Aerosolivaraajan mallinnus COMSOL Multiphysics -ohjelmistolla

Abstract

Aerosolihiukkasten sähköistä varaamista käytetään monissa aerosolien mittausmenetelmissä ja käytännön sovelluksissa. Yksi hiukkasten varaamiseen käytetty menetelmä on koronapurkaukseen perustuva aerosolivaraaja, jonka toimintaa tässä työssä mallinnetaan numeerisesti COMSOL Multiphysics -ohjelmistolla. Työn tavoitteena on kartoittaa kyseisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta aerosolivaraajan mallinnukseen luomalla malli, jonka avulla voidaan arvioida halkaisijaltaan 0,5–5,0 µm:n hiukkasten käyttäytymistä varaajassa.

Työssä esitellään aluksi hiukkasten mekaaniseen käyttäytymiseen, sähköiseen varautumiseen ja häviöihin liittyvää teoriaa. Hiukkasten mekaanista käyttäytymistä tarkasteltaessa tulee ottaa huomioon sekä hiukkasten että kantokaasun ominaisuudet. Koronapurkaukseen perustuvassa aerosolivaraajassa hiukkasia varataan kahdella eri mekanismilla: diffuusio- ja kenttävarautumisella. Aerosolivaraajan toimintaan liittyy sähköisiä ja mekaanisia häviöitä, joiden arvioiminen voisi olla luodun simulaatiomallin ensisijainen käyttökohde.

Teoriaosuuden jälkeen työssä käydään läpi elementtimenetelmään perustuvalla Multiphysicsohjelmistolla rakennettu simulointimalli, johon sisältyvät varaajan geometria, virtausputkessa vallitsevat virtaus- ja sähkökenttä sekä hiukkasten liikeradat. Tämän jälkeen siirrytään tulosten laskentaan. Koska työn tarkoituksena on arvioida ohjelmiston soveltuvuutta aerosolivaraajan mallinnukseen, yhtenä tutkittavana asiana oli simulointiin liittyvät laskenta-ajat. Laskentaverkon tarkkuutta ja aika-askeleen pituutta varioimalla havaittiin, että laskentaverkon tarkkuuden ollessa normaalilla asetuksella ja aika-askeleen ollessa 6 ∙ 10^-5 s laskenta-aika pysyi maltillisessa 77 sekunnissa, ja tätä tarkemmilla asetuksilla tulokset eivät enää juuri muuttuneet. Niinpä nämä asetukset valittiin käytettäväksi seuraavien tulosten laskennassa. Seuraavaksi mallinnetulle varautumisalueelle määritettiin sopiva ionien tilavaraustiheys vertaamalla hiukkasten simulaatiossa saavuttamia varauslukuja aiemmin kokeellisesti mitattuihin varauslukuihin. Tilavaraustiheydellä 0,006 C/m3 simuloitujen varauslukujen havaittiin vastaavan kokeellisesti mitattuja arvoja melko tarkasti, joten sitä käytettiin tulosten laskennan viimeisessä osiossa. Tässä viimeisessä osiossa tutkimuksen kohteena olivat hiukkashäviöt hiukkaskoon funktiona. Saadut tulokset häviöihin liittyen vaikuttivat fysikaalisesti oikeansuuntaisilta, mutta mallin puutteellisuuden vuoksi niihin on suhtauduttava kriittisesti.

Työssä koronapurkaukseen perustuvalle aerosolivaraajalle onnistuttiin luomaan toimiva, joskin yksinkertaistettu ja osin vielä puutteellinen malli, jossa virtauskenttä, sähkökenttä ja hiukkasten jäljitys toimivat yhtenä kokonaisuutena. COMSOL Multiphysics -ohjelmiston voidaan siis todeta soveltuvan hyvin aerosolivaraajan mallinnukseen. Luotua mallia on mahdollista pyrkiä kehittämään tulevaisuudessa paremmaksi esimerkiksi lisäämällä ionien koronapurkaukselle plasmamalli.