《Atmospheric Environment: X》：A FRAMEWORK FOR REPRODUCING FIELD-REPRESENTATIVE SHEAR IN PORTABLE WIND TUNNELS USED FOR ODOUR EMISSION MEASUREMENTS
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便携式风洞（PWT）用于测量废水处理厂（WWTP）等被动液面的气味气体排放。为获得具有代表性的现场排放估算，便携式风洞需复现大气边界层条件，而摩擦速度（u*）作为控制液-气两相间传质系数和表面波形成的关键参数，其精确复现对于低挥发性气味化合物的排放测量至关重要
便携式风洞（PWT）用于测量废水处理厂（WWTP）等被动液面的气味气体排放。为获得具有代表性的现场排放估算，便携式风洞需复现大气边界层条件，而摩擦速度（u*）作为控制液-气两相间传质系数和表面波形成的关键参数，其精确复现对于低挥发性气味化合物的排放测量至关重要。然而，目前关于便携式风洞内部边界层结构及其与运行条件之间定量关系的研究仍十分有限。本研究采用平面粒子图像测速（PIV）技术，在低流速（0.1–0.61 m s?1）和中流速（1.92–2.27 m s?1）两种工况下，对便携式风洞主测试段内的流动特性进行了系统实验表征。实验以刚性平板模拟被动液面，通过经典风洞整流准则设计筛网组件以消除流动分离并实现流场均匀化。结果表明，经整流后的流场在垂直和水平方向上均表现出良好的二维性。在层流工况下，边界层位移厚度沿流向的演化遵循修正的Blasius标度律，对应的摩擦速度为0.01–0.045 m s?1；在湍流工况下，边界层遵循平板湍流边界层理论，采用Clauser方法估算的摩擦速度为0.10–0.15 m s?1，与大气表面层典型值一致。基于Blasius解和湍流幂次律分别建立了两种预测模型，实现了给定流量下摩擦速度的定量预测。研究证实了便携式风洞能够发展符合经典平板边界层理论的湍流边界层，摩擦速度可通过理论原理可靠估算，这为便携式风洞的标准化设计提供了物理基础，并为数值模拟验证提供了高分辨率实验参考数据库。
**便携式风洞内部流场特性及其摩擦速度预测模型研究——面向气味排放测量的标准化框架**
**1. 研究背景与意义**
城市地区气味扰民投诉的频繁出现，与居民区邻近污水处理厂（WWTP）等设施的布局密切相关。这些设施排放的硫化物、氮化物及挥发性有机化合物（VOCs）在极低浓度下即可被感知，不仅影响居民福祉和生活质量，特定化合物在特定浓度下还可能引发眼部及呼吸道刺激、头痛、恶心等症状。因此，对污水处理单元排放量的定量评估对于环境影响评价和减缓措施制定具有至关重要的基础性作用。
稳定塘、初沉池、二沉池及间歇反应器等设施因其巨大的被动液面暴露于大气流动中，挥发过程主导了气相传质，构成了主要气味源。直接排放测量通常采用动态通量室（DFC）或便携式风洞（PWT）进行，这两种装置通过封闭部分液面并在受控吹扫气流下根据气体浓度测定排放通量。动态通量室多采用半球形封闭结构，来流与曲壁相互作用产生复杂回流流型，已有研究报告指出不同设计的动态通量室在相同条件下测得的排放估算值差异显著。美国环保署推荐使用的Klenbusch规程仍为主要技术参考，但已有研究识别出该方法的关键局限，包括采样口位置引发的稀释效应、液面处非代表性的摩擦速度，以及气相饱和对挥发动力学的影响，尤其对苯酚和有机酸等高气相阻力化合物影响明显。
相比之下，便携式风洞促进气流与液面近平行流动，能更接近大气边界层条件。已有研究证实便携式风洞与气象学法测定的排放速率在液相和气相控制传质区均存在良好的相关性，表明其在物理代表性上优于动态通量室。但近期对比研究指出，两类装置间的差异具有化合物依赖性，且与局部流体动力学条件和传质行为密切相关，目前尚无关于何种取样方式普遍更优的明确共识。
摩擦速度（u*）被证明是取样过程中的关键监测参数，因其直接关联液相至气相传质系数以及宏观和微观尺度的表面波形成，进而影响气味化合物的排放。虽然便携式风洞无法复现全部大气现象，但使摩擦速度匹配现场值已被视为获得代表性排放估算的必要条件。然而，目前有关便携式风洞内部边界层结构及其与运行条件关系的研究仍十分匮乏。现有研究大多关注影响测量通量的整体运行参数，而流动条件与摩擦速度之间的定量联系基本缺失。缺乏标准化导致装置尺寸、整流系统和运行方案存在广泛的差异性，目前尚无共识性模型可用于估算静态液面采用便携式风洞的排放量。德国VDI 3880（2011）指南是唯一接近便携式风洞方法的被动面源排放采样规程。
对便携式风洞流动力学特性的实验研究十分有限，已有工作主要依赖侵入式热线风速仪在低采样频率下测量单一速度分量，限制了对湍流结构的表征。非侵入式光学技术如粒子图像测速（PIV）则能提供解析边界层发展和剪切驱动流结构的更全面途径。
**2. 研究内容与技术方法**
本研究针对上述文献空白，利用平面PIV技术对便携式风洞内部流动进行实验表征，重点研究低和中流速自由来流速度（<3.0 m s?1）条件下取样段内边界层发展和摩擦速度特性。实验在刚性光滑表面上进行，无表面变形。为便于近界面速度测量，风洞底部液面以刚性平板替代。该简化边界条件的采用得到Shaikh和Siddiqui研究结果的支持：在低空气流速且无波浪产生的条件下，刚性平板和水面上的平均速度廓线相似，尽管前者摩擦速度略高。研究目标是评估便携式风洞运行能否复现与大气湍流相当的摩擦速度，并建立运行条件与边界层特征间的预测关系。提出的框架旨在验证便携式风洞内能否发展遵循经典光滑表面湍流边界层理论的湍流边界层，从而基于理论原理估算摩擦速度，确认装置内部流场的良好流体动力学确定性，最终支持便携式风洞用于气味排放测量的标准化进程。
实验在巴西PUC-Rio大学流体工程实验室完成。实验装置选型基于Jiang等人提出并经Wang等人改进的几何构型，该构型已被多项实验和数值研究广泛考察。与原设计中采用竖直导流叶片和穿孔挡板的整流方案不同，本研究遵循Mehta和Bradshaw针对航空风洞建立的经典准则，在扩张段安装筛网组件实现流动均匀化。根据扩散段面积比（AR = 12.7）和扩散角（2θ = 33.4°），确定需要4层筛网，累计压降系数（K）满足K ≥ 10的防分离要求。低流速工况采用4层60目筛网（K = 15.65–16.67），中流速工况因系统压力限制将首层筛网替换为20目筛网（K = 12.97–13.27）。筛网性能评估在最低平均流速（= 0.12 m s?1）下进行，该工况因近壁动量降低而对逆压梯度分离最为敏感。PIV测量采用双腔532 nm Nd:YAG激光器（Quantel Evergreen，15 Hz，脉冲能量70–200 mJ），PCO 4000相机（4008 × 2672像素）配备Nikon AF-S 55 mm f/1.8G镜头，近壁测量通过加装延伸环提高放大率。图像在MATLAB中采用多通道互相关算法处理，查询窗口从128像素递减至32像素，重叠率75%。测量覆盖中心垂直平面（xy，z/W = 0）和三个水平平面（xz，y/H = 0.2、0.5、0.8），通过图像拼接覆盖完整测试段。低流速工况流量范围为0.012–0.061 m3 s?1（对应平均流速0.1–0.61 m s?1），中流速工况流量为0.192–0.227 m3 s?1（对应平均流速1.92–2.27 m s?1），上限对应于液面边界条件下风生表面波的起始阈值。
**3. 主要研究结果**
**3.1 流场均匀化效果验证**
未安装整流组件时，测试段内流动表现出强烈的三维特性：近下壁面形成射流状结构，持续至x/L ≈ 0.7后才逐渐扩散；水平面显示展向不对称和回流区分布——y/H = 0.2处近壁射流分叉，y/H = 0.5处中心反向流动，y/H = 0.8处近顶壁回流增强。这种无控制的流动产生空间上不均匀的壁面剪切，严重损害排放测量可重复性。安装筛网组件后，射流状加速和回流流动被消除，整个测试段流场近均匀，偏差仅局限于薄侧向边界层内。结果表明，基于经典风洞准则的扩散段-筛网设计能有效稳定便携式配置中的流动，确保底面剪切条件可控且可重复。
**3.2 层流工况边界层特性与摩擦速度模型**
在低流速工况下（0.012–0.061 m3 s?1，平均流速0.1–0.61 m s?1），测试段内流动保持层流。展向两个位置（z/W = 0和-0.25）在三个流向位置（x/L = 0.12、0.45、0.90）的垂直速度廓线高度重合，证实流动的二维性。测量的形状因子（H ≈ 2.6）在最低平均流速下与Blasius解吻合，确认层流平板边界层行为。位移厚度沿流向的线性演化趋势与Blasius解一致，但在最低流速下尤其是测试段下游端出现偏差，这可能与风洞出口收缩段的影响有关。基于实验数据建立了位移厚度随流向位置和平均流速变化的线性表达式。壁面剪切应力通过高分辨率速度廓线的近壁线性拟合直接获取，摩擦速度计算结果在不同动量厚度雷诺数下与Blasius标度律的线性关系（斜率0.289）高度一致。模型预测的摩擦速度在实验不确定度范围内（95%置信区间）与测量值良好吻合。该层流工况下摩擦速度范围为0.01–0.045 m s?1，对应大气表面层典型值（u* = 0.07–0.72 m s?1，10 m高度风速约2.7–17.2 m s?1）的下部区间。
**3.3 湍流工况边界层特性与摩擦速度模型**
在中等流速工况下（0.192–0.227 m3 s?1，平均流速1.92–2.27 m s?1），边界层呈湍流形态。三个展向位置和三个流向位置的垂直速度廓线在最高平均流速下高度重合，确认流动的二维性。形状因子H约在1.9–1.4之间变化，虽高于充分发展平板湍流边界层的典型范围（1.3–1.4），但呈现明确的下游递减趋势，表明边界层处于发展演化阶段而非充分发展的标准平板边界层。位移厚度与当地雷诺数之间的关系遵循湍流幂次律标度：在中间和下游位置数据紧密聚集，但在近入口处出现偏差，反映上游条件对边界层发展的影响。因此，拟合关联式仅基于中间和下游区域数据建立，其比例常数与经典平板湍流边界层的差异可归因于风洞流动缺乏明确的前缘。由于PIV空间分辨率不足以解析粘性底层的陡峭速度梯度，壁面剪切应力采用Clauser方法估算，即通过平均速度垂直廓线在对数律区的外推获得（von-Kármán常数κ = 0.41，积分常数B = 5.0）。湍流工况下摩擦速度范围为0.10–0.15 m s?1，与液面或固体表面上实际大气流动的典型平均摩擦速度一致。基于摩擦速度计算的表面摩擦系数与White经验关联式（以位移厚度雷诺数为变量）在95%置信区间内表现出合理的一致性，验证了所建立模型的适用性。
**4. 结论与意义**
本研究通过对便携式风洞内部流动的系统PIV实验表征，证实了该装置能够在测试段内发展遵循经典光滑平板湍流边界层理论的湍流边界层，从而使摩擦速度可以基于理论原理可靠估算。层流工况下（平均流速0.12–0.61 m s?1）摩擦速度为0.01–0.045 m s?1，湍流工况下（平均流速1.92–2.27 m s?1）摩擦速度为0.10–0.15 m s?1，后者与大气表面层流动中典型观测值一致。所建立的两个预测模型使研究人员能够根据给定流量直接设定取样过程中的目标摩擦速度。尽管研究采用了刚性平板替代液面的简化构型，可能造成摩擦速度的一定高估，但所提出的框架为便携式风洞标准化讨论提供了物理基础。高分辨率PIV数据集为便携式系统中受限边界层流动的数值模拟验证提供了稀有的实验参考。通过连接经典边界层理论与实际现场仪器，本研究推动便携式风洞从经验装置向物理可控、可重复的环境测量工具迈进，其研究结果发表在《Atmospheric Environment: X》上。研究得到的摩擦速度范围表明，便携式风洞能够复现从弱层流到接近风生表面波起始湍流状态的相关剪切条件，覆盖污水处理应用的实际需求。未来工作可在此基础上进一步考虑液面变形和波浪生成的效应，以完善便携式风洞在更广泛现场条件下的适用性。
