几何构型对陷阱式撞击器颗粒捕获效率的影响机制研究

研究人员针对陷阱式撞击器在收集多分散液滴时效率不稳定的问题，通过系统研究几何参数（直径比DT/2R、间隙比S/2R等）对捕获效率的影响，发现增大陷阱比（陷阱与喷嘴直径差/陷阱总深度）可显著提升捕获效率（最高达94%），为生物传感器和气溶胶采样设备优化设计提供了关键数据支撑。

　　

在空气污染监测和生物气溶胶检测领域，惯性撞击器是分离颗粒物的核心设备，但传统平板式设计存在样本分散、难以定向收集的缺陷。陷阱式撞击器通过在撞击板中央设置凹槽改善这一问题，然而其几何参数（如陷阱直径D_T、深度T等）如何影响多分散液滴的捕获效率，始终缺乏系统性研究。尤其当液滴粒径范围跨越0.3-10.5μm时，斯托克斯数(St)分布复杂，更增加了设计优化的难度。

美国罗格斯大学（Rutgers University）的研究团队在《Journal of Aerosol Science》发表论文，首次建立了多分散液滴条件下陷阱几何参数与捕获效率的定量关系。通过Blausetin Atomizer生成橄榄油液滴（密度920 kg/m³），结合光学粒径分析仪和变流量控制技术，研究人员精确测量了不同陷阱比（定义为(D_T-2R)/T）下的效率曲线。关键发现包括：当陷阱比从0.27增至1.00时，最大捕获效率从31%跃升至94%，而壁面损失显著降低。该研究为生物传感器等需要定向收集颗粒的应用提供了明确的几何设计准则。

主要技术方法

研究采用Blausetin Atomizer(BLAM)生成多分散橄榄油液滴（0.3-10.5μm），通过混合腔确保粒径分布稳定性；使用光学粒径分析仪实时监测喷嘴下游颗粒分布；通过调节稀释空气流量控制Stokes数(St)分布；采用三种喷嘴直径（1.5/2.3/3mm）和多种陷阱几何构型进行对比实验。

研究结果

1. 输入粒径分布量化

   通过5L/min流量下的粒径概率密度函数证实，液滴在0.3-10.5μm范围内呈典型多分散分布，为后续St计算提供基础。

2. 陷阱几何参数影响

   直径比D_T/2R=1.9时效率曲线最接近平板撞击器理论值，而较小直径比（1.4）导致效率异常；陷阱比每增加0.1，捕获效率平均提升15%，壁面损失降低8%。

3. 多分散体系的特殊性

   相比单分散研究，多分散液滴的St分布导致效率曲线斜率更平缓，需更高St(≈1)才能达到80%效率，凸显几何优化的必要性。

结论与意义

该研究首次揭示陷阱比是决定捕获效率的核心参数，其通过改变回流流场影响颗粒沉积行为。提出的几何设计准则（优先选择大陷阱比）可直接应用于生物气溶胶采样器、呼气诊断设备等领域。特别是对COVID-19等呼吸道病毒检测，高效率的陷阱设计能提升样本收集可靠性。研究还指出，未来需进一步探究锥形/柱形陷阱的流场特性，以优化更复杂的多级撞击器系统。