1000	700	400	260

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表 2关键参数

Table2. Key parameters

Parameter	Value
Carrier gas nozzle diameter d /mm	1
Sheath gas nozzle diameter d₂ /mm	3
Inclination angle θ /(°)	45
Wall thickness s /mm	0.3
Carrier gas velocityU₀(1 L/min) /(m·s^-1)	21.22
Sheath gas velocityU_sheath(3 L/min) /(m·s^-1)	9.88
Carrier and sheath gas	Air
Particle diameter d_m /μm	0.5
Particle density ρ /(kg·m^-3)	1040 (polystyrene)
Particle mass flow rate m /(kg·m^-3)	5×10^-5

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表 3标定过程中0.5 μm标准粒子浓度绝对值标定结果

Table3. Calibration results of absolute concentration vale of 0.5 μm standard particles in calibration process

Type	Particlesize /μm	Concentration /(particle·L^-1)							$\begin{matrix} \frac{N_{0.5}}{N_{0.3}} \end{matrix}$ /%	>0.5 μm(PMS)
Type	Particlesize /μm			1	2	3	4	5	6	Average
1.0 mmsheath jet	>0.3	2119	2123	2277	2128	2073	2064	2130.67
	>0.5	1063	1038	1123	1088	1050	1041	1067.17	50.1	1089
ϕ0.5 mm jet	>0.3	2064	2177	2096	2284	2156	2203	2163.33
	>0.5	1076	1140	1156	1148	1075	1100	1115.83	51	1145
ϕ1.0 mm jet	>0.3	2241	2218	2347	2277	2413	2353	2308.16
	>0.5	1121	1120	1202	1145	1212	1189	1164.83	50.5	1194

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表 4标定过程中0.3 μm标准粒子浓度绝对值标定结果

Table4. Calibration results of absolute concentration vale of 0.3 μm standard particles in calibration process

Type	Particlesize /μm	Concentration /(particle·L^-1)							$\begin{matrix} \frac{N_{0.5}}{N_{0.3}} \end{matrix}$ /%
Type	Particlesize /μm		1	2	3	4	5	6	Average
1.0 mm sheathflow jet	>0.3	1014	942	912	984	970	964	964.33
	>0.5	156	138	168	156	150	152	154.33	16
ϕ0.5 mm jet	>0.3	1056	1017	1120	1001	1098	1053	1057.5
	>0.5	200	190	182	176	200	189	189.5	17.9
ϕ1.0 mm jet	>0.3	1200	1014	1160	1108	1068	1014	1094
	>0.5	204	194	192	198	196	188	196	18.9

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表 5三种气嘴的饱和测量浓度范围

Table5. Saturation measurement concentration ranges of three jets

Jet type	Saturation measurementconcentration /(particle·L^-1)
ϕ1.0 mm jet	5000-10000
ϕ0.5 mm jet	10000-14000
ϕ1.0 mm sheath flow jet(core diameter 0.34 μm)	15000-23000

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鲁晨阳, 张佩, 王光辉, 朱菁, 黄惠杰. 鞘流技术在气溶胶颗粒物光学传感器上的应用研究[J]. 中国激光, 2019, 46(1): 0104006. Lu Chenyang, Zhang Pei, Wang Guanghui, Zhu Jing, Huang Huijie. Application of Sheath Flow Technique in Aerosol Particle Sensor[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(1): 0104006.

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图 1. 尘埃粒子计数器的光学系统示意图

Fig. 1. Optical system diagram of dust particle counter

图 2. 气嘴的结构示意图。(a)普通气嘴;(b)含鞘流器的气嘴

Fig. 2. Structural diagram of air nozzle. (a) Ordinary gas nozzle; (b) gas nozzle with sheath flow

图 3. 鞘流气路设计图

Fig. 3. Design of sheath flow path

图 4. 仿真模型图

Fig. 4. Schematic of simulation model

图 5. 不同喷嘴倾斜角的样气仿真压缩图。(a) 30°;(b) 45°;(c) 60°

Fig. 5. Simulated results of sample gas for different nozzle inclination angles. (a) 30°; (b) 45°; (c) 60°

图 6. 不同流量比下的最小压缩量的仿真结果图

Fig. 6. Simulation results of minimmm compression amount under different flow rates

图 7. 设计参数示意图

Fig. 7. Schematic of design parameters

图 8. 鞘流器仿真结果图。(a)粒子运动轨迹;(b)粒子分布曲线

Fig. 8. Simulated results of sheath flow. (a) Particle trajectory; (b) particle distribution curves

图 9. 鞘流器结构示意图

Fig. 9. Structural diagram of sheath flow

图 10. 气体鞘流器实物图

Fig. 10. Physical map of gas sheath flow

图 11. 实验装置图

Fig. 11. Schematic of experimental device

图 12. 鞘流器性能测试结果

Fig. 12. Performance test results of sheath flow

表 1常见管道的临界雷诺数

Table1. Critical Reynolds number of common pipelines

表 2关键参数

Table2. Key parameters

表 3标定过程中0.5 μm标准粒子浓度绝对值标定结果

Table3. Calibration results of absolute concentration vale of 0.5 μm standard particles in calibration process

表 4标定过程中0.3 μm标准粒子浓度绝对值标定结果

Table4. Calibration results of absolute concentration vale of 0.3 μm standard particles in calibration process

表 5三种气嘴的饱和测量浓度范围

Table5. Saturation measurement concentration ranges of three jets

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图 2. 气嘴的结构示意图。(a)普通气嘴;(b)含鞘流器的气嘴

Fig. 2. Structural diagram of air nozzle. (a) Ordinary gas nozzle; (b) gas nozzle with sheath flow

图 3. 鞘流气路设计图

Fig. 3. Design of sheath flow path

图 4. 仿真模型图

Fig. 4. Schematic of simulation model

图 5. 不同喷嘴倾斜角的样气仿真压缩图。(a) 30°;(b) 45°;(c) 60°

Fig. 5. Simulated results of sample gas for different nozzle inclination angles. (a) 30°; (b) 45°; (c) 60°

图 6. 不同流量比下的最小压缩量的仿真结果图

Fig. 6. Simulation results of minimmm compression amount under different flow rates

图 7. 设计参数示意图

Fig. 7. Schematic of design parameters

图 8. 鞘流器仿真结果图。(a)粒子运动轨迹;(b)粒子分布曲线

Fig. 8. Simulated results of sheath flow. (a) Particle trajectory; (b) particle distribution curves

图 9. 鞘流器结构示意图

Fig. 9. Structural diagram of sheath flow

图 10. 气体鞘流器实物图

Fig. 10. Physical map of gas sheath flow

图 11. 实验装置图

Fig. 11. Schematic of experimental device

图 12. 鞘流器性能测试结果

Fig. 12. Performance test results of sheath flow

表 1常见管道的临界雷诺数

Table1. Critical Reynolds number of common pipelines

表 2关键参数

Table2. Key parameters

表 3标定过程中0.5 μm标准粒子浓度绝对值标定结果

Table3. Calibration results of absolute concentration vale of 0.5 μm standard particles in calibration process

表 4标定过程中0.3 μm标准粒子浓度绝对值标定结果

Table4. Calibration results of absolute concentration vale of 0.3 μm standard particles in calibration process

表 5三种气嘴的饱和测量浓度范围

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