幻化“风水”成瑞雪

作者：徐荣吉

人工造雪的基本原理

人工造雪有两种基本方式：一种是利用专业造雪装备来模拟自然成雪过程，常应用于室外；另一种是先将水冻成冰，然后把冰刮削成冰花，常用用于室内造雪。滑雪运动用雪是通过第一种方式人工造雪来实现的，后文主要介绍模拟自然降雪的人工造雪方式。

而要模拟自然降雪实现人工造雪的基本条件包括：有冰核（凝结核），环温温度低于冰点温度、环境有一定湿度或过冷液滴（水蒸气）。在此条件下，冰核与水蒸气或过冷水结合后生长为雪花，在不断的结合过程，生长为不同形状的雪花。

人工造雪装备：造雪机

造雪机的主要零部件包括：喷嘴、核子器、风扇、风筒、空压机、喷嘴环、机架、电控系统等组成。要想实现人工造雪，首要的是制造出冰核：通过压缩空气与水在核子器混合，气液混合物中的气体节流降温，液体破碎雾化为微米级液滴，过冷空气使微小液滴结晶为冰核，此为人工造雪的凝结核。压缩空气由造雪机的压缩空气提供。人工造雪的第二个条件是空气中要有过冷液滴：高压水通过造雪机上排布的喷嘴雾化为比核子器粒径稍大的液滴，即使在零下，一般液滴也不会立马结晶成雪，而是形成过冷液滴。此时，在风筒和风扇所吹冷空气的带动下，核子器所形成的冰核与喷嘴所形成的液滴碰撞，长大成雪后飘落。当然，此过程中也涉及了能量的交换：液滴雾化蒸发吸热、结晶成雪放热，两个冷热过程达到动态平衡，这也是回答“零度以上能否人工造雪”的基础。

零度以上能否人工造雪

答案是肯定的。零度以上是可以人工造雪的。如前文所述，通过喷嘴雾化的小液滴（微米级）在风扇吹动下极易蒸发，蒸发即吸热从而形成低于零度的低温区间。从热力学上来讲，此低温区间的形成不仅仅与环境温度有关，还与环境的相对湿度有关。环境相对湿度越小，液滴越容易蒸发吸热，越容易形成低温区间；反之，环境相对湿度越高，液滴越不容易蒸发吸热，越难形成低温区间，人工造雪越难。高温高湿才是人工造雪的噩梦。南方人工滑雪场较少的原因也是因为温度湿度均较大，不宜成雪。

数值仿真计算的“低温”区间

人工造雪机的发展历史

1950年3月，美国人韦恩·皮尔斯（Wayne Pierce）利用一个油漆喷雾压缩机，喷嘴和一些用来给花木浇水的软管造出了世界上第一台造雪机。他将水注入一个专用喷嘴或喷枪，在那里接触到高压空气，高压空气将水流分割成微小的粒子并喷入寒冷的外部空气中，在落到地面以前这些小水滴凝结成冰晶，这也是枪式（炮筒式）造雪机的祖先。

1958年美国人又发明了一种新型的造雪机——风扇造雪机，克服了原压缩空气型造雪机的一些不足之处。

1969年哥伦比亚大学申报了一项造雪专利，它是通过特殊的旋转风机，运用机械的方式使从后部进入的水变成原子化的水滴，水滴离开前端时就凝固并变成雪。该专利促进了风扇型造雪机的发展。日本相继也推出了人工造雪设备。

1986年中国科学院微生物所的“微生物科技信息”曾报道两种结冰细菌：一是草生欧氏杆菌,另一种是丁香假单胞菌。由于它们能形成冰凝集核而造成作物表面霜冻,给作物带来危害。美国科学工作者根据这类微生物特定功能而研制出“生物造雪剂”,在气温-7℃时,将一种产兰假单胞菌7克或更多些，加1000 加仑的水于造雪机中,便能有效地进行造雪。由于菌体表面含有一种蛋白质，可充分地吸收水分，在低温条件下容易使水分子冻结。

1992年九月英国伯明翰举办全国娱乐展览，把“人工造雪”引入英国市场。这项新技术采用液氮进行人工造雪，这就使室内滑雪的娱乐活动成为现实。这种人工造雪方法是把水和液氮混合起来，然后用雪枪射出。（Polar技术公司专有)。造雪时不需要有冰冻的气候条件，所形成的雪与真的雪没有什么区别 ， 而且适用于任何时候。据估计，使用 20吨液氮和10立方米的水，可以造出100立方米的雪。 ——谢开明 译 （本刊摘自杭氧所《国外低温情报》1993年第一期）

1998年航天总公司 508所科亚达公司开发的新型造雪机。经试验，产品达到了有关技术指标，可以同美国原装造雪机性能相媲美。

造雪机技术发展趋势

欧美发达国家的冰雪产业在20世纪30年代进入蓬勃发展阶段，60年代开始就逐步形成了产业特色。而我国冰雪产业处于起步阶段，造雪装备规模相对较小，没有形成一个完整的、多元的产业链。正视我国人工造雪技术与国际先进技术的差距，研制适用于不同地域气候、效率品质高、信息化程度高的造雪机装备，构建集批量生产能力、自主知识产权、测试评价标准为一体的造雪装备保障体系，可推动我国冰雪产业更加专业化、多层次、全方位发展，也有利于培育新的经济增长点、推进区域经济高质量发展。

欧美发达国家对造雪机的集成化和信息化建设进行了长期的研究，开发的造雪机装备部件匹配性好、自动化水平高、信息集成度较高、人机交互性较强，尤其基于物联网的现场设备集成调控和基于互联网的远程监控方面具有成熟的技术。而我国的造雪整机装备大多是部件的简单组装，且仍以人工点动启停机器、手动调节运行参数、24小时人工现场值守等方式为主，智能化程度低，人力成本高，难以保证控制精度，开发新型造雪机装备及控制系统，推进装备的集成化、可视化、信息化和智能化建设，是实现高效智能造雪的核心任务。

关于造雪机造雪技术的文献较少，但申请的专利较多，在谷歌学术上以“snowmaker”为关键词可检索出347个专利，可侧面反映造雪技术的发展状态。从专利申请内容可知，欧美造雪技术领先于日韩，早期主要集中在核子器、喷嘴结构和组合分布优化，如环形核子器、旋流喷嘴，近年来以高效节能运行、活性剂添加技术与智能化控制为主。分析市面上的造雪机产品，欧美产品的自动化程度远超日、韩和国内品牌造雪机，并且已经开始采用较为先进的预测控制算法。日、韩技术以促进成核为主，通过外加冷却技术对冷水和压缩空气进行降温，降低成核需要的过冷度。而我国造雪技术相对落后，自 2010 年以后专利数量才开始增多，多数为欧美技术基础上的改进，主要为部件结构和组合排布优化。从国内外主要品牌造雪机厂家官网可获得典型机型的性能参数。国内造雪机以高效核心部件为卖点，而国外造雪机已转移至“全自动”和“动态调节”。

来源: 北京建筑大学徐荣吉老师