CN109903632A - 一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台 - Google Patents

Abstract

一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台，属于船舶与海洋结构物结冰及防冰技术研究领域。本发明装置主要解决了考虑风速、气温及湿度等气象条件下水滴撞击冷壁面冻结过程的技术问题，考虑了较多真实低温海域中的气象条件，保证了实验研究的真实性。本发明分为实验台主体、恒温试验箱、风洞系统、信息采集系统以及水滴生成装置五个部分，风洞系统可创造出实验所需的气象环境。本发明考虑更多水滴冻结环境因素的同时，还可获得最大铺展直径及达到时间、铺展因子随时间变化、最大无量纲高度等数据，从而定量分析影响。本发明可作为水滴结冰研究基础装置，在其基础上可改进研究更多工况，如水滴撞击斜壁面、不同润湿性表面等。

Description

一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台

技术领域

本发明属于船舶与海洋结构物结冰及防冰技术研究领域，具体涉及一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台。

背景技术

船舶及海洋结构物在低温海域航行或作业时极易出现结冰现象，结冰量可达数百吨，结冰会降低船舶或海洋结构物主体稳性，可能增大受风面积，严重时导致倾覆，结冰还会对甲板上工作区域的设备造成危害，影响吊车、起重机等正常使用，结冰还会对结构物运行安全性有影响，带有盐分的海水有可能覆盖在天线、GPS、雷达等设备上结冰，影响这些设备的正常工作。因此需要对低温恶劣海况下平台结冰现象展开研究，开展海浪飞溅结冰过程研究，深入了解结冰机理和过程，为改进平台防冻/除冰技术提供理论基础和新思路，进而保障船舶及海洋结构物在低温海域航行或作业的安全性和稳定性。

低温环境中海洋结构物可能出现的结冰类型主要有两类，大气结冰和海浪飞溅结冰。海浪撞击飞溅是造成船舶结冰现象的主要原因。海水在风或海浪作用下与船舶或海洋平台撞击飞溅，会产生细小液滴形成喷雾团，雾团运动到船舶上层建筑上发生结冰，海浪飞溅引发的结冰占海洋结构物结冰现象的80％-90％。海浪飞溅结冰包含海浪与船舶撞击、薄水层运动、水层破碎、小水滴高速运动形成喷雾团、喷雾团运动下落冻结等多个过程，其中喷雾团是研究结冰的重要对象。

从上世纪五十年代至今，船舶结冰预测领域研究人员逐步发展了理论分析、实验研究和数值模拟相结合的研究体系，但多从宏观入手，不考虑单个水滴的运动、热交换和形态变化，而喷雾团中水滴大小不一，直径范围在14-7700μm之间，平均中等尺寸为1094μm，诸如水滴初始速度和尺寸、重力、风速等其他因素都会影响水滴运动轨迹和目标表面水滴撞击率。如果能够准确获得水滴运动和冻结相关信息，再结合气象信息和船舶或海洋结构物的几何形状，就可以获得海水滴撞击表面的准确预报。因此水滴冻结研究至关重要。

借鉴其他结冰领域经验，船舶结冰中过冷水滴动机研究可采取数值模拟和实验研究相结合，通过实验研究观察水滴撞击冷壁面后运动过程和形态随冻结时间的变化情况等，然后建立相关数值模型，将模拟结果与实验对比，验证数值模拟准确性，从而通过数值手段研究水滴运动速度场、压力场及能量变化等，为船舶结冰预测及防除冰技术改进提供技术支撑。

因此本发明将服务于对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程研究，可获取大量实验数据支撑数值模型的改进。

发明内容

本发明为一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台，目的在于探索强对流、水滴尺寸、撞击速度及环境温度等因素对水滴冻结过程和时间的影响，本发明可模拟自然界风速条件、空气温度和湿度，配置与海水盐度相同的盐水产生特定直径的水滴，尽可能还原了真实海域结冰条件和水滴形态。通过水滴运动形态变化和冻结过程的观察，可获取水滴最大铺展直径、铺展因子随时间变化、无量纲高度、飞溅临界速度等数据，从而基于不同雷诺数和韦伯数综合定量分析水滴运动和冻结过程。

水滴冻结相关实验研究可以观测不同因素对水滴冻结的影响，但是只有营造更多自然界真实气象条件的实验所获得的数据才有意义，才能在其基础上建立数值模型并验证模型的准确性，本项目组发明的水滴结冰过程可视化实验平台，可以探索空气温度及湿度、风速、水滴撞击速度、液滴直径等因素对结冰过程和时间的影响，考虑了较多真实低温海域中的气象条件，保证了实验研究的真实性。为建立更准确的物理和数学模型提供依据和参考。

本发明的目的是这样实现的：

一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台，包括实验台主体、恒温试验箱、风洞系统、信息采集系统以及水滴生成装置五个主要部分；所述实验台主体部分包括不锈三角钢1、有机玻璃风道2、超白玻璃罩3，使用不锈三角钢1支撑起各装置及设备，使用耐低温有机玻璃制作水平风道2，并用超白玻璃片组成观察部分玻璃罩3，超白玻璃罩3包裹在有机玻璃风道2外侧，实验箱高为1.5米，试验箱玻璃窗7下方设有可拉门；所述恒温试验箱包括压缩机组4、导热管5、聚氨酯外体6、玻璃窗7、耐低温LED灯8，导热管5与压缩机组4连接，玻璃窗7在导热管5下方，耐低温LED灯8安装在试验台边缘位置，通过控制器调整压缩机运行状态，产生固定温度的低温环境；所述小型风洞系统是实验台的重要组成部分，包括变频风机9、不锈钢波纹管10、储水罐11、可调控式气泵12、控制阀门13、空气雾化喷嘴14，变频风机9与有机玻璃风道2相连，变频风机9模拟不同风速条件，由储水罐11、可调控式气泵12、控制阀门13和空气雾化喷嘴14组成的雾化装置模拟指定的空气湿度条件，不锈钢波纹管10位于有机玻璃风道2右侧；所述水滴生成装置包括医用注射器15、高压钠灯16、结冰表面17、标定小球26，结冰表面17位于医用注射器15下方，采用医用注射器15生成液滴，并通过不同直径和长度的针头来控制滴入结冰表面的水滴直径；所述数据采集系统包括湿度传感器18、孔板流量计19、热线风速仪20、温度传感器21、热电偶22、ADAM采集模块23、压力传感器24、显微镜CCD摄像系统25，能够收集水滴结冰过程中各物理参数及图像信息，使用孔板流量计19测量风量，同时使用热线风速仪20对风速进行校核；使用温度传感器21及湿度传感器18来测量风洞内温度及湿度值，同时用热电偶22测量液滴尖端及结冰表面的实时温度；图像观察及拍摄采用显微镜CCD摄像系统25，将结冰表面水滴放大至所需求的倍数，并将图像实时传递至计算机界面中，研究人员使用图像处理软件分析水滴图像，获取有用数据。

所述湿度传感器18、孔板流量计19、热线风速仪20、温度传感器21、热电偶22安装在有机玻璃风道2上，显微镜CCD摄像系统25安装在高压钠灯16上，高压钠灯16安装在超白玻璃罩3上，压力传感器24安装在雾化装置上。

本发明的有益效果在于：

①传统水滴冻结观察装置多观察静止或运动液滴在冷壁面上的冻结，而本发明新增加了风速、湿度及空气温度条件，实验环境更符合自然界水滴冻结真实条件；

②本发明所涉及设备及材料便宜易得，且实验主体搭建简单，超白玻璃罩等透明设备可使研究人员实时观察试验箱内动态；

③压缩机组不工作时，实验箱处于常温状态，还可实现常温单水滴撞击水平壁面的实验研究，相关结果可验证气液两相流运动模型；

④本发明实验箱内结冰表面初始设置为水平壁面，在此基础上可放置不同材料如铝片、铜片、玻璃板等，进一步探索表面润湿性对水滴冻结的影响，同时，可使壁面呈一定倾斜角度，如此便可开展水滴撞击斜壁面实验研究，水滴撞击斜截面现象在自然界中更常见。如此可见，本发明仍有较大改进空间，可作为基础研究装置推广。

附图说明

图1为本发明可视化实验平台示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台包括实验台主体、恒温试验箱、风洞系统、信息采集系统以及水滴生成装置五个主要部分，根据附图1作以下说明。

实验台主体包括：不锈三角钢1、有机玻璃风道2、超白玻璃罩3。

风洞系统包括：变频风机9、不锈钢波纹管10、储水罐11、可调控式气泵12、控制阀门13、空气雾化喷嘴14。

水滴生成装置：医用注射器15、高压钠灯16、结冰表面17如铜片等、标定小球26。

恒温试验箱：压缩机组4、导热管5、聚氨酯外体6、玻璃窗7、耐低温LED灯8。

数据采集系统：湿度传感器18、孔板流量计19、热线风速仪20、温度传感器21、热电偶22、ADAM采集模块23、压力传感器24、显微镜CCD摄像系统25。

本发明实验平台主体部分，使用不锈三角钢支撑起各装置及设备，使用耐低温有机玻璃制作水平风道，并用超白玻璃片组成观察部分玻璃罩，良好的透光效果能便于人肉眼观察液滴形态变化，实验箱高约1.5米，试验箱玻璃窗下方设有可拉门，方便研究人员操作；

恒温试验箱配备有小型压缩机组，可通过控制器调整压缩机运行状态，为实验平台营造固定温度的低温环境；

小型风洞系统是实验台的重要组成部分，变频风机可以模拟不同风速条件，由储水罐、气泵和空气雾化喷头等组成的雾化装置可以模拟指定的空气湿度条件；

水滴生成装置主要为医用注射器，采用注射器生成液滴，并通过不同直径和长度的针头来控制滴入铜片等表面的水滴直径；

数据采集系统被用来收集水滴结冰过程中各物理参数及图像信息。使用孔板流量计测量风量，同时使用热线风速仪对风速进行校核；使用温度及湿度传感器来测量风洞内温度及湿度值，同时用热电偶测量液滴尖端及结冰表面的实时温度。图像观察及拍摄采用了显微镜CCD摄像系统，可以将结冰表面水滴放大至所需求的倍数，并将图像实时传递至计算机界面中，研究人员使用图像处理软件可分析水滴图像，获取有用数据。

一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台所能创造及测量的变量主要如下：

风速：变频风机可产生多组风速条件，本平台可探索低速对流和高速对流情况下，水滴冻结形貌的变化；

水滴撞击速度：调整医用注射器高度即改变了水滴初始下落高度，由此获得了水滴下落至水平壁面的不同撞击速度，逐渐增大释放高度可获得不同撞击速度下水滴的运动过程，可探索飞溅临界速度等结果；

空气温度：环境温度由压缩机组控制，最低可探索零下40℃温度(过冷度为40K)对水滴冻结影响。若设定常温条件，水滴可经历运动、铺展、松弛、回缩等四个阶段，可验证水滴运动气液两相流数值模型的准确性，并探索能量变化。不同过冷度下水滴冻结过程和时间存在较大差异，本实验平台可系统研究温度的具体影响；

水滴直径：水滴尺寸对水滴运动速度、运动轨迹和水滴收集率均有影响，较大的水滴由于重力作用会掉离喷雾团，但重力和风力的平衡作用会让大水滴在较高风速中保持高度。本发明通过改变注射器针头直径可释放不同直径水滴，并在注射器针头附近防止已知直径的标定小球，从而准确控制液滴直径。

空气湿度：空气湿度在一定程度上会影响水滴运动，本发明通过雾化装置控制风洞内空气湿度，从而营造出固定湿度的水滴下落环境。

以上变量值或其对水滴冻结过程的影响均可通过数据采集系统反映。各类数据如温度、湿度、风速等通过输入ADAM采集模块，进一步转化输出到电脑端形成可处理的数据，便于研究人员分析。

本发明还可获得最大铺展直径及达到时间、铺展因子随时间变化、最大无量纲高度等数据，该系列数据结合雷诺数、韦伯数可定量分析不同变量对水滴运动和冻结过程的影响。

一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台具体实施可分为如下五个部分：

1.检查线路连接情况和设备是否正常运行，确认关闭可拉门后实验箱处于密闭状态；

2.开启各常规设备及仪器，包括CCD摄像系统、LED耐低温灯、电脑端等，开启压缩机组设定制冷温度，待达到设定温度后，开启变频风机，保证有机玻璃风道内气流均匀，观察电脑端输出风速及气温数据是否正常；

3.开启可调控式气泵，并控制相关阀门，使雾化喷嘴喷出均匀细小水雾，并实时查看电脑端显示风道内湿度值，控制阀门至湿度稳定在设定值；

4.短暂开启可拉门，人手动控制注射器释放液滴，同时与标定小球对比，准确记录液滴直径，液滴滴落冻结过程中实时传输图像，水滴撞击壁面后，热电偶测量壁面温度。

5.以上完成一组固定风速、固定气温及湿度、固定撞击速度和液滴直径的实验，重复上述实施步骤，可改变空气温度、风速、湿度、撞击速度和液滴直径等变量数值大小。电脑端输出结果可进行后处理分析，不赘述。

本发明一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台，可模拟自然界风速条件、空气温度和湿度，配置与海水盐度相同的盐水产生特定直径的水滴，尽可能还原了真实海域结冰条件和水滴形态，可肉眼和摄像系统同时观察水滴运动形态变化和冻结过程，获取水滴最大铺展直径、铺展因子随时间变化、无量纲高度、飞溅临界速度等数据，从而基于不同雷诺数和韦伯数综合定量分析水滴运动和冻结过程。

本发明压缩机组不工作时，实验箱处于常温状态，还可实现常温单水滴撞击水平壁面的实验研究，相关结果可验证气液两相流运动模型。

本发明实验箱内结冰表面初始设置为水平壁面，在此基础上可放置不同材料如铝片、铜片、玻璃板等，进一步探索表面润湿性对水滴冻结的影响，同时，可使壁面呈一定倾斜角度，如此便可开展水滴撞击斜壁面实验研究。

Claims (2)

1.一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台，其特征在于：包括实验台主体、恒温试验箱、风洞系统、信息采集系统以及水滴生成装置五个主要部分；所述实验台主体部分包括不锈三角钢(1)、有机玻璃风道(2)、超白玻璃罩(3)，使用不锈三角钢(1)支撑起各装置及设备，使用耐低温有机玻璃制作水平风道(2)，并用超白玻璃片组成观察部分玻璃罩(3)，超白玻璃罩(3)包裹在有机玻璃风道(2)外侧，实验箱高为1.5米，试验箱玻璃窗(7)下方设有可拉门；所述恒温试验箱包括压缩机组(4)、导热管(5)、聚氨酯外体(6)、玻璃窗(7)、耐低温LED灯(8)，导热管(5)与压缩机组(4)连接，玻璃窗(7)在导热管(5)下方，耐低温LED灯(8)安装在试验台边缘位置，通过控制器调整压缩机运行状态，产生固定温度的低温环境；所述小型风洞系统是实验台的重要组成部分，包括变频风机(9)、不锈钢波纹管(10)、储水罐(11)、可调控式气泵(12)、控制阀门(13)、空气雾化喷嘴(14)，变频风机(9)与有机玻璃风道(2)相连，变频风机(9)模拟不同风速条件，由储水罐(11)、可调控式气泵(12)、控制阀门(13)和空气雾化喷嘴(14)组成的雾化装置模拟指定的空气湿度条件，不锈钢波纹管(10)位于有机玻璃风道(2)右侧；所述水滴生成装置包括医用注射器(15)、高压钠灯(16)、结冰表面(17)、标定小球(26)，结冰表面(17)位于医用注射器(15)下方，采用医用注射器(15)生成液滴，并通过不同直径和长度的针头来控制滴入结冰表面的水滴直径；所述数据采集系统包括湿度传感器(18)、孔板流量计(19)、热线风速仪(20)、温度传感器(21)、热电偶(22)、ADAM采集模块(23)、压力传感器(24)、显微镜CCD摄像系统(25)，能够收集水滴结冰过程中各物理参数及图像信息，使用孔板流量计(19)测量风量，同时使用热线风速仪(20)对风速进行校核；使用温度传感器(21)及湿度传感器(18)来测量风洞内温度及湿度值，同时用热电偶(22)测量液滴尖端及结冰表面的实时温度；图像观察及拍摄采用显微镜CCD摄像系统(25)，将结冰表面水滴放大至所需求的倍数，并将图像实时传递至计算机界面中，研究人员使用图像处理软件分析水滴图像，获取有用数据。

2.根据权利要求1所述的一种对流条件下水滴撞击冷壁面结冰过程可视化实验平台，其特征在于：所述湿度传感器(18)、孔板流量计(19)、热线风速仪(20)、温度传感器(21)、热电偶(22)安装在有机玻璃风道(2)上，显微镜CCD摄像系统(25)安装在高压钠灯(16)上，高压钠灯(16)安装在超白玻璃罩(3)上，压力传感器(24)安装在雾化装置上。