造雪的奇缘

作者：吴海峰，张博文，刘佳维

编者按：正在我国举办2022年北京冬奥会向全世界人民献上了一场饕餮盛宴，本届冬奥会从申办、筹办到顺利举办，冰雪运动在中国这片土地上已经茁壮成长。冰雪赛事项目的成功举办同样离不开硬核科技的支持，造雪机既是雪上项目举办的核心保障装备，还直接影响到运动员们水平发挥。本文将继续介绍人造雪的制作过程。

雪花的诞生

瑞雪兆丰年，雪一直被人们看做祥瑞纯洁的象征，成为滑雪运动必不可少的材料。 在自然界中，云层中的水蒸气，经过冷空气冷却后相对湿度增加，达到饱和状态后凝结出小水滴，小水滴遇冷凝结为固体小冰晶，低温环境下小水滴直接凝结成冰晶或凝聚在空气中的灰尘、细菌、微生物上形成液核，液核遇冷形成冰晶体，也就是雪核，在下落的过程中，雪核随着空气中的水蒸气不断凝结其上，不断的生长，然后经过大气环境作用如不同垂直高度位置的温湿度变化、气流运动等，运动状态和形状进一步产生改变，落到地面后，形成雪花，这便是自然成雪。

雪花的结晶过程

视频来源：Kenneth G. Libbrecht

造雪机之心，喷嘴与核子器

造雪机的主要组成结构为水泵、空压机、风机、喷圈、控制面板等，其中造雪机的喷圈为造雪机的关键技术组成，其上的喷嘴、核子器等核心雾化部件可称为造雪机之心，喷嘴与核子器的雾化性能决定了造雪机末端的造雪效果。

造雪机

（图片来源于作者团队）

在人工造雪过程中，由造雪机喷圈喷出的液滴的大小决定成雪效果，甚至决定该外界环境下能否成雪，在冬季常规气候条件（空气温度零下1℃以下），液滴平均尺寸大小在150μm以下需要对液滴尺寸进行控制才能保证成雪效果。喷嘴的作用便是使得由水泵供来的高压水雾化成为小液滴，核子器则通过空压机提供的高压空气与高压水共同作用将液态水雾化成为更为细小的液滴，为成雪过程提供种子雪核，所以喷嘴与核子器的雾化性能提升至关重要。

核子器图 喷嘴图

雾化性能

对于造雪机所呈现的“冰雪魔术”效果而言，实验中，我们对于喷嘴雾化比较关注的性能指标主要为喷嘴的流量、雾化锥角、及雾化粒径三个方面。造雪机造雪量的大小决定了工作人员户外作业的时间长短，且决定造雪周期。目前国产造雪机品牌其造雪量在80-90m³左右，而比较知名的造雪机品牌如天冰、雪神等，其造雪量一般能达到120m³，其大造雪量归功于其喷嘴与核子器的大流量特性。 对于造雪机用喷嘴的雾化粒径，常用索特平均粒径SMD进行评估，其值并不是越小越好，因过小的液滴可能在空气中直接蒸发导致不能成雪，但是过大的粒径结晶困难，可能在未落地之前仍不能成雪，研究显示，在低温零下环境下，雾化液滴尺寸最好控制在150μm之下方能保证成雪。雾化锥角虽然对于造雪量及成雪临界液滴尺寸条件影响不大，但会影响喷嘴之间的相互配合效果是个喷嘴喷出液滴间的相互作用却由其决定，即雾化锥角会影响喷嘴间的协同作用。

单喷嘴雾化效果示意图不同水压条件下粒径随喷射距离分布

喷嘴间协同作用

只有魔法方能打败魔法，随着计算机技术的日渐成熟，对于喷嘴雾化性能的研究，模拟仿真技术可以算的上是神奇的“魔法”了。喷嘴体积小液体流动快等特点，使得对其内流体的压力损失及摩擦损失等更加细致的情况难以进行深入的研究，而模拟仿真技术使科研人员研究雾化装置中细小的流动特征变成了可能。在喷雾过程的数值模拟研究中，有两种主要的方法被用来表述液体与气体间的两相流动。一种是基于拉格朗日思想的离散相方法，该方法认为液体是离散的，通过追踪每个液滴的运动方向来描述整个喷雾场；另一种则是基于欧拉思想的连续相方法，该方法认为液体是连续的，通过追踪不同连续流体间的相界面来描述喷雾过程中液体的流动。两种方法各有特点，在研究中均被广泛使用。欧拉法将流体认为是连续的，因此非常适合研究液体的内部流动以及一次破碎过程，其中应用较为广泛的是VOF（Volume of Fluid）模型，通过该方法我们可以观察到喷嘴内部流体流动的清晰过程，和实验不同，我们可以清晰的观测到喷嘴内部流体流动情况，例如实验观测不到的流体内部流动过程和喷嘴出口流体速度分布情况等。

空气涡形成过程

喷嘴出口截面流体速度分布

液滴破碎过程

雾化过程是在空气动力、表面张力及粘性力共同作用下，通过雾化器将连续流体破碎为微小液滴的过程。液体与空气之间速度差所产生的空气动力会促使液体分裂破碎，而液体内的粘性力与表面张力则尝试维持着液体原本的形状，当表面张力与粘性力不再能对抗空气动力的时候，液体便由连续流体破碎为大液滴，这就是液体的一次破碎过程。喷嘴这事利用内部结构所产生的的离心力增大气-水作用面从而增大空气动力，而核子器则是将高压空气直接注入，利用高速气流所产生的动力破碎液滴，这就是二者雾化机理上的区别。此外，大液滴在空气的作用下依然不能稳定存在，会进一步破碎为更加细小的液滴，这个过程则成为称为二次破碎。

液膜破碎过程

展望

相信读者已经对造雪机之心有了一定的了解，但是国内外关于雾化喷嘴的研究一直在进行，喷嘴雾化过程的两相流流动过程及液滴破碎机制比较复杂，对于造雪机用雾化喷嘴与造雪机的耦合机制尚未明确，关于雾化过程与造雪机的结合研究仍然值得我们进行更深一步的探究。

吴海峰，博士，北京建筑大学讲师。承担国家重点研发计划“科技冬奥”子课题一项，主要围绕造雪装备核心部件的雾化机理、结构设计和工艺展开深入研究。项目执行过程搭建了室外造雪装备核心雾化部件的通用性能测试平台，基于结冰、成核成雪条件，针对多气候环境设计了多系列型号喷嘴和核子器，可为国产造雪装备的升级提供重要的支撑。

来源: 北京建筑大学 吴海峰，张博文，刘佳维