博士生刘锡慧Building Simulation: 一种新型的微型静电式颗粒物采样器

2023年7月18日，Building Simulation杂志（IF: 5.500）刊登了课题组刘锡慧博士生的论文：Design and performance of a novel miniaturized electrostatic sampler for efficient particulate matter sampling：一种新型的微型静电式颗粒物采样器 (https://doi.org/10.1007/s12273-023-1059-4）

【背景介绍】

颗粒物（PM）与多种疾病密切相关，为研究环境中大气颗粒物的健康效应，需要进行颗粒物的化学成分分析。而高效和便捷的颗粒物采样是颗粒物成分分析的首要步骤。目前广泛使用的采样方式是滤膜采样，这种方法存在一些问题，比如后处理复杂、颗粒物可能洗脱不完全、存在滤膜堵塞的风险等。本工作提出了一种新的利用静电作用和改进后的垂直收束电场的小型颗粒物采样装置，对其内部的耦合多物理场进行了模拟分析，并搭建了实验台进行实验测试，模拟和实验研究结果都表明，该装置能够实现高效的颗粒物采集。

【核心内容】

(1) 设计了一种新型静电采样装置

采样装置（如图1）主要由入口、放电针、诱导板、收集板、出口等部件组成。放电针接高压进行电晕放电产生大量离子，收集板接地。为改进电晕放电的发散电场，附加了环形诱导极板，诱导极板上产生诱导电压，从而在与收集板之间形成垂直的收束电场，使颗粒物定向迁移沉积到收集板。颗粒物从入口进入，在电晕放电区域荷电，荷电颗粒物在电场中定向迁移到收集板可用于后续的颗粒物分析。

(2) 建立了内部多物理场耦合模拟模型，分析了静电采样的机理与过程

该静电采样过程存在多个物理场的耦合过程，包括电晕放电、电场、流场和颗粒物动力场，使用COMSOL 对其进行了模拟分析。电晕放电产生电场和大量粒子，电场和空间电荷给流体附加了等效体积力从而改变流场，荷电后的颗粒物在流场施加的曳力和电场施加的电场力综合作用下进行迁移运动。

图2为电场的模拟结果。无诱导极板，电场线发散，在向上弯曲的电场线处颗粒物受到向上电力作用而易于从出口逃逸。附加诱导极板后，由于诱导极板上的感应电压产生了一个垂直收束的电场，利于颗粒物向下迁移并沉积在收集板上。

放电电晕发生后（图3b），与无放电时相比（图3a），中心的气流速度明显增大，形成离子风，最大速度从0.38m/s增大至0.7m/s。

考虑颗粒物所受的曳力和电场力，颗粒物首先在电场力的主导向下加速，然后在曳力主导下减速，最后沉积在收集板上。大部分颗粒物被采集，部分0.3μm颗粒物逃逸。

图 4. 颗粒物受力与运动：(a) 受力分析 (b) 荷电 (c) 曳力与电场力 (d) 运动轨迹

最低采样效率出现在0.3~0.5μm粒径处，放电电压从−6V提高到−9kV，最低效率从88.2%升高到96.6%。

(3) 建立了采集装置的测试实验平台，验证了静电采样装置的实际效率

实验与模拟效率吻合较好，平均和最大偏差分别为1.9%和3.7%。增加诱导极板可以显著提高采样效率，在−6kV电压下，采样效率从35%提高到90%，−9kV电压下，采样效率可达到99%以上。

【成果小结】

本研究提出了一种新型的静电式颗粒物采样装置，颗粒物荷电后在电场中迁移沉积至收集板。通过附加诱导极板产生诱导电压，将发散的电晕放电电场优化形成利于颗粒物单向沉积的垂直收束电场，模拟分析了采样装置中的电场、流场、颗粒物动力场等多物理耦合过程，并进行实验验证，结果表明，增加诱导极板能够显著提高颗粒物的采集效率。本文为高效、便捷的空气颗粒物采样提供了新的方法路径。

【作者介绍】

该论文的第一作者是清华大学建筑技术科学系博士生刘锡慧，通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院特聘教授莫金汉与东南大学能源与环境学院副教授刘聪，共同作者包括课题组博士研究生汪琰和高轶伦。

本文引用格式

Liu, X., Wang, Y., Gao, Y. et al. Design and performance of a novel miniaturized electrostatic sampler for efficient airborne particulate matter sampling. Building Simulation, 2023, 16(8), 1439–1450.

该工作受到国家自然科学基金（项目号：52078269和52178068）资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1007/s12273-023-1059-4

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