內混式造雪機雪晶粒徑分布實驗研究

趙 巍 汪惠榮 張 華 李 崢 袁興陽 蘇明旭 孫承華

(1 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093;2 北京卡賓滑雪體育發展集團股份有限公司 北京 100041)

近年來,隨著北京冬奧會、冬殘奧會的成功召開和實現“三億人上冰雪”的目標,人工造雪技術作為冰雪場地用雪的重要來源,得到了突飛猛進的發展。全球變暖,雪期縮短、雪量下降是人工造雪技術得到廣泛運用的主要原因[1]。有資料顯示,相比自然雪,人造雪抵抗風雨和溫度變化的能力更強,更具穩定性和持久性[1]。目前,我國人工造雪技術相比歐美國家仍有很大差距,霧化結晶成雪機理研究仍存在巨大的進步空間和發展潛力[2]。

實現人工造雪的載體主要是造雪機,根據成雪機理的不同,可分為4類:壓縮空氣外混式造雪機、壓縮空氣內混式造雪機、風扇型造雪機和碎冰式造雪機[3]。目前,占據主流市場的是內混式造雪機,具有效率高、造雪效果好等優點。其中主要部件是核子器,壓縮空氣和高壓冷水以一定的角度注入核子器腔室內并混合,形成液膜破碎和液滴,在出口壓差作用下膨脹過冷,霧化水滴在低溫環境中凝結成晶核[4]。內混式造雪機的空氣剪切作用可有效提高液滴霧化效果,成雪能力也遠遠大于其他機型造雪機,故此次實驗系統參照內混式造雪機搭建,研究內混式造雪機的成雪過程和性能。

雪花的形成包括晶核形成和雪晶生長兩個階段[5]。晶核形成又分為均相成核和異相成核,相對而言,異相成核對環境的要求較低[6],更容易實現。雪晶的生長,即水蒸氣在冰晶表面的聚集,表現出對環境溫度和空氣過飽和度的復雜依賴性。P. K. Satyawali等[7]建立了雪花微觀結構與導熱系數的關系模型,發現雪花的微觀結構對其導熱性影響顯著。自然雪花的直徑一般在0.5～3 mm之間,最大不超過10 mm[6]。

常用的顆粒測量技術是光散射法,單色光束照射到顆粒物上發生散射現象,由于散射光的能量分布與顆粒大小有關,通過測量散射光的能量分布(散射角),即可得到顆粒的粒度分布[8]。該方法具有測量精度高、適用范圍廣、測量速度快、重復性好等優點,且隨著圖像傳感器技術的快速發展,激光粒度測量技術可自動采集、形成高分辨率圖像,具有高自動化水平[9-11]。因此,激光測量技術廣泛應用于工業生產、食品、醫療及環境保護等方面[12-14]。

在人工造雪技術的研究中,激光粒度儀[15]常用于噴嘴霧化液滴的測量,通過對噴嘴霧化特性指標的分析,優化霧化噴嘴的結構以達到最佳霧化效果。汲銀鳳等[16]利用JL-3000型激光粒度分析儀測量氣水噴嘴霧滴粒徑分散度,通過數據分析得到霧化粒徑及霧滴相對尺寸ΔS隨氣體流量及水流量的變化曲線,并以此衡量噴嘴的最佳霧化效果。王鵬飛等[17]采用馬爾文實時噴霧粒度分析儀測定噴嘴霧滴粒徑分布和霧滴體積分數,結果表明,噴嘴出口直徑為2 mm時霧化效果最好,且霧滴粒徑呈正態分布,霧滴尺寸較為集中。但由于雪晶和霧滴的結構和質地不同,粒徑大小和分布規律存在一定差異,因此,為了探究雪晶粒徑生長和分布規律,本研究首次提出將激光散射技術應用于人造雪晶粒徑測量,通過激光粒度儀在人工造雪模擬室內測量雪晶在成長下落過程中的粒徑變化,提供一個新的人工造雪的研究手段。

1 實驗裝置與方案

1.1 實驗裝置

人工造雪實驗室主要有兩個模塊,造雪系統和模擬環境室。造雪系統由供氣系統、供水系統和核子器3部分組成,壓縮空氣和水沿兩側管路通入核子器內部混合,再由核子器噴嘴噴出形成霧化液滴。實驗系統如圖1所示,供氣系統包括:空氣壓縮機、減壓閥、空氣過濾器、電磁閥、流量計、壓力傳感器;供水系統包括:恒溫水箱、離心水泵、電磁閥、壓力傳感器和流量計。模擬環境室內采用送風均勻的孔板送風,保證室內均勻氣流分布;采用雙極壓縮制冷系統,以PLC、PID為核心的控制方案,實現了環境溫度±0.2 ℃、相對濕度±2%的控制精度。模擬室能夠實現-25～10 ℃的環境溫度,該溫度范圍涵蓋了我國大部分滑雪場室外溫度,可以模擬多地域氣候條件下的人工造雪。

圖1 實驗系統

核子器設置在環境模擬室的頂部,距離地面3 m。本文選用國產卡賓造雪機用 KBJD-1 型號核子器[18],如圖2所示,核子器有兩個空氣入口,1個冷水入口,空氣側入口中心軸線與核子器混合腔中心軸線的角度為30°,壓縮空氣通過對稱分布于兩側的進氣口進入混合腔,水通過分布于中心的進水口進入混合腔。混合腔長度為13 mm,噴嘴出口直徑為1 mm。

圖2 國產卡賓造雪機用 KBJD-1 型號核子器

1.2 實驗方案

采用上海理工大學熱能工程研究所自行研發的分體式激光粒度儀,測量范圍為5～200 μm,測試精度優于±5%,測量范圍和精度均適合雪晶粒徑的測量,其分體探針式結構也非常適合開展現場測量。測量原理[19]:半導體激光器發射的光線經過濾光片和衰減片后選出最好的初始入射光,初始入射光經擴束準直器和光闌后以較為合適(光照強度最大)的平行準直入射光照射雪晶,雪晶的存在導致部分光線改變傳播方向而發生散射現象,傅里葉透鏡將這些散射光信號匯集于焦平面上,由CCD探針接收散射光,并以圖像的方式傳至計算機,分析顆粒散射信號計算出雪晶粒徑及其分布。

測量設備在宏觀上分為左右兩個部分,如圖3所示。其中相機側由相機、鏡頭、光闌、傅里葉透鏡等組成;光源測主要組成設備為激光器、濾光片、衰減片組合、擴束準直器和光闌等;被測雪晶從相機和光源中間飄過。由于顆粒測量需要在降雪室內的低溫環境下進行,為了防止顆粒測量設備在測量時發生結霜現象以及結束實驗恢復至室溫時測量設備內部產生結露,在激光粒度儀外部包裹保溫棉來緩解上述現象。

圖3 激光粒度儀

利用可調節高度的移動置物架和升降桌配合來放置顆粒測量設備,在核子器正下方進行不同高度的雪晶粒徑測量。

2 實驗結果及分析

2.1 雪晶粒徑沿落雪高度的變化

圖4和圖5所示分別為不同環境溫度下(-5、-10、-15 ℃)雪晶體積平均直徑D50(表示顆粒體積累計達到總體積的50%時所對應的雪晶粒徑)隨落雪高度的變化和環境溫度為-15 ℃時雪晶粒徑沿落雪高度的變化。其他工況設置為:冷水溫度均為4 ℃,氣體壓力為0.5 MPa,冷水壓力為0.4 MPa。實驗表明-5、-10、-15 ℃時的臨界成雪高度分別在35～40 cm、30～35 cm、25～30 cm之間。不同環境溫度中,實際臨界成雪高度和成雪情況不同,因此測量雪晶粒徑的高度也略有不同。

圖4 體積平均直徑D50隨落雪高度的變化

圖5 -15 ℃時雪晶粒徑隨落雪高度的變化

由圖4可知,在臨界成雪高度附近,即雪晶生長的初始階段,雪晶粒徑變化較大,這是因為樣本雪中含有未完全成雪的冰水混合物,表明從過冷液滴凍結成冰晶的過程中顆粒尺寸變化較大。隨著落雪距離的增加,凍結雪晶在低溫環境中不斷聚集水蒸氣生長,粒徑逐漸增大,但增長趨勢逐漸變緩。圖5中D10、D50、D90(分別表示顆粒體積累計達到總體積的10%、50%、90%時所對應的雪晶粒徑)和索特平均直徑D32(所有顆粒的體積與其表面積的比值)的變化趨勢基本一致,說明同一高度上雪晶的生長速率大致相同,也反映了激光粒度儀測量雪晶粒徑的準確性。自然降雪粒徑約在0.1～7 mm之間[20],本實驗中環境溫度為-15 ℃時雪晶粒徑較大,索特平均直徑D32在42～73 μm范圍內,而體積平均直徑D50則在46～88 μm之間,相比于自然降雪,人工造雪由于飛行路線較短,生長時間有限,雪晶粒徑整體偏小。

2.2 環境溫度和氣水壓力對雪晶粒徑的影響

當供氣壓力為0.5 MPa,供水壓力為0.4 MPa和0.45 MPa時,不同環境溫度下(-5、-10、-15 ℃)均可成雪。表1所示為雪晶粒徑測量數據,此時相對濕度約在90%波動,測量位置在距離核子器80 cm處。

表1 不同工況下雪晶粒徑參數

粒徑相對尺寸范圍 ΔS的定義:

(1)

ΔS是衡量粒徑分布均勻性的一個重要參數,ΔS越小,粒徑分布越均勻[16]。由表1可知,任何溫度下,氣水壓力比為0.5∶0.4時的ΔS均比氣水壓力比為0.5∶0.45時的ΔS小。供水壓力為0.4 MPa時導致冷水流量小,意味著壓縮空氣能夠提供單位質量冷水克服表面張力和黏性力的能量更大,故冷水可以破碎成更均勻細小的液滴,且經核子器霧化噴出后壓縮空氣絕熱膨脹帶給每個液滴的過冷度更大,細小液滴更容易快速凝結成核,因此供氣壓力一定時,供水壓力越低,雪晶粒徑整體偏大且分布更均勻。

表1中雪晶粒徑與環境溫度關系不易看出,利用實驗數據繪制氣水壓力比為0.5∶0.4和0.5∶0.45時,各環境溫度下的雪晶粒徑分布及累計分布圖,如圖6～圖8所示。由分布圖可知,各環境溫度下的雪晶粒徑均接近正態分布,當環境溫度為-5 ℃時,粒徑分布較集中,氣水壓力比為0.5∶0.4時的雪晶粒徑大致分布在16.67～109.51 μm,氣水壓力比為0.5∶0.45時粒徑基本分布在5～104.31 μm。這是因為環境溫度較高時,霧化液滴蒸發冷卻時間相對較長,冰晶生長時間相對較短使得雪晶粒徑尺寸相差較小,但也因此-5 ℃時能達到的最大雪晶粒徑值偏小。當環境溫度降低時,液滴或冰晶與環境中的冷空氣溫差變大,換熱量增大,故雪晶成核速度和生長速度增大,粒徑增大。隨著環境溫度的降低,小粒徑占比逐漸減少,大粒徑占比逐漸增多,且峰值粒徑也逐漸變大,-10 ℃時最大頻率粒徑為67.58 μm和75.32 μm,-15 ℃時的最大頻率粒徑均約為83.96 μm。

圖6 環境溫度-5 ℃時雪晶粒徑分布規律

圖8 環境溫度-15 ℃時雪晶粒徑分布規律

3 結論

本文利用激光粒度儀測量人造雪光學粒度,研究雪晶的生長規律和不同工況下的粒徑分布,得到如下結論:

1)隨著落雪距離的增加,雪晶在低溫環境中不斷聚集水蒸氣生長,粒徑逐漸增大。且在生長過程中,粒徑增大的速率逐漸降低。如當環境溫度為-15 ℃時,距離核子器25～35 cm之間,索特平均直徑增長了20 μm;在35～80 cm之間,索特平均直徑僅增長12 μm。

2)自然降雪粒徑約在0.1～7 mm之間,而人造雪的粒徑偏小,索特平均直徑在42～73 μm之間。

3)在本實驗系統中,氣水壓力比為0.5 MPa∶0.4 MPa 和0.5 MPa∶0.45 MPa 時成雪效果較好。且當供水壓力為0.4 MPa時,核子器有更好的霧化效果,較小體積的液滴能快速凍結成核,雪晶有足夠的生長時間,雪晶粒徑大且分布更均勻。

4)在落雪高度為80 cm處,雪晶生長到成熟狀態,粒徑均接近正態分布。隨著環境溫度的降低,雪晶生長加快,小粒徑占比逐漸減少,大粒徑占比逐漸增多。

本文受中央引導地方科技發展資金項目(YDZX20213100003002)資助。(The project was supported by the Central Guidance on Local Science and Technology Development Fund of Shanghai City (No. YDZX20213100003002).)