程 智，洪大富，李 抄，嚴(yán)新忠，周衛(wèi)斌，杜耀華*

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161；2.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

0 引言

生物氣溶膠是指懸浮于空氣中包含有微生物或生物大分子等生物活性物質(zhì)的微粒體系，按照內(nèi)含的生物活性物質(zhì)屬性可將其分為細(xì)菌氣溶膠、病毒氣溶膠、生物毒素氣溶膠及真菌氣溶膠等[1]。病原微生物（包括新型冠狀病毒等）所形成的生物氣溶膠對(duì)公共衛(wèi)生安全存在潛在危害。生物氣溶膠經(jīng)過(guò)氣流輸送，輸送過(guò)程中經(jīng)過(guò)蒸發(fā)，會(huì)轉(zhuǎn)化為粒徑更小的氣溶膠。小粒徑（小于1.5 μm）生物氣溶膠質(zhì)量更輕，受重力作用更小，極易在空氣中長(zhǎng)時(shí)間懸浮、擴(kuò)散[2-10]。深入理解小粒徑生物氣溶膠的傳播規(guī)律、開(kāi)展小粒徑氣溶膠的高效收集，可為溯源分析提供更為精確的前置信息，對(duì)制訂感控措施、降低感染風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。旋風(fēng)式分離采集裝置是一種用于氣固體系或者液固體系的分離設(shè)備，其工作原理是依靠氣流切向引入造成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使具有不同慣性離心力的顆粒或液滴在結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分離。高雪琦等[11]對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸下小型旋風(fēng)分離器對(duì)微米級(jí)顆粒的分離性能進(jìn)行計(jì)算研究，表明排氣管直徑對(duì)粒子阻滯效率和壓力降影響顯著。狄文靜等[12]對(duì)PM2.5 細(xì)顆粒物進(jìn)行分離，分析了流速對(duì)粒子分離性能的影響，在避免壓力降升高的前提下提升了分離效果。孟柯含等[13]研究了分離器在大氣監(jiān)測(cè)過(guò)程中影響分離性能的因素，應(yīng)用離散相模型進(jìn)行氣固兩相流耦合計(jì)算，得到了較優(yōu)的排氣管長(zhǎng)度結(jié)果。唐守強(qiáng)[14]對(duì)分離氣相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了壓力降隨著入口氣流速度及排氣管插入深度的增大而增大、隨排氣口直徑及圓柱段長(zhǎng)度的增大而減小的規(guī)律。此外，美國(guó)TSI公司等結(jié)合粉塵檢測(cè)儀推出了撞擊式粒徑切割器用于小粒徑氣溶膠的分離，但此類(lèi)粒徑切割器工作流量較低（小于5 L/min），依賴黏性油脂對(duì)非目標(biāo)顆粒進(jìn)行吸附，通用性和易用性不足[15]。

本文對(duì)經(jīng)典旋風(fēng)式粒徑分離模型進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同粒徑生物氣溶膠在分離、采集裝置中的逃逸情況進(jìn)行模擬仿真及討論，根據(jù)仿真最優(yōu)結(jié)果設(shè)計(jì)生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置，完成生物氣溶膠粒徑分離采集實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[16-20]。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置對(duì)小粒徑生物氣溶膠具有較好的分離效果。

1 理論分析

1.1 粒子在生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)方程

粒子在生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)滿足連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程[21]。

1.1.1 連續(xù)方程——質(zhì)量守恒定律

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)于單位質(zhì)量流體在Cartesian 坐標(biāo)系下的單位質(zhì)量流體連續(xù)方程為

矢量形式為

式中，ρ 為流體密度；t 為時(shí)間；V 為流動(dòng)速度矢量，u、v、w 為其在x、y、z 方向上的分量；xi為空間點(diǎn)的坐標(biāo)；ui為在時(shí)間t 下坐標(biāo)xi點(diǎn)的速度分量。

1.1.2 運(yùn)動(dòng)方程——?jiǎng)恿渴睾愣?/p>

根據(jù)運(yùn)動(dòng)守恒定律，Cartesian 坐標(biāo)系下單位質(zhì)量動(dòng)量守恒方程為

式中，p 為流體壓力；F 為單位質(zhì)量流體所受外部作用力，F(xiàn)x、Fy、Fz為其在x、y、z 方向上的分量，F(xiàn)i為其在時(shí)間t 坐標(biāo)xi點(diǎn)上的分量；τ為流體的黏性應(yīng)力，τi，j為其在（i，j）上的張量分量；μ 為流體動(dòng)力黏性系數(shù)，通常稱(chēng)黏性系數(shù)，μ'為膨脹黏性系數(shù)，μ、μ'的大小由流體分子的性質(zhì)和分子之間的相互作用決定，由于流體的μ'值往往要比μ 值小得多，一般情況下膨脹黏性系數(shù)μ'可忽略不計(jì)[22]；δi，j為Kronecker 符號(hào)；Sm為流體質(zhì)量源，Smx、Smy、Smz為Sm在x、y、z 方向上的分量，Smi為其在時(shí)間t 坐標(biāo)xi點(diǎn)上的分量。

1.2 空氣-生物氣溶膠粒子兩相流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)微分方程

根據(jù)連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，將空氣-生物氣溶膠粒子兩相流場(chǎng)中的氣體看作連續(xù)介質(zhì)，將生物氣溶膠粒子看作離散介質(zhì)。

為了計(jì)算顆粒在連續(xù)介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)情況，采用離散相模型（discrete phase model，DPM）來(lái)跟蹤單個(gè)顆粒在連續(xù)介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。生物氣溶膠粒子在空氣中占有的比例很?。w積分?jǐn)?shù)小于12%），因此不考慮粒子間的相互影響。單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡受到曳力、重力和其他力的影響，其運(yùn)動(dòng)方程為

式中，u 為流體相速度；up為生物氣溶膠粒子速度；ρ為流體密度；ρp為生物氣溶膠密度；gx為x 方向的重力加速度；Fx為x 方向的其他作用力，包括在數(shù)量級(jí)上更小的浮力、壓力梯度力、質(zhì)量力、Basset 力、Magnus升力，可以忽略不計(jì)；FD為生物氣溶膠粒子的單位質(zhì)量曳力。FD可表示為

式中，μ 為流體動(dòng)力黏度；dp為生物氣溶膠粒徑；CD為曳力系數(shù)；Re 為相對(duì)雷諾數(shù)（顆粒雷諾數(shù)）。Re 由以下公式計(jì)算得到：

對(duì)于求解過(guò)程及結(jié)果展示由Fluent 軟件多次迭代完成。

2 生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的工作原理主要靠慣性離心力的作用，使大粒徑粒子與小粒徑粒子分離。生物氣溶膠粒子受到的離心力F 計(jì)算公式如下：

式中，ρ 為生物氣溶膠粒子的密度；dp為生物氣溶膠粒徑；v 為氣體進(jìn)氣口速度；R 為生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置筒體半徑。

由上式可知，離心力的大小與進(jìn)氣口氣流速度v、生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置筒體半徑R 及生物氣溶膠粒子的密度ρ、粒徑dp有關(guān)。因此在保證進(jìn)氣速度不變的前提下，調(diào)整生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置筒體直徑D 的大小可以實(shí)現(xiàn)不同程度的粒徑分離。

典型的旋風(fēng)式分離采集裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有筒體直徑D、入口直徑di、出口直徑do、收集倉(cāng)直徑dd、筒體長(zhǎng)度H、椎體長(zhǎng)度L 和出口深度h。

圖1 典型旋風(fēng)式分離采集裝置結(jié)構(gòu)模型

本文在參考經(jīng)典旋風(fēng)式分離采集裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)5 個(gè)不同筒體直徑D 的粒徑分離情況進(jìn)行了模擬仿真。其中，取di為4.4 mm，do為4.7 mm，dd為3.7 mm，H 為8 mm，L 為20.8 mm，h 為3 mm，按照筒體直徑D 取值15～19 mm，步長(zhǎng)1 mm 進(jìn)行討論。

為了能夠最大程度地剔除非目標(biāo)粒子并提高檢測(cè)效率，本文在傳統(tǒng)粒徑分離器的基礎(chǔ)上加以優(yōu)化，在進(jìn)氣口頂端加設(shè)防護(hù)結(jié)構(gòu)[23-26]，其主要作用為對(duì)粒子進(jìn)行分離前篩選和防止消毒、噴淋等所用液體進(jìn)入采樣結(jié)構(gòu)。如圖2 所示，生物氣溶膠通過(guò)防護(hù)結(jié)構(gòu)下部入口進(jìn)入旋風(fēng)式分離采集裝置，經(jīng)分離作用后，大粒徑生物氣溶膠粒子被甩入大粒徑收集倉(cāng)，小粒徑粒子由筒體右側(cè)出口流出。

圖2 生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 仿真分析

本文使用ANSYS 軟件的ICEM CFD 模型網(wǎng)格處理工具對(duì)生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的氣路模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[27]，然后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和可視化處理。Fluent 軟件流體仿真一共分為3 個(gè)階段：前處理、求解和后處理。

2.2.1 前處理

前處理的目的是將具體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為Fluent 求解器可以接受的形式，即先對(duì)流域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流域網(wǎng)格的數(shù)目和質(zhì)量對(duì)求解過(guò)程有重要的影響。在計(jì)算機(jī)性能允許的情況下，網(wǎng)格的數(shù)目越多越好[28-30]，因?yàn)樽銐蚨嗟木W(wǎng)格可以更加合理地描述流體的流動(dòng)過(guò)程。

本文利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對(duì)生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的流域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，筒體直徑D 為18 mm 的生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖如圖3 所示。其中，面網(wǎng)格入口4 899個(gè)、出口1 038 個(gè)、壁面47 001 個(gè)，體網(wǎng)格399 592個(gè)，總網(wǎng)格數(shù)量為452 530 個(gè)。

2.2.2 求解

2.2.2.1 流型選擇

流體在生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置中的流動(dòng)方式可以根據(jù)雷諾數(shù)Re 進(jìn)行判斷：

圖3 生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

式中，ρ 為空氣密度；u為氣流的平均流速；Q0為流量大小；μ 為空氣動(dòng)力黏度；D0為當(dāng)量直徑。

對(duì)于圓管流動(dòng)，當(dāng)Re≤2 300 時(shí)，管流為層流；當(dāng)Re≥8 000 時(shí)，管流為湍流；當(dāng)2 300＜Re＜8 000時(shí)，流動(dòng)處于層流與湍流間的過(guò)渡區(qū)。流體進(jìn)入分離采集裝置時(shí)管道直徑為d，其中dd＜d＜D；氣流流量Q1為28.3 L/min；空氣密度ρ 為1.293 kg/m3，空氣動(dòng)力黏度μ 為1.836×10-5Pa·s。

按照筒體直徑D 取值15～19 mm、步長(zhǎng)1 mm，分別計(jì)算生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置中流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)Re，得到5 種筒體直徑下對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)Re 分別為2 820.6～11 434.2、2 644.3～11 434.2、2 488.7～11 434.2、2 350.5～11 434.2 和2 226.8～11 434.2。

由5 種筒體直徑下的雷諾數(shù)Re 可知，流體在結(jié)構(gòu)體中的流型均為混合流型。混合流型的數(shù)值模擬一般選用剪切應(yīng)力輸運(yùn)（shear stress transport，SST）k-w 模型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SST k-w 模型”），此模型是標(biāo)準(zhǔn)k-w 模型的變形，使用混合函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型與k-w 模型結(jié)合。SST k-w 模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型在廣泛的流動(dòng)領(lǐng)域中有更高的精度和真實(shí)度，適合于存在逆壓力梯度時(shí)的邊界層流動(dòng)。因此，流動(dòng)模型選擇SST k-w 模型。

2.2.2.2 DPM

DPM 是Fluent 軟件中提供的一種用于計(jì)算小顆粒、低濃度（體積分?jǐn)?shù)小于12%）條件下的多相流動(dòng)問(wèn)題的特殊模型[30-31]。DPM 中將流體和固體小顆粒分別視為連續(xù)介質(zhì)和離散介質(zhì)，分別用Euler和Lagrange 方程進(jìn)行計(jì)算，首先計(jì)算出連續(xù)相的運(yùn)輸方程，然后在Lagrange 坐標(biāo)下計(jì)算離散相。這里的離散是指動(dòng)量方程，不考慮固體小顆粒之間的碰撞。在氣體——連續(xù)稀疏相的流動(dòng)中，當(dāng)固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，固體顆粒之間的距離相對(duì)于顆粒本身直徑來(lái)說(shuō)已經(jīng)很遠(yuǎn)，顆粒之間相互碰撞的概率很小[32]，此時(shí)可以忽略顆粒間的相互作用。因此，本文選擇DPM 進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2.2.3 邊界條件及主要參數(shù)設(shè)置

對(duì)模擬過(guò)程中邊界條件及主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，采用SST k-w 流動(dòng)模型，設(shè)置入口速度為28.3 L/min，出口壓力為-6 000 Pa，壁面為無(wú)滑移固定壁，生物氣溶膠粒子密度為1 800 kg/m3，采用耦合解法，分別對(duì)生物氣溶膠粒子粒徑取值0.5、1.0、1.5、3.0、4.0、5.0、10.0 μm 進(jìn)行討論。

2.2.3 后處理

本文對(duì)筒體直徑D 的5 種取值進(jìn)行了無(wú)差別模擬仿真，以考察粒徑分離情況。為直觀地展示模擬仿真結(jié)果，選取筒體直徑為18 mm 的模擬仿真結(jié)果進(jìn)行可視化分析。

圖4（a）、（b）、（c）分別是粒徑為0.5、1.0、1.5 μm的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖。由于這3 種生物氣溶膠粒子質(zhì)量很輕，受到重力和慣性的影響作用很小，其運(yùn)動(dòng)主要受到氣流影響。由圖4 可知，49 個(gè)生物氣溶膠粒子進(jìn)入分離倉(cāng)之后隨氣流快速到達(dá)出口，有少量粒子受到氣流影響進(jìn)入了大粒徑收集倉(cāng)之后迅速逃逸，最終所有生物氣溶膠粒子成功從出口完成逃逸，逃逸率為100%。

圖5 是粒徑為3.0 μm 的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖。由圖5 可知，粒徑為3.0 μm 的49 個(gè)生物氣溶膠粒子進(jìn)入粒徑分離倉(cāng)后，有2 個(gè)粒子受到氣流影響進(jìn)入了大粒徑收集倉(cāng)并滯留于此，47 個(gè)粒子成功完成逃逸，逃逸率為95.9%。

圖4 小粒徑生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖

圖6 是粒徑為4.0 μm 的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖。隨著生物氣溶膠粒子粒徑的增大，受到的重力和慣性作用也隨之增大。由圖6 可知，粒徑為4.0 μm 的49 個(gè)生物氣溶膠粒子進(jìn)入粒徑分離倉(cāng)后，有25 個(gè)粒子逃逸，24 個(gè)粒子滯留于此，逃逸率為51.0%。

圖5 粒徑為3.0 μm 的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖

圖6 粒徑為4.0 μm 的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖

圖7 粒徑為5.0 μm 的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖

圖7 是粒徑為5.0 μm 的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖。由圖7 可知，粒徑為5.0 μm 的49 個(gè)生物氣溶膠粒子進(jìn)入粒徑分離倉(cāng)后，有2 個(gè)粒子完成逃逸，47 個(gè)粒子滯留于此，逃逸率為4.1%。

圖8 是粒徑為10.0 μm 的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離裝置內(nèi)的路徑圖。由圖8 可知，由于粒子質(zhì)量過(guò)大，粒徑為10.0 μm 的49 個(gè)生物氣溶膠粒子進(jìn)入粒徑分離倉(cāng)之后全部滯留，逃逸率為0。

圖8 粒經(jīng)為10.0 μm 的生物氣溶膠粒子在旋風(fēng)式分離采集裝置內(nèi)的路徑圖

通過(guò)對(duì)5 種筒體直徑的旋風(fēng)式分離采集裝置進(jìn)行生物氣溶膠粒子逃逸情況的數(shù)值模擬，得到了不同尺寸下旋風(fēng)式分離采集裝置的生物氣溶膠粒子逃逸率。5 種不同筒體直徑的生物氣溶膠粒子逃逸率折線圖如圖9 所示。

由圖9（a）、（b）、（c）可知，粒徑為0.5～1.5 μm 的生物氣溶膠粒子的逃逸率分別為68%～95%、82%～100%、94%～100%，大量目標(biāo)粒子未能全部逃逸，不滿足現(xiàn)實(shí)生物氣溶膠粒徑分離要求。圖9（d）顯示當(dāng)生物氣溶膠粒子粒徑小于1.5 μm 時(shí)，粒子的逃逸率為100%；粒徑為1.5～3.0 μm 時(shí)，粒子的逃逸率為95.9%～100%；粒徑為4.0 μm 時(shí)，粒子逃逸率下降至51%；粒徑大于5.0 μm 時(shí)，粒子逃逸率為4.1%。圖9（e）顯示粒徑小于3.0 μm 粒子的逃逸率為100%，3.0～5.0 μm的粒子逃逸率為47.0%～100%，可知此結(jié)構(gòu)對(duì)生物氣溶膠粒子的分離效果不明顯。

2.2.4 仿真結(jié)論

為制訂最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文對(duì)筒體直徑為15、16、17、18 和19 mm 的5 種生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的粒子逃逸情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的筒體直徑為18 mm 時(shí)，粒徑小于1.5 μm 的生物氣溶膠粒子逃逸率為100%，粒徑為1.5～3.0 μm 的生物氣溶膠粒子逃逸率為95.9%～100%，粒徑為4.0 μm 的生物氣溶膠粒子逃逸率下降至51%，粒徑大于5.0 μm的生物氣溶膠粒子逃逸率為4.1%。該結(jié)構(gòu)參數(shù)的粒徑分離效果明顯，可以實(shí)現(xiàn)小粒徑生物氣溶膠粒子較大比例逃逸，有效阻留大粒徑粒子。

綜合考慮后，本文選擇筒體直徑為18 mm 的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建。

圖9 5 種不同筒體直徑下生物氣溶膠粒子逃逸率

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

最終加工完成的生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置實(shí)物如圖10 所示，材質(zhì)為高純鋁。

3 生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文選用六級(jí)安德森采樣器和塵埃粒子計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的粒徑分離效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

浮游菌微環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)1 套，生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置1 個(gè)，六級(jí)安德森采樣器2 臺(tái)（以下稱(chēng)為采樣器A、采樣器B），TSI9310 塵埃粒子計(jì)數(shù)器1 臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“計(jì)數(shù)器”），無(wú)菌瓊脂培養(yǎng)皿，金黃色葡萄球菌（濃度等級(jí)107cfu/mL）懸濁液，生物氣溶膠霧化發(fā)生器1 個(gè)。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 實(shí)驗(yàn)一

采用粒子計(jì)數(shù)方法，對(duì)不同粒徑通道的粒子數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量，測(cè)試生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置對(duì)不同粒徑粒子的分離效果。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）凈化實(shí)驗(yàn)環(huán)境：浮游菌微環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)自凈10 min。

（2）構(gòu)建生物氣溶膠微環(huán)境：采用生物氣溶膠霧化發(fā)生器發(fā)生細(xì)菌，持續(xù)工作5 min。

（3）驗(yàn)證生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的分離效率：將生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置安裝在計(jì)數(shù)器進(jìn)樣口，打開(kāi)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1 min 后記錄結(jié)果，共重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 組，記錄結(jié)果。

（4）在計(jì)數(shù)器進(jìn)樣口未安裝生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的條件下，按照步驟（1）、（2）、（3）共重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 組，記錄結(jié)果。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)二

采用六級(jí)安德森采樣器采集生物氣溶膠，將經(jīng)過(guò)生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置進(jìn)行粒子阻留的采集結(jié)果與自由狀態(tài)下的采集結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，考察生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置對(duì)不同粒徑粒子的分離效果。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）凈化實(shí)驗(yàn)環(huán)境：浮游菌微環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)自凈10 min。

（2）構(gòu)建生物氣溶膠微環(huán)境：采用生物氣溶膠霧化發(fā)生器發(fā)生細(xì)菌，持續(xù)工作5 min。

圖10 生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置實(shí)物圖

（3）驗(yàn)證生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置的分離效率：在采樣器A 進(jìn)樣口處安裝生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置，采樣器B 進(jìn)樣口直接暴露（如圖11所示），同時(shí)開(kāi)啟采樣器A 和采樣器B 采樣1 min 后記錄結(jié)果，共重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 組。

（4）實(shí)驗(yàn)后處理及數(shù)據(jù)分析：將采樣器A 和采樣器B 中取出的培養(yǎng)皿放入37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h后進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)，完成統(tǒng)計(jì)分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將實(shí)驗(yàn)一中安裝生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置狀態(tài)下得到的粒子計(jì)數(shù)結(jié)果記為分離狀態(tài)，未安裝生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置狀態(tài)下得到的粒子計(jì)數(shù)結(jié)果記為自由狀態(tài)，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

圖11 采樣器A、采樣器B 氣溶膠粒子采集實(shí)驗(yàn)圖

表1 計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：個(gè)

從表1 可知：對(duì)于粒徑小于3.0 μm 的生物氣溶膠粒子，分離狀態(tài)和自由狀態(tài)下計(jì)數(shù)結(jié)果的平均值基本相當(dāng)，這說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置對(duì)粒徑0.3～＜3.0 μm 的粒子無(wú)明顯阻留作用；對(duì)于粒徑3.0～＜5.0 μm 的生物氣溶膠粒子，分離狀態(tài)下計(jì)數(shù)結(jié)果的平均值為457 個(gè)，自由狀態(tài)下計(jì)數(shù)結(jié)果的平均值為966 個(gè)，逃逸率為47.3%，分離阻留作用開(kāi)始顯現(xiàn)；對(duì)于粒徑5.0～＜10.0 μm 和10.0 μm及以上的生物氣溶膠粒子，逃逸率分別為2.9%和0.4%，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置對(duì)粒徑5.0 μm 及以上粒子有明顯的分離阻留作用。

實(shí)驗(yàn)二中采樣器A 和采樣器B 的采樣培養(yǎng)細(xì)菌計(jì)數(shù)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 采樣結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：個(gè)

從采樣器A、采樣器B 的平均值來(lái)看，第4、5、6級(jí)的采樣結(jié)果基本相同；采樣器B 第3 級(jí)的菌落計(jì)數(shù)約是采樣器A 的2 倍；采樣器A 第2 級(jí)的菌落計(jì)數(shù)僅1 個(gè)，是采樣器B 的3.6%；采樣器A 第1 級(jí)的菌落計(jì)數(shù)為1 個(gè)，而采樣器B 為44 個(gè)（金黃色葡萄球菌的一般粒徑為0.8 μm，當(dāng)生物氣溶膠發(fā)生瓶對(duì)其進(jìn)行細(xì)菌霧化工作時(shí)，部分細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生抱團(tuán)現(xiàn)象），逃逸率為2.3%。說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置對(duì)粒徑小于3.3 μm 的生物氣溶膠粒子基本無(wú)阻留；對(duì)于粒徑大于3.3 μm 的粒子，隨粒徑增加分離阻留效率逐漸增大。

4 結(jié)語(yǔ)

生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置可以阻留大粒徑生物氣溶膠粒子，提高對(duì)小粒徑氣溶膠的采集效率。為獲得最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文借助Fluent 軟件對(duì)生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置筒體直徑為15、16、17、18 和19 mm 參數(shù)下的粒子逃逸情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示當(dāng)生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置筒體直徑為18 mm 時(shí)，粒徑小于1.5 μm 的生物氣溶膠粒子逃逸率為100%，隨粒徑增加逃逸率迅速下降；粒徑大于5.0 μm 時(shí)粒子逃逸率下降到4.1%，粒徑分離效果明顯，理論上可以在保證目標(biāo)粒子通過(guò)的前提下最大程度阻留大粒徑粒子。同時(shí)，根據(jù)模擬仿真結(jié)果搭建了實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，選取塵埃粒子計(jì)數(shù)器和六級(jí)安德森采樣器對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，取得了與模擬仿真較為一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置可以有效阻留大粒徑氣溶膠粒子，達(dá)到粒徑分離效果。

本設(shè)計(jì)為小粒徑生物氣溶膠的分離采集與分析提供了新的方法和思路，下一步將針對(duì)不同入口速度下的生物氣溶膠旋風(fēng)式分離采集裝置最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，以滿足不同場(chǎng)景、不同采樣分析方式對(duì)特定粒徑氣溶膠切割阻留的需要。