Distortion of passive scalar structure during suction-based plume sampling
Distortion of passive scalar structure during suction-based plume sampling
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基于吸力的羽流采样过程中被动标量结构的畸变
DOI：
10.1016/j.snb.2022.132018
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Crimaldi, John P.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
True, Aaron C.;Crimaldi, John P.
羽流动力学和嗅觉的研究通常依靠光电离探测器 (PID) 来量化被动标量（气体、蒸汽、气味）的时空分布。然而，PID 吸力使细丝变形并修改所产生的感测时间记录的潜力仍不清楚。我们使用计算流体动力学对广泛使用的 PID 进行建模，通过考虑感测到的浓度记录与不存在扭曲效应的理想探头记录的浓度记录的比较来量化和参数化吸力扭曲。模型涵盖了一系列真实的羽流条件，我们表明 PID 可以修改感测记录的峰值浓度和脉冲形状，对于此处考虑的情况，峰值幅度降低高达 45%，脉冲宽度增加高达 100%。我们量化了描述 PID 几何形状和羽流采样条件的三个关键无量纲参数的畸变变化：相对吸入速率、相对细丝尺寸和环境流动雷诺数。我们将分析和数值工具与维度分析和缩放参数相结合来解释结果并讨论何时可能出现失真以及驱动失真的因素。我们建立了无量纲失真缩放参数和能够预测失真水平的简单回归，我们的结果使 PID 用户能够估计失真水平并通过吸力速度调整来采用缓解策略。我们表明，接近 30 的理想相对吸入率（吸入速度与环境速度之比）可以最大限度地减少 Aurora Scientific miniPID 的普遍失真。本文的发现和讨论可以为其他基于吸力的无源标量传感方案提供减轻失真的设计原则和最佳采样实践。
Studies of plume dynamics and olfaction often rely on photoionization detectors (PID) to quantify spatiotemporal distributions of passive scalars (gases, vapors, odors). However, the potential for PID suction to distort filaments and to modify the resulting sensed time record remains unclear. We used computational fluid dynamics to model a widely-used PID to quantify and parameterize suction distortion by considering how sensed concentration records compare to those registered by an ideal probe absent distorting effects. Models cover a range of realistic plume conditions, and we show that PID can modify the peak concentration and pulse shape of sensed records, with peak amplitude reduced by up to 45% and pulse width increased by up to 100% for the cases considered here. We quantified how distortion varies in three key nondimensional parameters describing PID geometry and plume sampling conditions: relative suction rate, relative filament size, and ambient flow Reynolds number. We combined analytical and numerical tools with dimensional analysis and scaling arguments to interpret results and discuss when distortion is likely and what drives it. We built a dimensionless distortion scaling parameter and simple regressions capable of predicting distortion levels, and our results enable PID users to estimate distortion levels and to employ mitigation strategies through suction velocity tuning. We show that an ideal relative suction rate (ratio of suction-to-ambient velocities) near 30 minimizes distortion universally for the Aurora Scientific miniPID. The findings and discussion herein can inform distortion-mitigating design principles and best sampling practices for other suction-based passive scalar sensing schemes.
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