鄒亞雄，任曉慶，劉偉光，劉 巍，張澤武，閆 駿

(青島市計(jì)量技術(shù)研究院 環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器產(chǎn)業(yè)計(jì)量與測(cè)試中心,山東 青島 266000)

隨著大氣污染問題的日益嚴(yán)峻，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)已成為治理空氣污染、保障民眾健康的重要手段之一[1-5]。PM2.5粒子切割器是一種將顆粒按照粒徑進(jìn)行分離并實(shí)現(xiàn)50%切割粒徑為2.5 μm的裝置，進(jìn)而用于對(duì)大氣中的細(xì)顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)量[6-8]。學(xué)者在切割器的原理與設(shè)計(jì)方法上，進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[5,9-19]。Kenny等[20]在Smith等[21]提出的5級(jí)旋風(fēng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了VSCC(very sharp cyclone cut)型PM2.5粒子切割器，并于2006年被美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)采納為參考切割器。作為一款經(jīng)典切割器，由于其測(cè)試精度高，形式簡(jiǎn)單，VSCC型結(jié)構(gòu)參數(shù)被國內(nèi)外眾多廠商沿用至今，相關(guān)尺寸未進(jìn)行過明顯改動(dòng)。

切割器性能穩(wěn)定是空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度的保障，而切割數(shù)據(jù)的擬合方法則影響了切割性能評(píng)價(jià)的合理性。目前國內(nèi)外學(xué)者在切割器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸上所采用的方法各有不同，如二次函數(shù)、Sigmoid函數(shù)等[23-26]，而通過不同擬合曲線反演出的切割性能指標(biāo)也各有不同，會(huì)影響到對(duì)切割器性能優(yōu)劣的判斷，因此針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合方法有待進(jìn)一步研究。

綜上分析可見，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)切割器的切割性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，諸多學(xué)者針對(duì)測(cè)試方法和評(píng)價(jià)方法開展了大量的研究工作，然而卻未能就影響評(píng)價(jià)的重要因素之一——切割曲線的擬合方法達(dá)成統(tǒng)一意見。在切割器性能的不斷升級(jí)過程中，自VSCC型PM2.5切割器問世之后，在結(jié)構(gòu)尺寸方面便鮮有改進(jìn)，切割性能長期止步不前。為了進(jìn)一步挖掘旋風(fēng)式PM2.5切割器的性能提升空間，本文中通過優(yōu)化切割曲線的σg來提高切割器長期運(yùn)行過程中50%切割粒徑的穩(wěn)定性，以提高空氣顆粒物濃度測(cè)試的準(zhǔn)確性，延長設(shè)備維護(hù)的周期。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要儀器設(shè)備

LAP 322粒徑譜儀(德國托帕斯高聚合物股份有限公司)；M Series流量控制器(美國艾里卡特科技有限公司)；VSCC型PM2.5旋風(fēng)式切割器(國內(nèi)某廠商)。

1.2 原理與方法

常用的粒子切割器包括撞擊式和旋風(fēng)式，其分離原理見圖1所示。撞擊式切割器主要由射流噴嘴與撞擊板構(gòu)成，當(dāng)氣流經(jīng)過噴嘴加速后，氣流中粒子具備了一定的動(dòng)能，當(dāng)氣流沖擊撞擊板時(shí)，慣性較大的顆粒從氣流中逃離出被撞擊板截留，而慣性較小的顆粒將繼續(xù)跟隨氣流進(jìn)入下游。旋風(fēng)式切割器主要由進(jìn)、出口及柱錐段構(gòu)成，當(dāng)氣流從進(jìn)口切向沖擊到柱段內(nèi)表面后，受柱錐段結(jié)構(gòu)影響作螺旋運(yùn)動(dòng)。在離心力作用下，具有較大慣性的顆粒從氣流中脫離，貼附在切割器內(nèi)表面或下滑至沉砂池中，反之則隨氣流從切割器下游排出。在工作過程中，由于部分顆粒截留在切割器內(nèi)部，因此當(dāng)積累量達(dá)到一定程度時(shí)其50%切割粒徑會(huì)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，造成測(cè)量數(shù)據(jù)失真，此時(shí)需將切割器拆開進(jìn)行清潔、維護(hù)，以便下次使用。

參照HJ 93—2013[22]中對(duì)切割器性能的測(cè)試規(guī)定，可采用分流法或靜態(tài)箱法。本研究中以自行搭建的分流法測(cè)試裝置為例，采用如圖2所示的測(cè)試流程，對(duì)PM2.5切割器切割性能進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試環(huán)節(jié)包括空壓機(jī)供氣、氣溶膠發(fā)生、過渡段整流、干燥段除濕，之后氣流攜帶顆粒從上游流路或下游流路流入粒徑譜儀和流量控制器。上游流路用于測(cè)量進(jìn)入切割器的顆粒數(shù)濃度，下游流路用于測(cè)量經(jīng)過切割器切割作用后的顆粒數(shù)濃度，粒徑譜儀用于對(duì)上、下游顆粒的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。該裝置所用的粒徑譜儀流量為3 L/min，流量控制器流量為13.7 L/min，切割器工作流量為16.7 L/min。

圖2 基于分流法的PM2.5切割器切割性能測(cè)試流程Fig.2 Testing process of PM2.5 cutter penetration performance based on divided flow method

為評(píng)價(jià)切割器對(duì)不同粒徑顆粒物的切割效率，測(cè)試過程中分別采用規(guī)格為GBW13642—GBW13649、粒徑分別為1.5、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.5、4.0 μm的單分散固態(tài)球形氣溶膠顆粒通過PM2.5切割器，不同粒徑的實(shí)驗(yàn)組間以純凈水徹底吹洗系統(tǒng)管路，以保證管路內(nèi)殘留的顆粒數(shù)量不影響對(duì)下一粒徑數(shù)量濃度的測(cè)量。某一粒徑顆粒物的切割效率表示為：

(1)

式中：ηi為粒徑是i的粒子的切割效率；Ni為流出切割器下游每單位體積內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù)，cm-3；Mi為流入切割器上游每單位體積內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù)，cm-3。

2 擬合函數(shù)對(duì)切割性能的影響

由于切割器性能是由擬合后的切割曲線反演得到，因此采用不同擬合方程得到的切割性能存在差別，進(jìn)而影響到對(duì)切割性能的評(píng)價(jià)。目前諸多學(xué)者采用S型曲線進(jìn)行切割效率擬合，典型的S函數(shù)有Logistic形式和Gompertz形式[27]，考慮其反對(duì)稱函數(shù)形式與穿透率曲線形狀類似，可嘗試作為擬合的函數(shù)形式。此外也采用形式更為復(fù)雜的Sigmoid-8092函數(shù)對(duì)穿透率進(jìn)行擬合[22]，式(2)—(4)為3種擬合函數(shù)的方程。

Logistic函數(shù)：

(2)

Gompertz函數(shù)：

y=abcx，

(3)

Sigmoid-8092函數(shù)：

(4)

式中：a、b、c、d、e為擬合常數(shù)；x為自變量，表示實(shí)驗(yàn)顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)直徑，μm；y為因變量，表示顆粒物的切割效率，%；exp為以自然常數(shù)e為底的指數(shù)形式。

利用Origin中的非線性擬合功能，采用以上3種函數(shù)分別對(duì)4組切割性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。由圖可見，通過3種函數(shù)擬合得到的切割曲線均與個(gè)別實(shí)驗(yàn)值間存在一定偏離，但擬合曲線能夠表達(dá)出切割效率隨粒徑增大而遞減的趨勢(shì)，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的擬合失真現(xiàn)象。這3種函數(shù)擬合方式之間也存在差別，Logistic與Sigmoid-8092在起點(diǎn)和終點(diǎn)位置均穿過實(shí)驗(yàn)值，Gompertz函數(shù)在對(duì)4個(gè)樣本進(jìn)行擬合時(shí)，均未能在起始處穿過實(shí)驗(yàn)值，而在其他實(shí)驗(yàn)點(diǎn)上Gompertz擬合曲線的偏離度也要比其他2種更為明顯，因此Logistic與Sigmoid-8092在擬合切割曲線時(shí)效果更好。

(a)Logistic函數(shù)擬合

為便于進(jìn)一步對(duì)比這3種非線性函數(shù)擬合的精度，采用實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間的線性回歸進(jìn)行分析[28]，理想狀態(tài)判別條件如下：

1)實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間的線性回歸關(guān)系為Y=X。

2)擬合值同實(shí)驗(yàn)值之間線性回歸的擬合度R2=1。

3 切割器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)切割性能的影響

3.1 VSCC型切割器性能

在對(duì)切割器的性能進(jìn)行優(yōu)化之前，有必要了解目前VSCC型切割器的性能情況。通過分流法測(cè)試5個(gè)不同批次的VSCC型PM2.5旋風(fēng)式切割器，采用Sigmoid-8092函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合軟件為Origin，通過擬合曲線反演出切割器的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，見表1所示。

表1 不同批次VSCC型切割器的切割性能Tab.1 Performance data of VSCC cutters from different batches

在對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前，首先了解切割器的理想切割曲線形式，如圖5所示。對(duì)于理想切割曲線而言，粒徑大于Da50的粒子均被分離出來，而粒徑小于Da50的粒子均隨氣流從切割器出口流出。由于理想切割曲線的Da84=Da50=Da16，即σg=S=1，因此實(shí)際切割曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg和銳度S越接近1，其對(duì)顆粒的分離精度就越高，同時(shí)也越利于在長期使用過程中維持50%切割粒徑的穩(wěn)定性。

圖5 理想切割曲線與實(shí)際切割曲線Fig.5 Ideal and actual penetration curve

分析表1中數(shù)據(jù)可以看出，VSCC型切割器的50%切割粒徑Da50分布在2.32～2.52 μm，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg分布在1.15～1.30，切割曲線銳度S在1.20～1.24，本文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[25]的測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合，并滿足參考切割器的性能指標(biāo)要求。為了更進(jìn)一步提升切割器的性能，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上可將Da50由規(guī)定的±0.20 μm偏差范圍減小到±0.10 μm以內(nèi)，σg的分布在1.15～1.30基礎(chǔ)上下調(diào)最大值，從而使其分布區(qū)間減小，切割精度提高。

初步分析不同結(jié)構(gòu)位置及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)切割性能的影響規(guī)律。以VSCC型切割器為例，其主要結(jié)構(gòu)尺寸包括進(jìn)口直徑Din，出口直徑De，圓柱段直徑Ds和高度Hs，圓錐段高度Hc和錐底直徑B，見圖6所示。由Kenny等[29]的研究表明，進(jìn)口與錐段結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)切割性能的影響要遠(yuǎn)大于出口，而底部沉砂池的影響基本可以忽略，說明進(jìn)口、錐段是優(yōu)化的重點(diǎn)部位。最后考慮到工作風(fēng)量Q、圓柱段直徑Ds和Da50等三者之間可以用方程進(jìn)行描述[30]，其關(guān)系見式(5)所示，因此在Q和Da50均保持不變的情況下，Ds也應(yīng)維持原值不變。

圖6 PM2.5旋風(fēng)式切割器的主要結(jié)構(gòu)Fig.6 Primary structures of PM2.5 cyclone cutter

lnDa50=a+blnDs-(b-1)lnQ，

(5)

式中：Da50為50%切割粒徑，μm；Ds為旋風(fēng)型切割器圓柱段直徑，cm；Q為切割器的工作風(fēng)量，L/min；a、b分別為采用最小二乘法擬合出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

綜上分析，以進(jìn)口直徑Din、出口直徑De、圓柱段高度Hs、圓錐段高度Hc和錐底直徑B為結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)象，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸尋求切割性能的變化規(guī)律，從而在VSCC型PM2.5切割器的基礎(chǔ)上減小σg，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升切割器性能的目的。VSCC型切割器原結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸見表2所示。

表2 VSCC型切割器原結(jié)構(gòu)尺寸Tab.2 Original structure dimensions of VSCC cutter mm

3.2 進(jìn)口直徑Din的影響

根據(jù)前文分析對(duì)各結(jié)構(gòu)尺寸的影響進(jìn)行研究。調(diào)整進(jìn)口直徑Din，方案見表3所示，表4所示為切割性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖7所示為切割曲線，其粒徑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的切割性能是采用5次測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值給出，并繪制了誤差范圍。由圖可以看出，Da50、σg以及S隨Din的減小而減小，說明可以通過縮小Din來減小σg和S，但Da50也會(huì)隨之發(fā)生變化。以序號(hào)3結(jié)構(gòu)為例，其σg和S較小，但Da50=2.16 μm與目標(biāo)值2.5 μm偏離較大。可見單獨(dú)調(diào)整Din大小無法滿足減小σg而不改變Da50的要求。

表3 進(jìn)口直徑方案Tab.3 Schemes of inlet diameters mm

表4 進(jìn)口直徑對(duì)切割性能的影響Tab.4 Effect of inlet diameter on penetration performance

圖7 不同進(jìn)口直徑對(duì)切割效率的影響Fig.7 Effects of different inlet diameters on penetration efficiency

3.3 出口直徑De的影響

對(duì)出口直徑De進(jìn)行調(diào)整，方案見表5所示，表6所示為切割性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖8所示為切割曲線對(duì)比。當(dāng)De增大時(shí)，Da50增大而σg與S在減小，說明可以通過增大De來減小σg和S，但Da50也會(huì)變大。以序號(hào)3結(jié)構(gòu)為例，盡管其σg和S較小，但存在Da50向大于2.5 μm方向偏離的趨勢(shì)，因此單獨(dú)調(diào)整De大小也無法滿足優(yōu)化的要求。

表5 出口直徑方案Tab.5 Schemes of outlet diameters mm

表6 出口直徑對(duì)切割性能的影響Tab.6 Effect of outlet diameter on penetration performance

圖8 不同出口直徑對(duì)切割效率的影響Fig.8 Effects of different outlet diameters on penetration efficiency

3.4 圓柱段高度Hs的影響

對(duì)圓柱段高度Hs進(jìn)行調(diào)整，方案見表7所示，表8所示為切割性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖9所示為切割曲線對(duì)比?？梢钥吹?，隨著Hs增大，Da50變大，σg與S在小幅增大后趨于穩(wěn)定。為了減小σg與S的大小，需要降低圓柱段的高度，但從表8中可知Da50會(huì)向更小的方向偏離2.5 μm。考慮σg與S隨Hs的變化速率緩慢，所以必須對(duì)Hs進(jìn)行較大尺寸調(diào)整才能改變?chǔ)襣，這樣不僅會(huì)減小Da50，而且使得入口同顆粒分離段的過渡空間大大減小，使進(jìn)口來流影響到柱錐段對(duì)顆粒的分離過程，因此在優(yōu)化切割器性能的過程中，現(xiàn)有的圓柱段高度Hs不適宜進(jìn)行調(diào)整。

表7 圓柱段高度方案Tab.7 Schemes of cylinder heights mm

圖9 不同圓柱段高度對(duì)切割效率的影響Fig.9 Effects of different cylinder heights on penetration efficiency

表8 圓柱段高度對(duì)切割性能的影響Tab.8 Effect of cylinder height on penetration performance

表9 圓錐段高度方案Tab.9 Schemes of cone heights

3.5 圓錐段高度Hc的影響

對(duì)圓錐段高度Hc進(jìn)行調(diào)整，方案見表9所示，表10所示為切割性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖10為切割曲線對(duì)比?？梢钥吹剑珼a50隨Hc的增大緩慢增加，而σg的前段與后段變化趨勢(shì)相反，表現(xiàn)為Hc增大時(shí)σg前段增大而后段減小，從而令S基本保持不變。當(dāng)調(diào)整Hc時(shí)，由于前后段σg朝著不同的方向變化，總體上使S幾乎不發(fā)生改變，也就無法滿足降低切割曲線σg這一優(yōu)化目標(biāo)，因此Hc同樣不適宜進(jìn)行調(diào)整。

表10 圓錐段高度對(duì)切割性能的影響Tab.10 Effect of cone height on penetration performance

圖10 不同錐段高度對(duì)切割效率的影響Fig.10 Effects of different cone heights on penetration efficiency

3.6 錐底直徑B的影響

對(duì)圓錐底部直徑B進(jìn)行調(diào)整，方案見表11所示，表12所示為切割性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖11為切割曲線對(duì)比?？梢钥吹?，Da50隨B的增大迅速增加，σg前段和后段也出現(xiàn)了類似Hc影響時(shí)的效果，即變化方向相反，同時(shí)切割曲線銳度S基本不變。與上述結(jié)構(gòu)影響不同的是，錐底直徑B對(duì)Da50的作用效果相比σg而言更加明顯，說明適當(dāng)調(diào)整B尺寸可以在改變Da50的同時(shí)不顯著影響σg，因此可嘗試與其他結(jié)構(gòu)部位協(xié)同對(duì)切割性能施以改進(jìn)。

表11 錐底直徑方案Tab.11 Schemes of cone bottom diameters mm

表12 錐底直徑對(duì)切割性能的影響Tab.12 Effect of cone bottom diameter on penetration performance

圖11 不同錐底直徑對(duì)切割效率的影響Fig.11 Effects of different cone bottom diameters on penetration efficiency

綜上所述，排除不適宜調(diào)整的結(jié)構(gòu)Hs和Hc，對(duì)Din、De和B進(jìn)行進(jìn)一步的分析。首先考慮De，表5中序號(hào)為2和3的不同De值所表現(xiàn)的切割性能相差不大，而序號(hào)2切割器的De值與VSCC原型切割器相等，可見De尺寸對(duì)切割性能的影響效果存在閾值?？紤]慣性式切割器的切割曲線銳度與回旋段雷諾數(shù)Reann(根據(jù)文獻(xiàn)[29]，回旋段雷諾數(shù)使用下標(biāo)ann表示)相關(guān)[31-33]，即Reann越大則切割曲線的銳度越小，曲線的形狀越陡峭。

旋風(fēng)型切割器回旋段雷諾數(shù)Reann計(jì)算方法如公式(6)所示[34]，可以發(fā)現(xiàn)，De增大反而會(huì)造成Reann的減小，恰恰不利于切割曲線銳度的提高，而產(chǎn)生表6中“De增大σg減小”的原因是由于Da50在右移的過程中對(duì)切割曲線擠壓所造成的，即銳度的提升是以增大Da50為代價(jià)的，因此De值并不需要在原結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步調(diào)整，因?yàn)檫@樣存在使Da50增加的風(fēng)險(xiǎn)，不利于控制切割器的切割粒徑值。其次，對(duì)于錐底直徑B和進(jìn)口直徑Din來說，由于僅改動(dòng)Din尺寸時(shí)Da50和σg同步縮小，不能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)優(yōu)化σg的目的，考慮錐底直徑B值可以在不對(duì)切割曲線銳度產(chǎn)生較大影響的基礎(chǔ)上進(jìn)而調(diào)整Da50，因此二者將作為協(xié)同優(yōu)化切割器性能的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

(6)

式中：Reann為旋風(fēng)式切割器的回旋段雷諾數(shù)；Vin為切割器進(jìn)口風(fēng)速，m/s；Rs為旋風(fēng)切割器圓柱段半徑，m；Rout為旋風(fēng)切割器出口半徑，m；υg為空氣運(yùn)動(dòng)學(xué)黏度，20 ℃時(shí)為15.7×10-6m2/s。

4 結(jié)構(gòu)間的協(xié)同優(yōu)化

4.1 等同雷諾數(shù)法確定進(jìn)口直徑Din

由于Din和B對(duì)切割器性能的影響相互耦合，且切割性能受Din的變化影響較B更敏感，因此首先對(duì)進(jìn)口直徑的尺寸進(jìn)行定量。表13所示為采用尋優(yōu)進(jìn)口結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，分別測(cè)試其在工作風(fēng)量為16.7 L/min、增大風(fēng)量為17.5、18.5 L/min下的切割器性能，借以觀察不同風(fēng)量影響下的變化規(guī)律，測(cè)試數(shù)據(jù)見表14所示。第1行是VSCC原型切割器的性能同比數(shù)據(jù)，用于與其他方案(Din=7.60 mm)進(jìn)行比對(duì)?？梢钥吹?，對(duì)于Din=7.60 mm方案，在18.5 L/min流量下的切割曲線性能較為符合2.40 μm≤Da50≤2.60 μm和1.15≤σg≤1.25的優(yōu)化目標(biāo)。

表13 Din尺寸優(yōu)化方案Tab.13 Scheme of optimized Din dimension mm

表14 風(fēng)量對(duì)切割性能的影響Tab.14 Effect of air quantity on penetration performance

由于切割器的常用工作風(fēng)量為16.7 L/min，為了將該流量下切割器的Reann提高到與18.5 L/min流量時(shí)的一致，根據(jù)公式(6)，在不改變Ds和De的前提下，可借助縮小Din來提高進(jìn)口風(fēng)速Vin進(jìn)而增大Reann，將這種增加切割器進(jìn)口風(fēng)速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)量下Reann等效的方法稱作等同雷諾數(shù)法。經(jīng)過換算后得到的工作流量16.7 L/min下的Din=7.22 mm，即改進(jìn)后的切割器通過縮小Din尺寸使回旋段雷諾數(shù)Reann增大至4 633，該值較原VSCC型切割器的Reann=3 654高出了26.8%。

4.2 確定錐底直徑B

在Din=7.22 mm的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)錐底直徑B值進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)尺寸和測(cè)試數(shù)據(jù)見表15、16所示，實(shí)驗(yàn)風(fēng)量為16.7 L/min，圖12所示為切割曲線對(duì)比。首先可以看到，表14和表16所對(duì)應(yīng)的2次測(cè)試中VSCC原型的性能較為接近，說明2次實(shí)驗(yàn)具有同比性。其次在Din縮小的情況下，小范圍調(diào)整B值對(duì)切割曲線的銳度影響并不大，此外表16中序號(hào)為3的結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出了Da50增大時(shí)σg后半段減小的趨勢(shì)，這與前文研究De的影響規(guī)律吻合。除此之外，從序號(hào)為1和2的2種結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的切割性能可見，優(yōu)化后的切割器其Da50分布在2.50～2.60 μm，在保持Da50與2.50 μm偏離度不超過±0.10 μm基礎(chǔ)上，切割曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg的最高點(diǎn)由1.30減小到了1.22。

表15 B尺寸優(yōu)化方案Tab.15 Schemes of optimized B dimensions mm

表16 錐底直徑B對(duì)切割性能的影響Tab.16 Effect of cone bottom diameter B on penetration performance

圖12 不同錐底直徑對(duì)切割效率的影響Fig.12 Effects of different cone bottom diameterson penetration efficiency

選定表15中編號(hào)1的結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化切割器，分5次測(cè)試其切割性能，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合切割曲線，反演得到相應(yīng)的切割性能數(shù)據(jù)見表17所示。可見改進(jìn)的VSCC型切割器的Da50分布在2.52～2.57 μm，σg分布在1.15～1.24，S分布在1.18～1.21。

表17 改進(jìn)型切割器的性能數(shù)據(jù)Tab.17 Performance data of improved cutter

為了更進(jìn)一步對(duì)比改進(jìn)型切割器性能提升的大小，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了具有代表性的PM2.5粒子切割器以及VSCC型、改進(jìn)型共5款切割器的切割曲線，對(duì)比如圖13所示。由圖可見，相比于UGR和GK2種旋風(fēng)式切割器而言，WINS(well impactor ninety-six)、VSCC和改進(jìn)型切割器的切割曲線在整個(gè)區(qū)間內(nèi)均有較為明顯的快速下降趨勢(shì)，保障了切割器在長期使用過程中Da50的偏離度不至過大，進(jìn)而影響到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)度。再之，本文中改進(jìn)型切割器的Da50要比其余4種切割器偏大，但依然滿足與2.50 μm偏離度不超過+0.10 μm的要求，且距離中心點(diǎn)粒徑2.50 μm較VSCC型切割器更小。最后從文獻(xiàn)[18]中可知，長期運(yùn)行后因內(nèi)壁顆粒數(shù)量的增多，切割器的Da50通常會(huì)減小。從表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，VSCC型切割器的Da50較集中在≤2.5 μm的范圍內(nèi)，因此隨著使用時(shí)間的推移，Da50會(huì)不斷變小直至偏離適用范圍，而改進(jìn)型切割器其Da50處于≥2.5 μm的范圍內(nèi)，隨著內(nèi)壁顆粒增多，Da50首先會(huì)從右側(cè)靠近2.5 μm然后再偏離適用范圍，這樣就延長了切割器的有效工作時(shí)間。

從切割器的性能優(yōu)化趨勢(shì)來看，早先的GK和URG產(chǎn)品由于切割曲線相對(duì)平緩，使用時(shí)需要經(jīng)常進(jìn)行顆粒清理，不能很好地適用于高濃度、長時(shí)間采樣工況，而后續(xù)設(shè)計(jì)的WINS和VSCC型切割器在面對(duì)上述工況時(shí)，對(duì)粒子均具備更佳的切割能力，因此被EPA采納為參考切割器。由此可見，以減小切割曲線銳度進(jìn)而提升切割性能的方式，是今后切割器技術(shù)升級(jí)的重要途徑。

5 結(jié)論

1)采用結(jié)構(gòu)間協(xié)同的方式對(duì)VSCC型PM2.5旋風(fēng)式切割器性能進(jìn)行改進(jìn)，明確以進(jìn)口直徑Din和錐底直徑B為優(yōu)化對(duì)象、以Reann表征切割曲線銳度的思路，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行定值，得到了滿足切割器優(yōu)化目標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式。

2)將VSCC型PM2.5旋風(fēng)式切割器的性能指標(biāo)由Da50=2.32 ～2.52 μm、σg=1.15～1.30優(yōu)化至Da50=2.52 ～2.57 μm、σg=1.15～1.25，減小了50%切割粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差的分布范圍，使切割曲線向中心點(diǎn)值進(jìn)一步靠近。

該方法為旋風(fēng)型粒子切割器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了思路。隨著國內(nèi)環(huán)境治理的不斷發(fā)展，勢(shì)必在今后對(duì)顆粒物采樣儀器的測(cè)試精度有著更高的要求，不難發(fā)現(xiàn)目前切割器的σg距離理想值仍有一定差距，因此仍有大量工作有待進(jìn)行。