一种在线测量黑碳气溶胶光学非球形度的方法技术

技术编号：40754545 阅读：2 留言：0更新日期：2024-03-25 20:09

本发明专利技术公开了一种在线测量黑碳气溶胶光学非球形度的方法。本发明专利技术创新性地提出质量和电迁移粒径与光学非球形度的关系分布表，将离心质量分析仪和差分电迁移率粒径分析仪联用，得出设定质量的黑碳气溶胶的电迁移粒径，再对照质量和电迁移粒径与光学非球形度的关系分布表，在线测量设定质量的黑碳气溶胶光学非球形度；本发明专利技术基于建立的黑碳气溶胶受力张量模型，将黑碳气溶胶的电迁移粒径和光学非球形度创新性地结合起来；本发明专利技术能够以较低的经济成本、较少的人力以及较高的时间分辨率实现黑碳气溶胶光学非球形度的在线测量，测量结果能够进一步用于模式模拟中评估黑碳气溶胶的环境和气候效应。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及黑碳气溶胶测量技术，具体涉及一种在线测量黑碳气溶胶光学非球形度的方法。

技术介绍

1、在大气科学中，黑碳气溶胶是由团簇的小颗粒随机汇聚而成的不规则形状。计算这些黑碳气溶胶的光学性质时，利用的方法是多球形矩阵(multiple sphere t matrix,mstm)光学模型计算，在该模型中，除了需要黑碳气溶胶的质量外，还需要光学非球形度df作为模型的输入量，df表示团簇小颗粒形成黑碳气溶胶的分布情况。不同光学非球形度df的黑碳气溶胶的分布不同，当df＝1表示气溶胶完全偏离球形，为一个直链分布；当df无限接近于3时，黑碳气溶胶无限接近于球形。

2、目前测量光学非球形度df的方法仅有通过电镜方法，但是该测量方法需要将黑碳气溶胶收集在膜上，然后利用扫描电子显微镜获取气溶胶的空间分布而测量光学非球形度df。该方法的缺点是获取数据分辨率低，需要非常高的人工和材料成本。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种在线测量黑碳气溶胶光学非球形度的方法，本专利技术创新性地提出黑碳气溶胶质量和电迁移粒径与光学非球形度的关系分布表，将离心质量分析仪(centrifugal particle mass analyser,cpma)和差分电迁移率粒径分析仪(differential mobility analyzer,dma)联用，得出设定质量的黑碳气溶胶的电迁移粒径，再对照质量和电迁移粒径与光学非球形度的关系分布表，在线测量黑碳气溶胶光学非球形度度。</p>

2、本专利技术的在线测量黑碳气溶胶光学非球形度的方法，包括以下步骤：

3、1)基于蒙特卡洛模拟方法建立质量和电迁移粒径与光学非球形度的关系：

4、i.按照设定的模拟光学非球形度dfs和黑碳小球的数量n模拟产生黑碳团簇，黑碳团簇包括n个质量相同的黑碳小球，每一个黑碳小球的质量确定；

5、ii.计算得到黑碳团簇的质量；

6、iii.通过模拟计算黑碳团簇的终端速度(terminal velocity)和阻力的关系，获得黑碳团簇的电迁移粒径dm：

7、a)一个黑碳小球在不可压缩流体中以速度u运动时，对周围产生的速度场表示为：

8、

9、

10、其中，a为黑碳小球的半径，vr为球坐标系下以黑碳小球位置为球心的径向速度，θ为速度场相对于径向的夹角，r为距离黑碳小球球心的距离，vθ为对应的角速度；

11、b)第i黑碳小球向x轴运动时，对任意点，受到第i黑碳小球带来的速度场的力是三维的，其中y轴和z轴的力相同，第i黑碳小球沿着任意方向运动时，第i黑碳小球相对于第j黑碳小球的力张量tij表示为：

12、

13、其中i＝1,...,n，j＝1,...,n，j≠i，η0为空气粘性阻力系数，i为标准二维张量，rij为第i黑碳小球相对于第j黑碳小球的位置矢量；

14、c)给定位置的黑碳团簇产生后，第i黑碳小球产生的速度场的受力fi表示为：

15、

16、其中，ζ＝6πη0a为黑碳小球的摩擦系数，fj为除第i黑碳小球外的所有黑碳小球的速度场对第i个小球的作用力，ui为第i黑碳小球的速度；

17、d)将上面的公式简化为矩阵形式：mf＝u

18、其中，m为3n×3n的系数矩阵，f为3n×1的力矩阵，u是3n×1的速度矩阵；

19、m是对称矩阵，因此方程必然有解；

20、e)设黑碳小球沿一维运动，对于沿着x轴运动的黑碳小球，速度为[u0,0,0]，u0为黑碳小球的速率，为任意值，求解步骤d)的方程得到对应黑碳团簇受力为fx＝(fxx,fxy,fxz)，fxx、fxy和fxz分别为沿着x轴运动的黑碳小球对应黑碳团簇受力fx在x、y和z轴方向的分量；对于沿着y轴运动的黑碳小球，速度为[0,u0,0]，求解步骤d)的方程得到对应黑碳团簇受力为fy＝(fyx,fyy,fyz)；对于沿着z轴运动的黑碳小球，速度为[0,0,u0]，求解步骤d)的方程得到对应黑碳团簇受力为fz＝(fzx,fzy,fzz)，从而得到[fx,fy,fz]的3×3的力矩阵；从力矩阵计算得到受力特征向量[fx0,fy0,fz0]，fx0和fy0和fz0分别为受力特征向量在x、y和z轴方向的分量，即黑碳团簇在特征速度(u0,u0,u0)下的受力是[fx0,fy0,fz0]，求受力特征值和特征速度值的模，得到黑碳团簇的受力f和终端速度u；

21、f)通过黑碳团簇的受力和终端速度的关系，计算得到dm：

22、

23、其中，c(dm)为随电迁移粒径dm改变的唯一确定的滑移矫正系数(slipcorrectionfactors)；μ为空气摩擦系数；从而通过给定速度下的任意形状黑碳团簇的受力，得到在设定的模拟光学非球形度和质量下的电迁移粒径dm；

24、iv.改变黑碳小球的数量n，重复步骤i)～iii)，得到在设定的模拟光学非球形度下黑碳

25、团簇在不同质量下的电迁移粒径dm的分布；

26、v.改变模拟光学非球形度dfs，重复步骤i)～iii)，得到黑碳团簇在不同模拟光学非球形度和不同质量下的电迁移粒径的分布，其中，以最高的模拟光学非球形度作为光学非球形度df，建立对应的质量和电迁移粒径与光学非球形度的关系查算表；

27、2)将待测量的黑碳气溶胶通过中合器，使待测量的黑碳气溶胶带上电荷；

28、3)将带上电荷的黑碳气溶胶通过离心质量分析仪cpma，离心质量分析仪仅仅让设定质量的黑碳气溶胶通过，从而选出设定质量的黑碳气溶胶；

29、4)将设定质量的黑碳气溶胶通过差分电迁移率粒径分析仪dma，差分电迁移率粒径分析仪仅仅让设定的电迁移粒径的黑碳气溶胶通过，选出设定电迁移粒径的黑碳气溶胶；

30、5)采用气溶胶数浓度计数器测量设定的电迁移粒径对应的黑碳气溶胶的数量；

31、6)改变差分电迁移率粒径分析仪中的设定电迁移粒径，重复步骤4)和5)，得到在设定质量下的黑碳气溶胶的不同的电迁移粒径对应的黑碳气溶胶的数量；

32、7)以对应黑碳气溶胶的数量最多的电迁移率粒径作为设定质量的黑碳气溶胶的电迁移粒径；

33、8)按照黑碳气溶胶的质量和电迁移粒径，查找步骤1)建立的质量和电迁移粒径与光学非球形度的关系查算表，得到设定质量下的黑碳气溶胶的光学非球形度df。

34、进一步，改变离心质量分析仪中的设定质量，重复步骤3)～8)，得到不同的设定质量下的黑碳气溶胶的光学非球形度df。

35、其中，在步骤1)的i)中，模拟产生的黑碳小球的数量n在64～20000之间，光学非球形度df在1.4～2.8之间。

36、在步骤1)的i)中，模拟产生黑碳团簇，包括以下步骤：

37、黑碳团簇具有确定的分形结构，动力学增长用概率统计模型描述：...

【技术保护点】

1.一种在线测量黑碳气溶胶光学非球形度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的，其特征在于，在步骤1)的iii)中，获得在黑碳团簇在设定的模拟光学非球形度和质量下的电迁移粒径的分布黑碳团簇的电迁移粒径Dm，括以下步骤：

3.如权利要求1所述的方法，特征在于，进一步，改变离心质量分析仪中的设定质量，重复步骤3)～8)，得到不同的设定质量下的黑碳气溶胶的光学非球形度。

4.如权利要求1所述的方法，特征在于，在步骤1)的i)中，模拟产生的黑碳小球的数量N在64～20000之间。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)的i)中，模拟产生的黑碳小球的光学非球形度Df在1.4～2.8之间。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)的i)中，模拟产生黑碳团簇，包括以下步骤：

【技术特征摘要】

1.一种在线测量黑碳气溶胶光学非球形度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的，其特征在于，在步骤1)的iii)中，获得在黑碳团簇在设定的模拟光学非球形度和质量下的电迁移粒径的分布黑碳团簇的电迁移粒径dm，括以下步骤：

3.如权利要求1所述的方法，特征在于，进一步，改变离心质量分析仪中的设定质量，重复步骤3)～8)，得到不同的设定质量下...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵罡，林伟立，
申请(专利权)人：中央民族大学，
类型：发明
国别省市：

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