Page 113 - 《应用声学》2021年第1期

第 40 卷 第 1 期 柏文文等： 声波作用下液滴碰并沉降及其氢氧同位素特征 109

3.2 液滴初始粒径对氢氧同位素交换的影响 方差分析结果表明声波对氢氧同位素交换影响
声波使得河水源液滴的汇集水中氢同位素出 显著 (F O = 19.52，F H = 15.21，显著性水平为
现富集，其影响的显著性水平可达0.05，而对于雨水 0.05 时对应的临界值 F(1,4) = 7.71，F O > 7.71，
源，声波作用效果不显著，说明还有其他因素影响液 F H > 7.71)。说明液滴初始粒径越大，声波对液滴
滴与环境水汽氢氧同位素交换过程。水源为河水和 与环境水汽同位素交换的影响效果就越显著。
雨水时，声波作用后液滴特征粒径均出现增大趋势， 3.3 实验误差及不确定性分析
其中河水水源的 D 90 增量均值 (25 µm)与雨水水源 3.3.1 采样过程对实验结果的影响分析
的 D 90 增量均值 (38 µm) 相差 13 µm。但是两种水
本文采用的液滴生成装置利用物理碰撞分裂
源液滴初始粒径差距较大，其中 D 90 相差 46 µm(河
的原理生成液滴，不会产生同位素分馏。液滴样本
水源和雨水源的D 90 分别为67 µm和21 µm)。因此
采集的是同一时间同一管路的液滴，因此能够代
推断液滴初始粒径不同导致了声波作用后液滴与
表气室中液滴同位素值。汇集水样本是采用一次
环境水汽同位素交换不显著。
性针管抽取烧杯中的水留存，实验中烧杯残留水
为证明上述推断，采用相同的雨水源和液滴通
量在 +2 g 以内，而每组工况下烧杯收集的水量均
入量，更大的液滴初始粒径 (D 90 为 82 µm) 进一步
在 250 g 以上，烧杯壁黏附的水量仅占收集总水量
实验。结果如图 6 所示，可以看出汇集水中同位素
的 0.8%，且实验中水源为同一水源，因此烧杯壁面
值均高于对应的液滴同位素值，且汇集水中氢氧同
黏附的液态水对测试样本中的同位素值影响忽略
位素值随实验工况产生规律性波动，相对于自然沉
不计。
降工况，声波作用工况的汇集水同位素值出现富集。
3.3.2 气室温度变化对实验结果造成的影响分析
-68
-10.8 根据测量的粒径变化特征，估算得液滴气室沉
-69
-11.0 降时间为 45 s，远小于气室中温度记录测量时间间
-70
-11.2 隔 (300 s)，因此液滴沉降周期内的气室温度变化
-71
δ 18 O/ā -11.6 -72 δD/ā 值无法测量。单次采样时间内 (1200 s) 气室温度最
-11.4
◦
◦
-73 大增幅 0.5 C (±0.2 C)，整个实验过程中温度升
-11.8 AW»δ 18 O 高 1.0 C (±0.2 C)。根据理想气体状态方程，温升
◦
◦
DP»δ 18 O -74
-12.0 AW»δD ◦
DP»δD -75 1.0 C 引起的平均分子运动速度增量很小 (波尔兹
-12.2
-76 曼常数为 1.38×10 −23 J/K)，忽略温升对气室环境
NS AA NS AA NS AA
ࠄᰎࢺц 水汽中分子运动速度的影响。
(a) ๯ໟԣХලᬷඵඪතՏͯጉԫӑ 温度变化会影响液滴水分子能态，进而使得离
解能发生变化，表现在分子扩散系数上。整个实验过
-10.8 -68.0
AAAW»δ 18 O
NSAW»δ 18 O -68.5 程持续 24000 s，温升速率为 4.17×10 −5 ◦ C/s。在液
-10.9 AAAW»δD
◦
NSAW»δD 滴沉降过程中 (45 s) 气室温度平均升高 0.0019 C，
-69.0
δ 18 O/ā -11.0 -69.5 δD/ā 考虑传热效率以及水的比热容等，则可忽略气室温
度变化对液滴中分子扩散系数的影响。
-11.1
-70.0
-11.2 -70.5
4 低频声波作用下液滴与环境水汽同位素
-71.0
-11.3 交换理论机理
-71.5
1 2 3
ིࠫጸ 根据实验结论，液滴在气室沉降过程中会与环
(b) ܦฉࠫලᬷඵඪතՏͯጉॖ־Тጇ 境水汽发生同位素交换，交换强度与液滴粒径呈现
图 6 雨水源液滴 -汇集水氢氧同位素变化图 正相关，且受声波显著影响。作者将建立液滴与环
Fig. 6 Hydrogen and oxygen isotopes diagram of 境水汽交换的同位素控制方程，揭示低频声波作用
precipitation droplet and accumulated water 下液滴与环境水汽同位素交换理论机理。