面向适航验证的人工造雪晶核直径实验研究及应用.pdf
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1、面向适航验证的人工造雪晶核直径实验研究及应用加欢1,周晓庆1,蔡爱峰1,李春煜1*,吴静怡1,戴铮2,崔燚2(1.上海交通大学,上海200240;2.上海飞机设计研究院,上海201210)摘要:为了满足国产大飞机的适航试验需求,为扬雪、降雪试验提供规定密度与含水量的雪质,开展结冰风洞造雪实验,对不同工况下的人造雪进行采样和显微观察,利用图像识别算法进行数据分析,探究环境温度、风速、成雪距离、气水比等因素对冰晶生长的影响。结果表明:较大的环境过冷度有利于冰晶的快速生长,导致冰晶平均直径的减小,小于 5 的过冷度有利于冰晶均匀稳定生长;风速的降低与成雪距离的增加均可促进冰晶的直径增大;相比于气水比
2、为 1.1 时,在气水比为 1.2 的工况下,较高的气相比例可以促进液滴的成核,然而过低的液相水比例会限制冰晶直径的增长。关键词:结冰风洞;图像识别;显微观测;冰晶粒径中图分类号:TB69;P48文献标志码:A文章编号:10067086(2024)02017208DOI:10.12446/j.issn.1006-7086.2024.02.010Experimental Study and Application of Artificial Snow Nuclei Diameter for Airworthiness VerificationJIA Huan 1,ZHOU Xiaoqing 1,
3、CAI Aifeng 1,LI Chunyu 1*,WU Jingyi 1,DAI Zheng 2,CUI Yi 2(1.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,China;2.Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai201210,China)Abstract:Thisstudyaimedtoinvestigatetheimpactofvariousfactors,suchasenvironmentaltemperature,windspeed,snowformationd
4、istance,andair-to-waterratio,onicecrystalgrowth.Theexperimentwasconductedinanicingwindtunneltoprovideprescribedsnowconditionsforsnowupliftandsnowfalltests,whichareessentialfortheairworthinesstestingofdomestically-producedlargeaircraft.Thesnowsampleswerecollectedandobservedunderdifferentconditions,an
5、dimagerecognitionalgorithmswereutilizedfordataanalysis.Theresultsshowedthatahigherdegreeofenvironmentalsupercoolingcanfacilitaterapidicecrystalgrowthbutcanleadtoadecreaseintheaveragecrystaldiameter.Supercoolingbelow5pro-moteduniformandstableicecrystalgrowth.Additionally,reducingwindspeedandincreasin
6、gsnowformationdistancecanleadtoanincreaseinicecrystaldiameter.Ahighergas-phaseproportioninanair-to-waterratioof1.2canpromoteliquiddropletnucleation,comparedtoanair-to-waterratioof1.1.However,alowliquid-phasewaterratiocanlimiticecrystaldia-metergrowth.Key words:icingwindtunnel;imagerecognition;micros
7、copicobservation;icecrystalparticlesize0引言在国家提出了“北冰南展西扩东进”战略与“带动三亿人参与冰雪运动”的目标后,人工造雪技术引起了研究者们的高度关注。一方面,相比于收稿日期:2023-08-12基金项目:上海市“科技创新行动计划”启明星项目(扬帆专项)(23YF1419100);上海交通大学新进青年教师启动计划(22X010500267)作者简介:加欢,硕士研究生,主要从事冰晶生长机理及表面抑冰优化研究。E-mail:通信作者:李春煜,助理研究员,主要从事冰晶生长机理及表面抑冰优化研究。E-mail:引文信息:加欢,周晓庆,蔡爱峰,等.面向适航验证
8、的人工造雪晶核直径实验研究及应用J.真空与低温,2024,30(2):172179.JIAH,ZHOUXQ,CAIAF,etal.ExperimentalstudyandapplicationofartificialsnownucleidiameterforairworthinessverificationJ.VacuumandCryogenics,2024,30(2):172179.真空与低温第 30 卷第 2 期172VacuumandCryogenics2024年3月欧美国家,我国冰雪产业起步晚,虽然取得了一定进展,但仍存在造雪微观机理认识有限、技术装备落后等问题1。另一方面,在航空任务
9、中,大雪、冻雨环境会对准备起飞、飞行中的飞行器造成潜在安全威胁,增大飞行阻力,改变空气动力学性能甚至损毁飞行器。因此,建立可靠的人工造雪模拟系统对于飞行器在极端气候下的适航性验证有着不可或缺的意义2。自然成雪方面,Nakaya 等3首次尝试对自然界中的雪花进行分类,并制作了雪花形态图表来预测在给定温度和湿度条件下产生的雪花类型。在此基础上,Libbrecht4进行了更完备的分类,从 80 种简化到 35 种,并针对每种雪花的成因进行了充分的解释。当冰核形成以后,其可以在两个主要方向上生长:沿半径方向扩散生长或沿垂直于底面的方向竖直生长。当边缘的生长速度比晶体的另外两个面更快时,最终形成的冰晶将
10、会是薄而扁平;当沿竖直方向的生长速度更快时,冰晶的晶型将是针状、空心圆柱或棒状。人工造雪中雪花成核、生长的根本机理,与自然成雪的机理相似,通过人为制造低温低压环境,使得雾化水滴迅速冷凝并成核。成核后的水滴同时经历蒸发吸热、对流与辐射换热、摩擦生热等复杂过程,缓慢生长为雪晶5。周筠君等6对比研究了不同温度范围内形成的冰晶的形状:84 的冰晶呈柱状,而168 范围内形成的冰晶呈板状,且在12 时冰晶形状会从普通六角板形转变为分枝六角板形。宋玫峰等7为了研究雪晶晶核的形成、生长和相互融合等过程,针对雪晶的成核过程开展了理论研究。通过对均相成核和异相成核过程中自由能变化的分析,确定了晶核形成所需的临界
11、半径和成核势垒。Liao 等8对形核温度变化的动力学系统开展了研究,探究了成核剂浓度、环境条件和液滴尺寸分布对人工造雪效率的影响。郑毅穗等9针对人工造雪的成核时间,在实验室环境中模拟了人工降雪过程。研究表明,雾化水滴尺寸大小对晶核形成有很大影响,其中,直径为 200700m 的雾化液滴可以在 15s内凝结成核。Takahashi 等10研究了过冷云中 20100m 水滴自由降落时的冻结及生长过程。结果表明,水滴在约-5 下成核并冻结成单晶颗粒,但在335 之间初始生长阶段出现了圆形晶面或台阶图案两种冰晶生长模式。Hindmarsh 等11基于实验数据与理论分析建立了水滴冷却和冻结阶段的热平衡模
12、型来预测液滴的温度转变和冻结时间。Satyawali 等12对雪花的热导率进行了研究。研究发现雪花的热导率随晶粒尺寸、键合尺寸以及晶粒和孔隙截距长度的增加而增加,且雪花热导率与雪花微观结构具有相关性。Xin 等13等通过改进的基于焓的格子 Boltzmann 方法研究了液滴在自由落体过程中的冻结,在模型中考虑了相变潜热和流体流动的强制对流热。陈爱强等14自制了内混型造雪机实验系统并研究分析了环境温度、气水混合比和水温对雪密度的影响。环境温度直接影响成雪的密度,气水比通过影响水分的破碎效果间接影响雪花的密度。针对于人工造雪机理方面已完成了大量的研究工作。但是在人工造雪的实际过程中,需要控制的参数
13、相互关联且复杂,这就使得人工造雪系统的构建和运行仍然具有挑战性15-17。其中,冰晶粒径对成雪质量起着主导作用。在微观层面上,冰晶粒径决定着结冰速率与冰晶形态。冰晶的平均粒径越小,结冰的速率越快。另一方面,较小的冰晶倾向于生长为近似球形,而较大的冰晶更倾向于生长呈棱柱形,从而进一步在宏观的尺度上影响雪的密度及其均匀度18。因此,本文提出了一种由结冰风洞改造而成的、符合实验要求的造雪实验装置,同时系统分析了不同的环境温度、湿度、风速、成雪距离、气水比等因素对人工造雪产生冰晶的平均粒径的影响,为人工造雪的实际应用提供参考。1实验装置及实验方法1.1造雪系统介绍造雪系统的原理如图 1(a)所示:风洞
14、洞体中包含恒温水箱,由水泵驱动内循环。因实验在冬季开展,水通过自加热系统保持在 4C1C。在水箱出口经高压水泵流向喷头阵列,与空压机输出的压缩空气混合后被喷出。喷头选用展开角为 120的两相流雾化喷嘴,液滴最小破碎粒径可至 30m。在安装之前,喷嘴的分布经过了多次仿真校核以确保喷雾场的均匀性19-20。以液氮喷淋为冷源的空气预冷系统与风洞系统协调配合,控制空气流速和温度,在空气流速与温度都到达设定温度且稳定时,即进入稳定工作状态。水气混合物在风洞延伸的造雪段内形成晶核,经由收缩段并从喷射段喷出。造雪风洞实物如图 1(b)所示,实验系统最终搭建在敦煌的空旷场地上,所有实验均在 113 月完成。加
15、欢等:面向适航验证的人工造雪晶核直径实验研究及应用173风洞洞体液氮喷淋段液氮系统液氮储罐喷雾段造雪段收缩段喷射段高压空压机(a)造雪系统原理(b)造雪风洞实物图排水口注水口恒温水箱循环泵高压水泵供水与气源系统图 1造雪系统图Fig.1Snowmakingsystem1.2实验方法介绍在开放空间中,传统的冰晶密度与含水量测量技术易受干扰且测量结果难以验证,本研究通过对雪质的显微观测,以冰晶的平均直径来表征成雪密度。为便于观测冰晶粒径,观测设备由采样装置和显微镜组成,实验采取以下措施以提高结果的可靠性:(1)采样装置被放置于来流截面的中心位置,距离出风口的距离依据实验要求处于312m 的范围之间
16、。(2)及时更新数据并清洁玻片,以避免冰晶堆叠、液滴结冰或冰晶融化后二次结冰对实验结果产生干扰。实验误差主要为仪器测量过程中的误差,其中温度测量误差为0.4C,图像识别时的读数误差为2 个像素点,风量测量与液氮流量测量的相对误差均为1%。通过误差传递公式可推导实验参数对结果的影响21:US=vtN1(Sai)Uai2(1)SUsai式中:为计算参数;为计算参数的不确定度;Uai为测量参数;是测量参数的误差。1.3冰晶形态分析识别与尺寸测量本文通过图像识别算法来高效地分辨冰晶与液滴,并将不同工况下采集到的冰晶图像转化为特征直径数据加以分析。首先对自然环境中的液滴、冰晶与雪花的形貌进行了观测。如图
17、 2(a)可以看到,液滴落在玻片上,边缘与背景的颜色过渡较为自然,液滴边缘的形状较不规则,内部晶莹无杂质。50 m50 m50 m50 m50 m50 m50 m50 m(a)水滴在玻片上铺展(b)冰晶(c)六角冰晶(d)水滴铺展后形成的冰(e)含有气泡的水滴(f)冰晶被水滴包裹(g)小冰晶被大冰晶包裹(h)冰晶相互勾连图 2显微镜头下采集到的液滴与冰晶形态图Fig.2Imagesofdropletsandicecrystalscollectedbythemicroscope174真空与低温第30卷第 2 期如图 2(b),可以看到冰晶透光率和界面分化与纯水不同,边缘有黑斑且光滑。在图 2(c
18、)上呈现的则是充分生长后形成的自然态雪花,可以看到其呈现出典型的对称六边形。冰晶与液态水互相包覆,以及空气中的水汽凝结等都使得冰态各异。液滴在玻片上铺展后再结冰时,冰晶则呈片状形态,如图 2(d)所示。存在冰晶中包含气泡与液态水的情况,特别在较大粒径的冰晶中更为明显,如图 2(e)所示。当液滴不完全结冰时,冰晶包覆于液态水中,呈现“水包冰”形态,如图 2(f)所示。冰晶中也会存在小冰晶被大冰晶包裹的复杂状态,如图 2(g)所示。除此之外,冰晶也会相互连接固结,形成类似于原子链接式的辐射式生长形态,如图 2(h)所示。在剔除较为复杂的冰晶形态后,通过边缘检测算法对冰晶进行识别并标注,并进一步得出
19、冰晶的特征直径。因为冰晶形态通常不规则,冰晶的特征直径通过面积平均进行估算:D=2CA(2)式中:D 为特征直径;A 为冰晶面积;C 为修正系数。本文采用的图像识别算法流程如图 3 所示。不满足条件读取图像转化为灰度图像灰度阈值判断满足条件转化为二值图像识别冰晶不满足条件满足条件填充、识别冰晶的边缘并标注冰晶的面积与质心显示识别后的图像并统计冰晶特征半径去除图像中的杂质图 3图像识别算法流程图Fig.3Theflowchartofimagerecognitionresult图 3 中,程序先读取图像转化为灰度图像并进行初步判断。如果图像转化后的质量满足识别要求,则将其进行二值化,否则程序将会读
20、取新图像。图像在被二值化后将被再次识别,以检测图像中的杂质比例。如果图像中的杂质比例较低,则程序将会先去除小目标,填充孔洞,并在该操作的基础上识别椭圆形冰晶的边缘。在识别到冰晶边缘的基础上,程序将标注冰晶的轮廓并对其特征数据进行计算并保存。程序识别前后的对比图如图 4 所示,其中图 4(b)中红圈内为识别出的冰晶。50 m50 m(a)原图(b)图像处理算法结果图图 4图像处理算法结果对比图Fig.4Comparisonchartofimageprocessingalgorithmresults2结果与讨论2.1环境温度的影响环境温度在冰核生成中起着至关重要的作用,冰核的生长主要发生在风洞的喷
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