受限建筑环境中通风驱动去除激光清洗产生的亚微米气溶胶：源材料、气流特性和内部结构的影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Ventilation-driven removal of laser-cleaning-generated submicron aerosols in confined built environments: Effects of source material, airflow characteristics, and internal structures

　　

## 摘要

在受限工业建筑中进行基于激光的表面处理会产生大量亚微米级气溶胶，这对基于通风的净化、污染控制和职业安全构成了严峻挑战。该问题与核反应堆退役密切相关，因为气溶胶的产生和输运会直接影响污染控制。本研究在受限容器中实验研究了激光清洁碳、铜、不锈钢（SS）和混凝土表面时气溶胶的产生情况，以及随后在通风驱动下的去除行为。采用高分辨率低气压冲击器测量了气溶胶的实时浓度和粒径分布，并结合对辐照样品的表面观察进行辅助分析。结果表明，气溶胶的产生和去除表现出强烈的材料依赖性。在气体混合后，碳材料的峰值粒径几乎保持不变，铜材料略有增加，而不锈钢和混凝土则明显向更大粒径偏移，表明存在更强的团聚现象。在通风条件下，提高风机频率可增强气溶胶去除效率，但在高频时改善效果趋于不明显。去除过程还表现出明显的空间依赖性，中心和下部区域的去除速度快于外围和上部区域，去除效率顺序为：碳≈不锈钢>铜>混凝土。机理分析表明，惯性效应可忽略不计，而较弱的布朗扩散迁移能力阻碍了较大气溶胶跨越外围低速区域的输运。此外，格栅结构通过干扰向上输运和降低局部气流速度而降低了去除效率。这些发现为受限工业环境中的智能通风设计提供了实验依据，表明气溶胶去除应通过控制通风强度、气流路径、内部结构阻力以及粒径相关的输运特性来优化。

## 引言

含气溶胶气流的净化是环境、化学和能源工程系统受限建筑环境中的持久挑战[[1],[2],[3]]。在热处理、表面处理、材料烧蚀、废物处理和含污染气体作业过程中产生的细颗粒物可能在长时间内悬浮于空气之中，并在受限空间内高效扩散，从而增加设备污染、职业暴露和大气排放的风险[4,5]。在此类系统中，有效的空气净化不仅需要在源头减少气溶胶的产生，还需要理解颗粒在真实流动条件下如何被输运、扩散并最终被去除。这使得其通风驱动的去除效率对受限空间内的气流结构和停留时间高度敏感。对于细粒和亚微米级气溶胶，这一问题尤为关键，因为传统的气相分离机制表现出明显的粒径依赖性限制：重力沉降和惯性分离主要对粗颗粒有效，而中间的亚微米颗粒，尤其是0.1–1 μm左右的颗粒，捕获效率较低，因为惯性驱动捕集和布朗扩散均不占主导。因此，此类气溶胶的净化性能对粒径、流场结构、停留时间和系统构型高度敏感。

在需要含气溶胶气流净化的众多工程场景中，核反应堆退役代表了一个特别具有挑战性的案例，因为气溶胶控制对辐射安全、环境保护和污染管理至关重要[6,7]。全球越来越多的核反应堆进入退役阶段，而受损电厂（如福岛第一核电站）的拆除工作进一步加剧了对有效气溶胶控制技术的需求[[8],[9],[10]]。在福岛第一核电站反应堆的去污、结构拆除和燃料碎片回收过程中，危险的放射性气溶胶颗粒可能在受限的反应堆空间内产生并重新分布，对后续的公共卫生保护和环境安全构成重大挑战[[11],[12],[13]]。气溶胶的后续输运和去除直接影响污染路径、工人暴露以及放射性释放的风险[14,15]。因此，退役环境中的气溶胶净化不仅是核安全问题，也是一个涉及复杂受限系统中颗粒产生、气相输运和去除的代表性分离问题。

与接触式机械拆除或表面移除方法相比，高功率激光技术凭借其非接触特性、适用于远程操作、对复杂几何形状的灵活性以及与高辐射环境的兼容性，已成为退役作业中有前途的工具[[16],[17],[18]]。特别是，激光清洁被认为是有吸引力的污染表面处理方法，而激光切割则与拆除和碎片回收任务相关[19]。然而，这一优势并未消除空气传播污染的风险，因为激光辐照金属或矿物表面可产生大量空气传播颗粒物，通常以细粒和亚微米级气溶胶为主[[20],[21],[22],[23],[24]]。由于其重力沉降速度较低，这些细颗粒的悬浮时间远长于粗的机械碎片，使其输运和去除成为受限退役环境中的关键问题。此外，高功率激光-材料相互作用通常涉及局部加热、熔化、汽化、氧化以及喷出物种的快速再固化或成核-凝结，这为激光表面处理过程中材料依赖的气溶胶产生提供了物理基础[25]。因此，气溶胶产率和粒径分布可能随辐照材料和激光操作条件而显著变化。

为从气相环境中去除这些气溶胶，人们已大量关注基于水的去除技术，特别是具有静电增强的喷雾和水池洗涤[[26],[27],[28],[29],[30]]。在这些方法中，气溶胶去除主要由直接的颗粒-液体相互作用支配，包括惯性碰撞、截留、布朗扩散，以及使用带电液滴时的静电吸引。水雾还可促进雾滴-颗粒团聚，从而提高液滴到增大颗粒的惯性碰撞捕获效果[[31],[32],[33],[34]]。然而，在放射性气溶胶控制中使用水还会引发关于含污染水的产生、储存和处理方面的额外担忧[35,36]。因此，与下游过滤或排气处理相结合的通风仍然是必不可少的且实际可行的气溶胶管理手段[[37],[38],[39]]。与水洗涤不同，通风驱动的去除不会引入额外的液相，也不直接通过液滴-气溶胶相互作用捕获颗粒。相反，颗粒保持在载气中悬浮状态，主要通过气流驱动输运到排气/过滤路径中去除。在此过程中，去除性能受颗粒停留时间、局部流动不均匀性、回流、布朗扩散、重力沉降以及内部结构遮挡的影响。

尽管如此，与基于水的缓解方法相比，真实激光产生的气溶胶在通风驱动下的去除行为仍知之甚少。现有研究更多关注气溶胶产生特性、喷雾洗涤或在简化流动条件下的沉积[23,24,[40],[41],[42]]，而激光清洁在真实容器级受限条件下产生的气溶胶的输运和通风驱动去除则鲜有关注。这个问题很重要，因为通风性能不仅受名义换气率支配，还受粒径分布、流场不均匀性、局部回流和内部结构之间相互作用的共同影响。在许多受限空间通风分析中，气流阻力通常通过换气率、排气流量、整体压降或简化的入口/出口边界条件等全局参数来表示[[37],[38],[39]]。尽管这些处理方法对于估算整体去除行为很有用，但它们可能无法完全描述壁面附近、格栅、障碍物或结构支撑附近局部输运阻力。先前的颗粒沉积和通风研究表明，近壁面输运受布朗/湍流扩散、重力沉降、表面相关流动条件及局部气流组织的影响很大[43,44]。在这些区域，边界层发展和遮挡引起的流动分离可产生弱流或回流区域，气溶胶输运变得扩散受限，停留时间延长[41]。因此，一旦释放到受限容器中，气溶胶会经历对流输运、扩散分散、重力沉降以及近边界或障碍物处的局部捕获等竞争效应。这些机制在不同粒径范围内作用不同，并受到气溶胶群体材料依赖特性的进一步调制。因此，不同辐照表面即使在相同操作流条件下也可能表现出显著不同的通风去除行为。因此，理解源头特性和通风条件如何共同支配气溶胶的输运和去除，对于优化不同激光辐照表面产生的气溶胶的通风驱动气体净化至关重要。

在本工作中，在UTARTS（东京大学喷雾气溶胶去除测试）受限容器中，实验研究了激光辐照代表性表面时气溶胶的产生以及随后在通风驱动下的去除行为。采用气溶胶浓度和粒径分布的实时测量来阐明辐照材料、激光操作条件和测量位置对气溶胶产生和输运的影响。进一步研究了通风强度和内部结构复杂性对去除行为的影响，从而将气溶胶源头特性与受限系统中与核退役相关的通风驱动净化性能联系起来。本工作调查了材料依赖的气溶胶演变与通风定义的输运路径之间的耦合关系。不同辐照材料产生的气溶胶具有不同的粒径分布和团聚倾向，这决定了它们的扩散迁移能力、悬浮持久性以及跨越弱流区域的能力。同时，受限容器的流场决定了这些颗粒是迅速被卷吸入中央排气路径，还是滞留在外围、上部或受遮挡影响的区域中。研究结果为核反应堆退役期间的气溶胶控制提供了面向应用的见解，并为受限气体净化系统中危险亚微米级气溶胶的通风策略设计提供了机理理解。

### 主要实验装置

UTARTS装置的总体布局如图1(a)所示。该系统用于研究激光辐照引起的气溶胶形成以及通过通风驱动流动的去除过程。测试段为一个圆柱形不锈钢容器，高2.5 m，直径1.5 m，总内部体积为3.922 m3。容器壁周围安装了十三个窗口以观察内部。所有光学窗口均为圆形几何形状，

### 气溶胶产生的可视化

为可视化激光引起的气溶胶产生过程，采用了阴影摄影技术。图3(a)展示了可视化装置。在与激光辐照表面垂直的方向上，通过两个光学窗口布置了背光系统和高速相机。图3(b)显示了代表性结果（相应视频见补充材料B）。辐照时，材料表面吸收激光能量，其温度上升。

## 结论

优化激光清洁产生气溶胶的通风驱动去除，对于核退役以及其他受限工业或建筑相关含颗粒环境中的空气传播污染控制具有直接的工程重要性。本研究在受限容器中实验研究了不同表面经激光辐照时气溶胶的产生特性及其在通风驱动流动下的后续去除行为。结果表明，两者均...

## 利益冲突

作者声明不存在竞争利益关系。

## CRediT作者贡献声明

Ruicong Xu：撰写—初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式化分析、数据整理、概念化。Ravinder Kumar：撰写—审阅与编辑、可视化、监督、方法论、调查、数据整理、概念化。Hanyu Wang：撰写—审阅与编辑、可视化、调查。Wen Zhou：撰写—审阅与编辑、监督、调查。Yosuke Nishimura：撰写—审阅与编辑、可视化、调查。Ruicong Xu|Ravinder Kumar|Hanyu Wang|Wen Zhou|Yosuke Nishimura|Avadhesh Kumar Sharma|Zeeshan Ahmed|Ryo Yokoyama|Shunichi Suzuki|Koji Okamoto|Shuichiro Miwa

东京大学核专业学校，日本茨城县铫子町白岭白木2-22，邮编319-1188。