胡恒祥 劉 斌 畢麗森 曾 濤 李嘉偉

(天津商業(yè)大學 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津 300134)

在北京冬奧會的推動下,目前國內(nèi)人工造雪行業(yè)迅速發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計2018年國內(nèi)滑雪人次達到2 000萬,截至2019年,我國滑雪場數(shù)量達到770個[1-2]。由于人工造雪對氣候環(huán)境依賴性較大,我國除東北以外大部分地區(qū)降雪量常年不足,滑雪場的正常運行仍必須依靠人工造雪來完成,據(jù)統(tǒng)計我國約99%的滑雪面積需依賴于人工造雪。近年來,氣象數(shù)據(jù)表明,全球氣候變暖,冬季降雪量隨之降低[3-4],滑雪場對人工造雪的依賴性更大且人工造雪的作業(yè)周期也隨之變長,這對滑雪行業(yè)是巨大的挑戰(zhàn)。與一些歐洲國家相比,我國人工造雪行業(yè)發(fā)展較晚,人工造雪機技術(shù)設(shè)備相對落后,產(chǎn)業(yè)普及率也相對較低[5],所以提高造雪質(zhì)量,進一步推動冰雪行業(yè)發(fā)展具有很大意義。

目前,國內(nèi)人工造雪一般可分為3種方式:1)空氣助力式。該方式需要壓縮空氣助力,采用氣液兩相流噴嘴對水進行霧化,霧化后的液滴粒徑較小,在環(huán)境對流換熱、液滴自身蒸發(fā)及壓縮空氣膨脹過冷的共同作用下,液滴凝結(jié)成冰晶核[6],所以這種噴嘴也被廣泛稱為核子器。一般大型造雪機(如:雪炮)采用核子器與單相流噴嘴層嵌的方式進行造雪,而小型造雪機通常僅采用氣液兩相流噴嘴(核子器)進行造雪。對空氣助力式造雪而言,因氣液混合位置不同又可分為內(nèi)混合式和外混合式,內(nèi)混合式是氣液兩相在噴嘴內(nèi)混合腔進行混合,外混合式則是氣液兩相在噴嘴出口外部進行混合。2)風扇式。該方式一般采用單相流噴嘴,無壓縮空氣助力,僅通過大功率風機將單相流噴嘴霧化產(chǎn)生的液滴吹出,通常在相對較低的環(huán)境溫度下進行造雪。3)削冰式。通過切割塊冰或破碎片冰形成小碎冰晶顆粒,經(jīng)傳送裝置輸出形成降雪的效果[7]。

成雪的機理是微小液滴在空中通過與環(huán)境進行熱質(zhì)傳遞,自身蒸發(fā)進一步加快溫度降低,進而形成微小冰晶,冰晶吸收空氣中的水蒸氣進一步長大,最終生長為雪花。在自然降雪過程中,空中懸浮的微小液滴下落至地面形成雪花之前,有足夠長的降溫結(jié)晶生長時間,但人工造雪過程中,霧化后液滴沒有足夠的生長成核時間,這就需要我們更大程度上依賴環(huán)境因素,當環(huán)境溫濕度較低時,人工造雪的成功性更大。但對于整個行業(yè)而言,環(huán)境因素存在不可控等情況,這就需要我們在相對高溫高濕環(huán)境下,盡可能實現(xiàn)造雪并提高造雪質(zhì)量。若要在相對高溫高濕的環(huán)境下實現(xiàn)造雪,粒徑大小是直接決定液滴在造雪過程中能否實現(xiàn)凍結(jié)形成晶核的關(guān)鍵。當環(huán)境溫濕度一定時,大尺寸液滴僅通過自身蒸發(fā)和環(huán)境換熱實現(xiàn)自身溫度降低的能力有限,這一限度和直接決定最大液滴凍結(jié)尺寸的環(huán)境溫濕度是一一對應的關(guān)系。同時要在相對較高溫高濕環(huán)境下提高造雪成功率或造雪量,降低霧化液滴的粒徑尺寸是最直接的方式,液滴粒徑越小,其比表面積越大,冷卻降溫時間越短,形成雪核更快[8]。

目前,人工造雪主要針對雪花生長機理、雪晶形態(tài)、晶核形成條件[9-13]、雪的應用[14]等方面展開研究。部分研究者通過實驗和建立數(shù)學模型研究了液滴撕裂和破裂過程,分析了噴霧場中液滴平均直徑、數(shù)量分布和噴霧錐角的影響因素。O. G. Girin[15]描述了霧滴相質(zhì)量和數(shù)密度、平均直徑和霧滴多分散度于噴霧場中的瞬態(tài)空間分布。針對霧滴的產(chǎn)生和破碎進行的研究主要包括霧滴的一般形態(tài)和大小分布,以及不同的霧化器對霧滴形成過程的影響[16-20]。上述研究主要是基于單一噴嘴下開展的研究,但實際造雪過程中噴嘴布置均為多噴嘴組合,而結(jié)合人工造雪多噴嘴工作過程的液滴粒徑分布開展的研究較少。在人工造雪過程中,噴嘴的氣液質(zhì)量混合比例直接影響霧化質(zhì)量,也決定液滴粒徑的分布,控制調(diào)節(jié)氣液混合比可以促進液膜的破碎,提高霧化質(zhì)量[21-22]?；诙鄧娮斓膶ΨQ性,以雙噴嘴為基礎(chǔ),本文研究了雙噴嘴間距及氣液質(zhì)量混合比例對造雪噴霧場液滴粒徑分布、噴霧形貌及輪廓寬度的影響,從而為結(jié)合氣液質(zhì)量混合比調(diào)節(jié)噴嘴間距獲得更適宜造雪的粒徑分布提供依據(jù),最終使人工造雪噴霧場液滴粒徑更小,更易形成冰晶,這對實現(xiàn)人工造雪及提高造雪質(zhì)量具有很大意義。

1 實驗設(shè)備及過程

1.1 實驗設(shè)備

實驗系統(tǒng)如圖1所示,包括人工造雪系統(tǒng)、噴霧場粒徑測量系統(tǒng)和噴霧場粒子圖像測量系統(tǒng)。人工造雪系統(tǒng)由圖1中1～6組成,其中,噴嘴類型為內(nèi)混合空氣助力式;噴霧場粒徑測量系統(tǒng)主要由粒度儀激光發(fā)射器和接收器組成;噴霧場粒子圖像測量系統(tǒng)又稱PIV(particle image velocimetry)系統(tǒng),主要由高速相機和光束發(fā)射器組成。實驗臺實物如圖2所示,表1所示為實驗設(shè)備詳細參數(shù)。人工造雪系統(tǒng)采用內(nèi)混合空氣助力噴嘴,通過霧化形成微小液滴,在此基礎(chǔ)上,通過粒徑測量系統(tǒng)和噴霧圖像測量系統(tǒng)對噴霧場的液滴粒徑分布和噴霧形態(tài)進行檢測,噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。當氣液進入噴嘴內(nèi)部混合腔時,氣液的混合和撕碎過程直接影響一級霧化的質(zhì)量,此外,式(1)所示的氣液質(zhì)量混合比直接影響噴霧場中液滴的粒徑,對于粒徑則采用式(2)所示的索特平均直徑表示。

表1 實驗設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)

1空氣壓縮機;2單向閥;3氣體渦街流量計;4內(nèi)混合空氣助力式噴嘴;5液體流量計;6變頻水泵;7粒度儀激光發(fā)射器;8粒度儀激光接收器;9計算機;10高速相機;11光束發(fā)射器;12液滴噴霧場;13氣體管路;14液體管路。

圖2 實驗臺

圖3 氣液內(nèi)混合噴嘴結(jié)構(gòu)

gglr=qm,a/qm,l

(1)

(2)

式中:gglr為氣液質(zhì)量混合比例;qm,a為壓縮氣體的質(zhì)量流量,kg/s;qm,l為水的質(zhì)量流量,kg/s;D32為索特平均直徑,μm;N是直徑為D的液滴數(shù)目;通常Dmin=0。

1.2 實驗條件

噴嘴霧化特性主要受流體的密度、粘度和表面張力、氣液混合狀態(tài)及噴嘴結(jié)構(gòu)的影響[23]。實驗所處環(huán)境溫度為2 ℃,相對濕度為25%,在實驗過程中液滴的蒸發(fā)會導致實驗所處環(huán)境濕度增大,進而影響液滴與環(huán)境之間的傳熱傳質(zhì),但該過程對液滴粒徑分布的影響較小。壓縮空氣壓力范圍為0.5～0.7 MPa,通過控制氣液管路閥門開度對GLR進行設(shè)定,設(shè)定值為0.05、0.10、0.15、0.20,由于氣壓的波動,gglr會圍繞設(shè)定值上下波動,波動幅度為±0.01,此時波動幅度符合實際造雪條件[7],兩噴嘴間距d分別為5、10、15、20 cm。為得到整個噴霧場粒徑分布,以噴嘴為中心截面檢測噴霧場不同區(qū)域液滴粒徑大小。在粒徑分布測量過程中,將氣液混合噴嘴固定在專用伺服移動導軌上,通過調(diào)節(jié)導軌的運動來測量不同測點的粒徑分布值,使測量點與激光發(fā)射路徑一致。在噴霧場全貌測量過程中,對計算機信號控制的激光束進行調(diào)整,以保證激光從側(cè)面照射噴霧場,并垂直于高速攝像機。高速攝像機拍攝間隔設(shè)置為500 μs,對激光束照射下的噴霧場進行采集。其中,粒徑分析儀利用光的衍射效應計算粒徑,高速相機采集不同時刻下的噴霧場圖像,通過將拍攝的時間間隔前后圖像進行對比,得到完整的噴霧分布圖像。

2 結(jié)果分析

2.1 噴霧場整體形貌結(jié)果分析

通過高速相機拍攝噴霧場粒子分布圖,并進行灰度處理,在此基礎(chǔ)上進行二值化處理并得到二值化圖像,通過對像素點拾取標記處理得到輪廓邊界。圖4所示為gglr=0.05,噴嘴間距d=15 cm時的噴霧輪廓。

圖4 噴霧輪廓(gglr=0.05,噴嘴間距d=15 cm)

2.1.1 不同噴嘴間距下形貌分析

圖5所示為gglr=0.05時不同噴嘴間距下噴霧輪廓,隨著d的增大,噴霧交匯區(qū)逐漸向下發(fā)展,當d較小時,交匯區(qū)距離噴嘴更近,此時在近噴嘴處液滴碰撞發(fā)生的概率增大。不同噴嘴間距下輪廓最大寬度如圖6所示,噴霧輪廓軸向和徑向?qū)挾入Sd的增大而逐漸增大,在d較大的條件下,噴嘴間徑向干涉程度降低,碰撞區(qū)與噴嘴軸向距離也更遠,液滴飛行時碰撞概率降低且飛行距離更長,進而使得徑向和軸向覆蓋寬度增大。相對而言,d較小時對應的噴霧交匯區(qū)比間距更大時的噴霧交匯區(qū)沿軸向距離提前出現(xiàn),大量液滴匯集在近噴嘴附近,兩噴嘴間的干涉現(xiàn)象增大,也提高了近噴嘴處液滴碰撞的概率,同時縮短了液滴的飛行距離。

圖5 不同噴嘴間距下噴霧輪廓(gglr=0.05)

圖6 不同噴嘴間距下輪廓最大寬度(gglr=0.05)

2.1.2 不同氣液混合比下形貌分析

氣液質(zhì)量混合比表示兩相流噴嘴的氣液混合量的比值,當gglr增大時,噴嘴混合腔內(nèi)氣液擾動更劇烈,促進液滴的破碎和分離,也直接影響整體一級霧化效果。不同gglr下噴霧輪廓及輪廓最大寬度分別如圖7和圖8所示。可以看出,隨著gglr的增大,霧化質(zhì)量受噴嘴自身結(jié)構(gòu)影響而受到限制,在gglr=0.15處可以看出,繼續(xù)增大氣液比只會降低參與混合液體的量,進而呈現(xiàn)出整體輪廓軸向?qū)挾认仍龃蠛鬁p小的趨勢。隨著gglr增大,整體輪廓呈現(xiàn)徑向內(nèi)縮的趨勢,這是由于隨著噴霧區(qū)高速氣體的流動,噴霧周圍環(huán)境與噴霧中心區(qū)存在氣壓差,且徑向內(nèi)縮愈發(fā)強烈。

圖7 不同氣液質(zhì)量混合比下噴霧輪廓(d=5 cm)

圖8 不同氣液質(zhì)量混合比下輪廓最大寬度(d=5 cm)

2.1.3 不同氣液混合比下噴霧錐角分析

噴霧角是過噴嘴中心,沿輪廓邊界切線的夾角,也稱出口噴霧角[24],如圖4(c)所示,主要衡量液滴霧化擴散狀態(tài)。出口噴霧角α1和α2主要用來判斷兩噴嘴噴霧狀態(tài)的差異性,噴霧角α3為α1和α2在交匯區(qū)的夾角,主要衡量噴嘴間干涉程度。不同氣液質(zhì)量混合比下噴霧角如圖9所示,α1和α2角度差僅約為1°,說明兩噴嘴的霧化擴散程度一致,此時氣液分配不均及噴嘴的差異性對霧化擴散的影響較小?？梢园l(fā)現(xiàn),α1和α2隨著gglr的增大而增大,這是由于霧化擴散寬度隨gglr的增大而增大所致,此外,α3的增大主要受α1和α2的影響。當gglr<0.15時,α3均大于α1和α2,而當gglr>0.15時,α3均小于α1和α2,是因為實際噴霧狀態(tài)非完全對稱分布,對單側(cè)噴嘴噴霧而言,由于周圍氣流卷吸作用使得α1和α2與理想對稱狀態(tài)下噴霧角切線存在偏差,當單側(cè)噴霧角切線向內(nèi)偏移會使α3大于理想狀態(tài)下的噴霧角,同時大于α1和α2,當單側(cè)噴霧角切線向外偏移則結(jié)果相反。對于單個噴嘴而言,出口噴霧角的增大代表其霧化擴散更寬,同時增大了兩噴嘴的交匯區(qū),液滴碰撞區(qū)距離噴嘴出口更近,兩噴嘴干涉程度也更大。隨著gglr增大,對于噴嘴混合腔而言,gglr的增大導致參與混合氣體的量隨之變大,此時氣液擾動作用更強,噴霧角相對增大。同時,gglr的增大會導致混合腔內(nèi)參與混合液體量相對減少,雖然此時對應噴霧角增大,霧化徑向擴散更寬,但液滴數(shù)目及噴霧厚度降低,雖然噴霧邊緣區(qū)存在液滴,但液滴數(shù)目相對較少,這與圖7及圖8中輪廓徑向?qū)挾入Sgglr增大而減小的結(jié)果一致。

圖9 不同氣液質(zhì)量混合比下噴霧角(d=5 cm)

2.2 噴霧場粒徑分布結(jié)果分析

2.2.1 不同噴嘴間距對粒徑分布的影響

噴嘴間距大小直接影響噴嘴間的干涉程度,當d減小時,噴霧區(qū)徑向距離x隨之減小,同時干涉交匯區(qū)與噴嘴軸向距離y也更近。不同噴嘴間距下索特平均直徑如圖10所示,當d=5 cm時,兩噴嘴正下方(x=-25、25 mm)處索特平均直徑最小(Dmin=20.5 μm),但位于噴嘴間干涉區(qū)域(x=0)處的索特平均直徑最大(Dmax=34.9 μm),該現(xiàn)象是由于噴嘴出口速度相同條件下,大液滴具有更大的動能,徑向飛行距離更大,因d較小,干涉區(qū)距離噴嘴軸向距離僅為60.74 mm,使得大液滴匯聚在中心交匯區(qū),進而導致此處索特平均直徑最大。

圖10 不同噴嘴間距下索特平均直徑(gglr=0.05,y=150 mm)

噴霧交匯點距噴嘴軸向距離如圖11所示。沿噴嘴下方,隨x的增大,索特平均直徑也隨之增大,這是由于此處位于噴嘴交匯區(qū)外側(cè),小液滴自身動能較小,而大液滴具有更大的動能,徑向飛行距離更遠所呈現(xiàn)的結(jié)果。隨著d的變化,索特平均直徑沿徑向變化總體趨勢為“m”型分布,d=10、15 cm時,干涉交匯區(qū)的索特平均直徑出現(xiàn)最小值(Dmin=24.67、31.42 μm),之后粒徑隨x的增大而增大。在gglr不變的條件下,噴霧角不會隨d的變化而變化,在此基礎(chǔ)上,間距增大會導致噴嘴交匯區(qū)向下發(fā)展,同時,噴霧交匯點沿y逐漸增大。當d=5、20 cm時,在x=0 mm處,索特平均直徑出現(xiàn)峰值,這是干涉交匯區(qū)隨d的增大而下移所導致。當d=5 cm時,交匯點(y=60.74 mm)位于y=150 mm上方,交匯點距離噴嘴軸向距離較近,對于單側(cè)噴霧而言,大液滴具有更大動能,徑向飛行距離更大且匯集在中心交匯區(qū),進而增大了出現(xiàn)大液滴的概率。相反,d=20 cm時,交匯點(y=290.5 mm)位于y=150 mm下方,測點位于交匯區(qū)域上方,此處為單噴嘴邊緣飛濺的大液滴匯聚區(qū),所以在x=0 mm處d=5、20 cm時索特平均直徑出現(xiàn)峰值。由圖10還可知,d不同時,兩側(cè)邊緣處的索特平均直徑最小接近0,這是由于邊緣處激光透過率接近100%,無法有效捕捉液滴所導致。

圖11 噴霧交匯點距噴嘴軸向距離

2.2.2 不同氣液混合比對粒徑分布的影響

不同氣液質(zhì)量混合比下索特平均直徑如圖12所示。隨著gglr增大,索特平均直徑總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,雖然較大gglr對應的噴霧角較大,但混合腔參與混合的液體量較低,實際噴霧覆蓋主流區(qū)寬度較小,在近噴嘴(y=150 mm)處,較大gglr的主流噴射區(qū)仍在噴嘴正下方,大液滴匯集增大了液滴聚合的概率,導致gglr較大時,對應索特平均直徑也增大。由于噴霧厚度(數(shù)目)沿徑向逐漸降低,大液滴動能大飛行距離更遠,進而呈現(xiàn)出在兩噴嘴徑向外側(cè)的索特平均直徑增大的趨勢。在兩噴嘴正下方(x=-25、25 mm)索特平均直徑最小,隨著gglr的增大,最小值存在沿噴嘴徑向向兩端移動的現(xiàn)象,這是由于噴霧角的增大,使得噴霧液滴擴散范圍增大,但索特平均直徑最小值仍然分布在噴嘴下方。粒徑分布沿徑向總體仍然呈“m”型分布,由于液滴擴散范圍受噴霧角及噴嘴間距限制,邊緣處(x=-200、200 mm)液滴可近似忽略不計。

圖12 不同氣液質(zhì)量混合比下索特平均直徑(d=5 cm,y=150 mm)

圖13所示為單噴嘴下索特平均直徑隨gglr的變化,可以看出隨著gglr的增大,索特平均直徑呈先減小后增大的趨勢,此時造成索特平均直徑減小的原因有:1)gglr的增大導致噴嘴混合腔內(nèi)氣液混合質(zhì)量發(fā)生變化,同時氣液相對速度也發(fā)生變化,粒徑大小隨著液體與氣體的相對速度增大而減小。2)當gglr較低時(gglr<0.15),霧化質(zhì)量受噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響,所以隨著gglr的增大,索特平均直徑出現(xiàn)減小的趨勢。但隨著gglr的繼續(xù)增大(gglr>0.15),索特平均直徑出現(xiàn)再增大的趨勢,此時造成索特平均直徑再增大的原因是:1)隨著gglr的增大,噴嘴的霧化能力有限,其霧化效果隨著混合狀態(tài)及氣液壓的變化而達到極限。2)此時液體參與混合量較低,造成混合腔內(nèi)氣液混合不良,進而導致霧化效果降低,索特平均直徑變大[25-27]。當gglr一定時,隨x的增大,索特平均直徑也隨之增大,這是由于隨著x增大,存在二級霧化,液滴突破穩(wěn)定狀態(tài)的極限,進一步發(fā)生破碎,隨x的繼續(xù)增大,液滴動能降低,大液滴聚合的概率增大,故呈現(xiàn)出索特平均直徑隨x增大而增大的趨勢。

圖14所示為雙噴嘴下索特平均直徑隨氣液混合比的變化,對比圖13可知,單噴嘴gglr=0.10～0.15時,粒徑最小值為13.2 μm,而兩噴嘴干涉時,gglr=0.10～0.15時的粒徑反而變大為34 μm。這是因為霧化效果與噴嘴結(jié)構(gòu)密切相關(guān),當gglr過小或過大均會導致霧化效果變差,gglr過小會造成氣液混合不充分,gglr過大會導致氣液混合量相差較大造成混合不良,所以在單噴嘴條件下,中間gglr對應粒徑較小。在雙噴嘴干涉條件下,gglr=0.10～0.15時對應粒徑比gglr=0.05時更大,這是由于d不變時,gglr增大的同時噴霧角也隨之增大,從而導致噴霧場重疊交匯更劇烈,同時加大了液滴間的碰撞聚合概率,所以粒徑較單噴嘴條件更大。結(jié)合圖13和圖14可知,雙噴嘴的干涉現(xiàn)象較為明顯,隨著gglr的增大,在gglr=0.15時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點,同單噴嘴條件下粒徑出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象一致。

圖14 不同氣液質(zhì)量混合比下雙噴嘴索特平均直徑(x=25 mm)

3 結(jié)論

本文通過粒徑分布實驗及噴霧場全貌形態(tài)測量實驗對氣液混合式人工造雪噴霧場的粒徑分布及噴霧全貌圖像進行研究,分析了gglr和噴嘴間距對人工造雪中粒徑分布及噴霧區(qū)整體形貌的影響,得到如下結(jié)論:

1)噴霧擴散寬度隨噴嘴間距的增大而增大,隨氣液混合比的增大而減小,噴霧錐角隨氣液混合比的增大而增大,擴散寬度受噴嘴間距的影響更大。

2)當gglr=0.15時,呈現(xiàn)最佳粒徑分布,通過軸向粒徑分布可以得出,噴霧二級霧化區(qū)位于軸向距離300～450 mm處。

3)粒徑徑向呈現(xiàn)“m”型分布,且隨軸向距離的增大而增大,兩噴嘴干涉程度隨噴嘴間距的減小而增大,最佳噴嘴分布間距受氣液混合比的變化而變化,當gglr=0.05時,對應最佳噴嘴間距在5～10 cm之間,可為人工造雪機噴嘴間距的布置提供參照,同時對實現(xiàn)高質(zhì)量造雪具有較大意義。