[發明專利]一種對流條件下水滴撞擊冷壁面結冰過程可視化實驗平臺

在審

• 申請號: 201910314834.2
• 申請日: 2019-04-18
• 公開（公告）號: CN109903632A
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 王永魁;鞠磊;王慶;蘇子恒;孫光帥;徐述
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G09B9/00
• 分類號: G09B9/00;G01M9/00;G01M10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種對流條件下水滴撞擊冷壁面結冰過程可視化實驗平臺，屬于船舶與海洋結構物結冰及防冰技術研究領域。本發明裝置主要解決了考慮風速、氣溫及濕度等氣象條件下水滴撞擊冷壁面凍結過程的技術問題，考慮了較多真實低溫海域中的氣象條件，保證了實驗研究的真實性。本發明分為實驗臺主體、恒溫試驗箱、風洞系統、信息采集系統以及水滴生成裝置五個部分，風洞系統可創造出實驗所需的氣象環境。本發明考慮更多水滴凍結環境因素的同時，還可獲得最大鋪展直徑及達到時間、鋪展因子隨時間變化、最大無量綱高度等數據，從而定量分析影響。本發明可作為水滴結冰研究基礎裝置，在其基礎上可改進研究更多工況，如水滴撞擊斜壁面、不同潤濕性表面等。

技術領域

本發明屬于船舶與海洋結構物結冰及防冰技術研究領域，具體涉及一種對流條件下水滴撞擊冷壁面結冰過程可視化實驗平臺。

背景技術

船舶及海洋結構物在低溫海域航行或作業時極易出現結冰現象，結冰量可達數百噸，結冰會降低船舶或海洋結構物主體穩性，可能增大受風面積，嚴重時導致傾覆，結冰還會對甲板上工作區域的設備造成危害，影響吊車、起重機等正常使用，結冰還會對結構物運行安全性有影響，帶有鹽分的海水有可能覆蓋在天線、GPS、雷達等設備上結冰，影響這些設備的正常工作。因此需要對低溫惡劣海況下平臺結冰現象展開研究，開展海浪飛濺結冰過程研究，深入了解結冰機理和過程，為改進平臺防凍/除冰技術提供理論基礎和新思路，進而保障船舶及海洋結構物在低溫海域航行或作業的安全性和穩定性。

低溫環境中海洋結構物可能出現的結冰類型主要有兩類，大氣結冰和海浪飛濺結冰。海浪撞擊飛濺是造成船舶結冰現象的主要原因。海水在風或海浪作用下與船舶或海洋平臺撞擊飛濺，會產生細小液滴形成噴霧團，霧團運動到船舶上層建筑上發生結冰，海浪飛濺引發的結冰占海洋結構物結冰現象的80％-90％。海浪飛濺結冰包含海浪與船舶撞擊、薄水層運動、水層破碎、小水滴高速運動形成噴霧團、噴霧團運動下落凍結等多個過程，其中噴霧團是研究結冰的重要對象。

從上世紀五十年代至今，船舶結冰預測領域研究人員逐步發展了理論分析、實驗研究和數值模擬相結合的研究體系，但多從宏觀入手，不考慮單個水滴的運動、熱交換和形態變化，而噴霧團中水滴大小不一，直徑范圍在14-7700μm之間，平均中等尺寸為1094μm，諸如水滴初始速度和尺寸、重力、風速等其他因素都會影響水滴運動軌跡和目標表面水滴撞擊率。如果能夠準確獲得水滴運動和凍結相關信息，再結合氣象信息和船舶或海洋結構物的幾何形狀，就可以獲得海水滴撞擊表面的準確預報。因此水滴凍結研究至關重要。

借鑒其他結冰領域經驗，船舶結冰中過冷水滴動機研究可采取數值模擬和實驗研究相結合，通過實驗研究觀察水滴撞擊冷壁面后運動過程和形態隨凍結時間的變化情況等，然后建立相關數值模型，將模擬結果與實驗對比，驗證數值模擬準確性，從而通過數值手段研究水滴運動速度場、壓力場及能量變化等，為船舶結冰預測及防除冰技術改進提供技術支撐。

因此本發明將服務于對流條件下水滴撞擊冷壁面結冰過程研究，可獲取大量實驗數據支撐數值模型的改進。

發明內容

本發明為一種對流條件下水滴撞擊冷壁面結冰過程可視化實驗平臺，目的在于探索強對流、水滴尺寸、撞擊速度及環境溫度等因素對水滴凍結過程和時間的影響，本發明可模擬自然界風速條件、空氣溫度和濕度，配置與海水鹽度相同的鹽水產生特定直徑的水滴，盡可能還原了真實海域結冰條件和水滴形態。通過水滴運動形態變化和凍結過程的觀察，可獲取水滴最大鋪展直徑、鋪展因子隨時間變化、無量綱高度、飛濺臨界速度等數據，從而基于不同雷諾數和韋伯數綜合定量分析水滴運動和凍結過程。

水滴凍結相關實驗研究可以觀測不同因素對水滴凍結的影響，但是只有營造更多自然界真實氣象條件的實驗所獲得的數據才有意義，才能在其基礎上建立數值模型并驗證模型的準確性，本項目組發明的水滴結冰過程可視化實驗平臺，可以探索空氣溫度及濕度、風速、水滴撞擊速度、液滴直徑等因素對結冰過程和時間的影響，考慮了較多真實低溫海域中的氣象條件，保證了實驗研究的真實性。為建立更準確的物理和數學模型提供依據和參考。