内混式造雪机雪晶粒径分布实验研究

赵 巍 汪惠荣 张 华 李 峥 袁兴阳 苏明旭 孙承华

(1 上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093;2 北京卡宾滑雪体育发展集团股份有限公司 北京 100041)

近年来,随着北京冬奥会、冬残奥会的成功召开和实现“三亿人上冰雪”的目标,人工造雪技术作为冰雪场地用雪的重要来源,得到了突飞猛进的发展。全球变暖,雪期缩短、雪量下降是人工造雪技术得到广泛运用的主要原因[1]。有资料显示,相比自然雪,人造雪抵抗风雨和温度变化的能力更强,更具稳定性和持久性[1]。目前,我国人工造雪技术相比欧美国家仍有很大差距,雾化结晶成雪机理研究仍存在巨大的进步空间和发展潜力[2]。

实现人工造雪的载体主要是造雪机,根据成雪机理的不同,可分为4类:压缩空气外混式造雪机、压缩空气内混式造雪机、风扇型造雪机和碎冰式造雪机[3]。目前,占据主流市场的是内混式造雪机,具有效率高、造雪效果好等优点。其中主要部件是核子器,压缩空气和高压冷水以一定的角度注入核子器腔室内并混合,形成液膜破碎和液滴,在出口压差作用下膨胀过冷,雾化水滴在低温环境中凝结成晶核[4]。内混式造雪机的空气剪切作用可有效提高液滴雾化效果,成雪能力也远远大于其他机型造雪机,故此次实验系统参照内混式造雪机搭建,研究内混式造雪机的成雪过程和性能。

雪花的形成包括晶核形成和雪晶生长两个阶段[5]。晶核形成又分为均相成核和异相成核,相对而言,异相成核对环境的要求较低[6],更容易实现。雪晶的生长,即水蒸气在冰晶表面的聚集,表现出对环境温度和空气过饱和度的复杂依赖性。P. K. Satyawali等[7]建立了雪花微观结构与导热系数的关系模型,发现雪花的微观结构对其导热性影响显著。自然雪花的直径一般在0.5～3 mm之间,最大不超过10 mm[6]。

常用的颗粒测量技术是光散射法,单色光束照射到颗粒物上发生散射现象,由于散射光的能量分布与颗粒大小有关,通过测量散射光的能量分布(散射角),即可得到颗粒的粒度分布[8]。该方法具有测量精度高、适用范围广、测量速度快、重复性好等优点,且随着图像传感器技术的快速发展,激光粒度测量技术可自动采集、形成高分辨率图像,具有高自动化水平[9-11]。因此,激光测量技术广泛应用于工业生产、食品、医疗及环境保护等方面[12-14]。

在人工造雪技术的研究中,激光粒度仪[15]常用于喷嘴雾化液滴的测量,通过对喷嘴雾化特性指标的分析,优化雾化喷嘴的结构以达到最佳雾化效果。汲银凤等[16]利用JL-3000型激光粒度分析仪测量气水喷嘴雾滴粒径分散度,通过数据分析得到雾化粒径及雾滴相对尺寸ΔS随气体流量及水流量的变化曲线,并以此衡量喷嘴的最佳雾化效果。王鹏飞等[17]采用马尔文实时喷雾粒度分析仪测定喷嘴雾滴粒径分布和雾滴体积分数,结果表明,喷嘴出口直径为2 mm时雾化效果最好,且雾滴粒径呈正态分布,雾滴尺寸较为集中。但由于雪晶和雾滴的结构和质地不同,粒径大小和分布规律存在一定差异,因此,为了探究雪晶粒径生长和分布规律,本研究首次提出将激光散射技术应用于人造雪晶粒径测量,通过激光粒度仪在人工造雪模拟室内测量雪晶在成长下落过程中的粒径变化,提供一个新的人工造雪的研究手段。

1 实验装置与方案

1.1 实验装置

人工造雪实验室主要有两个模块,造雪系统和模拟环境室。造雪系统由供气系统、供水系统和核子器3部分组成,压缩空气和水沿两侧管路通入核子器内部混合,再由核子器喷嘴喷出形成雾化液滴。实验系统如图1所示,供气系统包括:空气压缩机、减压阀、空气过滤器、电磁阀、流量计、压力传感器;供水系统包括:恒温水箱、离心水泵、电磁阀、压力传感器和流量计。模拟环境室内采用送风均匀的孔板送风,保证室内均匀气流分布;采用双极压缩制冷系统,以PLC、PID为核心的控制方案,实现了环境温度±0.2 ℃、相对湿度±2%的控制精度。模拟室能够实现-25～10 ℃的环境温度,该温度范围涵盖了我国大部分滑雪场室外温度,可以模拟多地域气候条件下的人工造雪。

图1 实验系统

核子器设置在环境模拟室的顶部,距离地面3 m。本文选用国产卡宾造雪机用 KBJD-1 型号核子器[18],如图2所示,核子器有两个空气入口,1个冷水入口,空气侧入口中心轴线与核子器混合腔中心轴线的角度为30°,压缩空气通过对称分布于两侧的进气口进入混合腔,水通过分布于中心的进水口进入混合腔。混合腔长度为13 mm,喷嘴出口直径为1 mm。

图2 国产卡宾造雪机用 KBJD-1 型号核子器

1.2 实验方案

采用上海理工大学热能工程研究所自行研发的分体式激光粒度仪,测量范围为5～200 μm,测试精度优于±5%,测量范围和精度均适合雪晶粒径的测量,其分体探针式结构也非常适合开展现场测量。测量原理[19]:半导体激光器发射的光线经过滤光片和衰减片后选出最好的初始入射光,初始入射光经扩束准直器和光阑后以较为合适(光照强度最大)的平行准直入射光照射雪晶,雪晶的存在导致部分光线改变传播方向而发生散射现象,傅里叶透镜将这些散射光信号汇集于焦平面上,由CCD探针接收散射光,并以图像的方式传至计算机,分析颗粒散射信号计算出雪晶粒径及其分布。

测量设备在宏观上分为左右两个部分,如图3所示。其中相机侧由相机、镜头、光阑、傅里叶透镜等组成;光源测主要组成设备为激光器、滤光片、衰减片组合、扩束准直器和光阑等;被测雪晶从相机和光源中间飘过。由于颗粒测量需要在降雪室内的低温环境下进行,为了防止颗粒测量设备在测量时发生结霜现象以及结束实验恢复至室温时测量设备内部产生结露,在激光粒度仪外部包裹保温棉来缓解上述现象。

图3 激光粒度仪

利用可调节高度的移动置物架和升降桌配合来放置颗粒测量设备,在核子器正下方进行不同高度的雪晶粒径测量。

2 实验结果及分析

2.1 雪晶粒径沿落雪高度的变化

图4和图5所示分别为不同环境温度下(-5、-10、-15 ℃)雪晶体积平均直径D50(表示颗粒体积累计达到总体积的50%时所对应的雪晶粒径)随落雪高度的变化和环境温度为-15 ℃时雪晶粒径沿落雪高度的变化。其他工况设置为:冷水温度均为4 ℃,气体压力为0.5 MPa,冷水压力为0.4 MPa。实验表明-5、-10、-15 ℃时的临界成雪高度分别在35～40 cm、30～35 cm、25～30 cm之间。不同环境温度中,实际临界成雪高度和成雪情况不同,因此测量雪晶粒径的高度也略有不同。

图4 体积平均直径D50随落雪高度的变化

图5 -15 ℃时雪晶粒径随落雪高度的变化

由图4可知,在临界成雪高度附近,即雪晶生长的初始阶段,雪晶粒径变化较大,这是因为样本雪中含有未完全成雪的冰水混合物,表明从过冷液滴冻结成冰晶的过程中颗粒尺寸变化较大。随着落雪距离的增加,冻结雪晶在低温环境中不断聚集水蒸气生长,粒径逐渐增大,但增长趋势逐渐变缓。图5中D10、D50、D90(分别表示颗粒体积累计达到总体积的10%、50%、90%时所对应的雪晶粒径)和索特平均直径D32(所有颗粒的体积与其表面积的比值)的变化趋势基本一致,说明同一高度上雪晶的生长速率大致相同,也反映了激光粒度仪测量雪晶粒径的准确性。自然降雪粒径约在0.1～7 mm之间[20],本实验中环境温度为-15 ℃时雪晶粒径较大,索特平均直径D32在42～73 μm范围内,而体积平均直径D50则在46～88 μm之间,相比于自然降雪,人工造雪由于飞行路线较短,生长时间有限,雪晶粒径整体偏小。

2.2 环境温度和气水压力对雪晶粒径的影响

当供气压力为0.5 MPa,供水压力为0.4 MPa和0.45 MPa时,不同环境温度下(-5、-10、-15 ℃)均可成雪。表1所示为雪晶粒径测量数据,此时相对湿度约在90%波动,测量位置在距离核子器80 cm处。

表1 不同工况下雪晶粒径参数

粒径相对尺寸范围 ΔS的定义:

(1)

ΔS是衡量粒径分布均匀性的一个重要参数,ΔS越小,粒径分布越均匀[16]。由表1可知,任何温度下,气水压力比为0.5∶0.4时的ΔS均比气水压力比为0.5∶0.45时的ΔS小。供水压力为0.4 MPa时导致冷水流量小,意味着压缩空气能够提供单位质量冷水克服表面张力和黏性力的能量更大,故冷水可以破碎成更均匀细小的液滴,且经核子器雾化喷出后压缩空气绝热膨胀带给每个液滴的过冷度更大,细小液滴更容易快速凝结成核,因此供气压力一定时,供水压力越低,雪晶粒径整体偏大且分布更均匀。

表1中雪晶粒径与环境温度关系不易看出,利用实验数据绘制气水压力比为0.5∶0.4和0.5∶0.45时,各环境温度下的雪晶粒径分布及累计分布图,如图6～图8所示。由分布图可知,各环境温度下的雪晶粒径均接近正态分布,当环境温度为-5 ℃时,粒径分布较集中,气水压力比为0.5∶0.4时的雪晶粒径大致分布在16.67～109.51 μm,气水压力比为0.5∶0.45时粒径基本分布在5～104.31 μm。这是因为环境温度较高时,雾化液滴蒸发冷却时间相对较长,冰晶生长时间相对较短使得雪晶粒径尺寸相差较小,但也因此-5 ℃时能达到的最大雪晶粒径值偏小。当环境温度降低时,液滴或冰晶与环境中的冷空气温差变大,换热量增大,故雪晶成核速度和生长速度增大,粒径增大。随着环境温度的降低,小粒径占比逐渐减少,大粒径占比逐渐增多,且峰值粒径也逐渐变大,-10 ℃时最大频率粒径为67.58 μm和75.32 μm,-15 ℃时的最大频率粒径均约为83.96 μm。

图6 环境温度-5 ℃时雪晶粒径分布规律

图8 环境温度-15 ℃时雪晶粒径分布规律

3 结论

本文利用激光粒度仪测量人造雪光学粒度,研究雪晶的生长规律和不同工况下的粒径分布,得到如下结论:

1)随着落雪距离的增加,雪晶在低温环境中不断聚集水蒸气生长,粒径逐渐增大。且在生长过程中,粒径增大的速率逐渐降低。如当环境温度为-15 ℃时,距离核子器25～35 cm之间,索特平均直径增长了20 μm;在35～80 cm之间,索特平均直径仅增长12 μm。

2)自然降雪粒径约在0.1～7 mm之间,而人造雪的粒径偏小,索特平均直径在42～73 μm之间。

3)在本实验系统中,气水压力比为0.5 MPa∶0.4 MPa 和0.5 MPa∶0.45 MPa 时成雪效果较好。且当供水压力为0.4 MPa时,核子器有更好的雾化效果,较小体积的液滴能快速冻结成核,雪晶有足够的生长时间,雪晶粒径大且分布更均匀。

4)在落雪高度为80 cm处,雪晶生长到成熟状态,粒径均接近正态分布。随着环境温度的降低,雪晶生长加快,小粒径占比逐渐减少,大粒径占比逐渐增多。

本文受中央引导地方科技发展资金项目(YDZX20213100003002)资助。(The project was supported by the Central Guidance on Local Science and Technology Development Fund of Shanghai City (No. YDZX20213100003002).)