一種控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于海洋工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，包括：準(zhǔn)備與冰池實(shí)驗(yàn)室頂棚面積相同的不銹鋼板，在不銹鋼板開設(shè)孔洞，對(duì)冰池實(shí)驗(yàn)室頂棚進(jìn)行封頂；布置位于頂棚的第一冷風(fēng)機(jī)組；在冰池的周邊，布置第二冷風(fēng)機(jī)組；在冰池的周邊，布置整流風(fēng)機(jī)；在冰池底部布置潛水泵；在冰池內(nèi)制備均勻的尿素水溶液；開啟第一冷風(fēng)機(jī)組和第二冷風(fēng)機(jī)組，降溫；關(guān)閉第二冷風(fēng)機(jī)組；噴霧引晶；開啟第二冷風(fēng)機(jī)組和整流風(fēng)機(jī)；補(bǔ)晶；開啟潛水泵；持續(xù)開啟兩組冷風(fēng)機(jī)組；回溫。采用本方法制備的尿素模型冰，具有與天然海冰完全一致的晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特征——分層紋理結(jié)構(gòu)，在破壞模式上達(dá)到了對(duì)天然海冰很好的模擬水平。
【專利說(shuō)明】一種控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海洋工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種模擬海冰的模型晶體生長(zhǎng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]全球的海洋中，海冰的分布面積為3770萬(wàn)平方公里，占全球洋面的11.8%。如果加入冰山分布海域，則包括流冰在內(nèi)的海冰面積為7260萬(wàn)平方公里，占全球洋面的22.9%。由此可見，海冰在海洋中占據(jù)了重要的地位。而正是在這些長(zhǎng)期或短期被海冰覆蓋的海域中，蘊(yùn)藏了豐富的海洋資源，進(jìn)而促使近三十年來(lái)，各國(guó)在寒冷海域中開展的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)呈高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。其中，以海上油氣資源的開發(fā)、海洋可再生能源的利用和航運(yùn)活動(dòng)的發(fā)展最為迅猛，海上油氣開采平臺(tái)、海上風(fēng)電機(jī)組等各類海洋工程結(jié)構(gòu)相繼矗立在寒冷海域，這些海洋工程結(jié)構(gòu)的安全性能就必然面臨著大面積流冰作用的威脅。因此，認(rèn)識(shí)、利用和開發(fā)海洋資源就不能不研究海冰。
[0003]現(xiàn)代冰力學(xué)解決工程問題的基本做法是理論分析同原型試驗(yàn)、模型試驗(yàn)三者緊密地結(jié)合。其中原型測(cè)試是對(duì)理論最直接的檢驗(yàn)，是冰力學(xué)機(jī)制最直接的表現(xiàn)，原型測(cè)試的數(shù)據(jù)是可貴的“第一手”資料。進(jìn)行海冰作用的原型測(cè)試，要耗費(fèi)較多的人力、物力，必須有周密的規(guī)劃部署，而且必須將理論分析和模型試驗(yàn)互相結(jié)合，才能最大限度地發(fā)揮它應(yīng)用有的作用。因?yàn)樵谠图船F(xiàn)場(chǎng)條件下，各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的出現(xiàn)是由客觀的自然過程決定的，不依人的意志而改變，而且一般是不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的，只有配合模型試驗(yàn)，通過在實(shí)驗(yàn)室重演并人為控制各項(xiàng)參數(shù)及其組合，才能更深刻地解釋在原型測(cè)試中所發(fā)現(xiàn)的各種現(xiàn)象之間的內(nèi)在聯(lián)系。原型測(cè)試直接得到的是個(gè)別現(xiàn)象的圖像，只有通過模型試驗(yàn)及理論分析，才能得出有指導(dǎo)意義的一般規(guī)律。室內(nèi)模型試驗(yàn)以其對(duì)環(huán)境的可控性、比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試明顯的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)而居于不可替代的地位。
[0004]模型試驗(yàn)技術(shù)的開發(fā)必然要求模型與原型在各方面的準(zhǔn)確相似，和其它模型試驗(yàn)相比，冰力學(xué)與冰工程模型試驗(yàn)是一種相當(dāng)特殊的試驗(yàn)，因?yàn)樗瑫r(shí)具有以下兩種試驗(yàn)的雙重性:一種是流體模型試驗(yàn)，另一種是材料試驗(yàn)。這不僅要求模型試驗(yàn)中冰排的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與原型相似，鑒于冰排出現(xiàn)多種模式的破壞是冰與結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)程的重要特征，這就更要求模型冰材料在破壞進(jìn)程與模式上與天然海冰具備高度的相似性，因此冰力學(xué)與冰工程模型試驗(yàn)的關(guān)鍵正在于對(duì)天然冰排破壞進(jìn)程的準(zhǔn)確模擬。冰是一種晶體材料，因而晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特征決定了冰材料的變形破壞特征，由此可見，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備的模型冰只有在晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上與天然海冰具備高度的相似性，才能在室內(nèi)模型試驗(yàn)中得到可以反映現(xiàn)實(shí)情況的測(cè)試結(jié)果。因此，能夠控制模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，促使其與天然海冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)達(dá)到一致的方法，是冰力學(xué)與冰工程模型試驗(yàn)中的關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)。
[0005]天然鹽水冰作為第一代模型冰曾于1957年在列寧格勒冰池中被前蘇聯(lián)學(xué)者采用，制取的方法是在水中摻加2?3%的鹽分凍結(jié)成冰。試驗(yàn)時(shí)，通過凍結(jié)在冰內(nèi)的鹽分的融化使冰強(qiáng)度降低，以滿足模型比對(duì)冰強(qiáng)度的要求。但冰力模型試驗(yàn)是一種縮尺試驗(yàn)，在縮尺模型試驗(yàn)中，要求模型冰的力學(xué)指標(biāo)依據(jù)模型比尺而下降，即要求模型冰不同強(qiáng)度之間的比值如彈性模量與抗彎強(qiáng)度之比和原型冰相同，但天然鹽水冰達(dá)不到這一要求。天然鹽水冰的致命缺陷是各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的下降不同步，而且縮尺越小，不同步也越明顯，因此作為模型冰并不適用。
[0006]1975年德國(guó)學(xué)者Schwarz發(fā)展了回溫降低冰強(qiáng)度的技術(shù)，并把含鹽量降低為
0.6%，由此制成的模型冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)與原型冰有一定的相似度，且有較高的彈性模量與彎曲強(qiáng)度比值，從而改善了模型冰的質(zhì)量和制冰技術(shù)。但這種模型冰對(duì)抗彎強(qiáng)度的模擬僅局限于10?15的模型比范圍內(nèi)，限制了冰力模型試驗(yàn)的應(yīng)用范圍。
[0007]加拿大學(xué)者Timco研制了一種在水中摻加尿素再凍結(jié)而成的尿素模型冰(UREA冰)，在縮尺試驗(yàn)中其物理量可以滿足模型比尺的要求，目前正被各國(guó)大多數(shù)冰池試驗(yàn)采用，稱為第二代模型冰。這種模型冰的模擬范圍最高可達(dá)到1:40。模型冰中所含尿素類似于原型海冰中的鹽水泡，還可促使冰融化，從而加大孔隙率，降低冰強(qiáng)度，以更好的滿足模型比的要求。目前，我國(guó)的低溫冰池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用的正是這種尿素模型冰。
[0008]目前，國(guó)際上采用的尿素模型冰生成制備流程為:
[0009]I).按照1.5%的比例，在水池中摻加尿素，攪拌成均勻的尿素水溶液；
[0010]2).室內(nèi)降溫:所有的冰池實(shí)驗(yàn)室中的水池均被一個(gè)三維方向上均設(shè)置保溫層的密閉空間包圍，實(shí)驗(yàn)室外的制冷壓縮機(jī)將制冷劑壓縮至密閉室內(nèi)的冷風(fēng)機(jī)中，而后通過冷風(fēng)機(jī)組向?qū)嶒?yàn)室內(nèi)吹送冷風(fēng)，形成室內(nèi)降溫過程。
[0011]3).噴霧結(jié)晶:當(dāng)水溫降低至冰點(diǎn)但尚未凍結(jié)之前，清除水中個(gè)別生成的大量晶粒及碎小冰塊。取用與水池濃度相同的尿素水溶液，將其溫度調(diào)整至10?15°C，停止冷風(fēng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后利用約20個(gè)大氣壓的壓力通過直徑小于2_的微孔把這些尿素水溶液噴射到冰池上空。被噴向冰池上空的、充分霧化的微粒水滴形成微冰晶粒，并自由散落在冰池水面上。由于池中水已處于冰點(diǎn)，所以落下的微冰晶粒不會(huì)融化，成為冰晶核，并且以次為核心引晶生冰。
[0012]4).繼續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣進(jìn)行降溫，冰晶體開始不斷自上而下生長(zhǎng)。
[0013]5).回溫:模型冰的強(qiáng)度指標(biāo)采用回溫進(jìn)行控制，即在模型冰達(dá)到預(yù)定厚度之前，提前關(guān)閉制冷機(jī)。由于冰厚增長(zhǎng)的滯后性，所以停機(jī)后冰厚仍繼續(xù)增長(zhǎng)至預(yù)定指。停機(jī)后低溫室自行緩慢升溫，冰強(qiáng)度及彈性模量等強(qiáng)度指標(biāo)隨之緩慢下降。同時(shí)，冰蓋下面水中的熱量通過冰蓋緩慢向空中發(fā)散，在這一過程中，凍結(jié)在冰中的尿素吸熱，在冰中形成大量微小泡子，且沿著冰晶粒間滲透，同樣也使冰強(qiáng)度降低，并且達(dá)到調(diào)整彈性模量與彎曲強(qiáng)度比值的作用。
[0014]6).監(jiān)視:回溫過程中，用懸臂梁法對(duì)冰強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)視，即在冰池不同位置冰面上切出冰懸臂梁，然后測(cè)量冰強(qiáng)度。當(dāng)測(cè)試到冰強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定值后可開始試驗(yàn)。
[0015]目前，國(guó)際冰力學(xué)界普遍認(rèn)為，采用現(xiàn)有的尿素模型冰制備技術(shù)生成的模型冰在冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上存在一定的缺陷，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:
[0016]I).尿素模型冰在冰晶體分層結(jié)構(gòu)上與天然海冰具有差異。
[0017]天然海冰的上表層一般由細(xì)小的粒狀冰晶體組成，其厚度取決于結(jié)冰時(shí)的海況條件，可從幾毫米至20毫米左右。表層以下為過渡層，其冰晶體開始有沿生長(zhǎng)方向變長(zhǎng)的趨勢(shì)。再往下即為冰排的基本結(jié)構(gòu)層，常稱為柱狀冰層，這里冰的晶體明顯的沿生長(zhǎng)方向即垂直方向變長(zhǎng)，冰的晶格對(duì)稱軸(稱為c軸)位于與水面平行的平面內(nèi)。天然海冰之所以具有上述的晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，主要是由海冰生長(zhǎng)過程中的海洋環(huán)境條件造成的。海面上初始生成的冰晶體，在海水表面風(fēng)場(chǎng)的作用下會(huì)出現(xiàn)紊亂的排列過程，這一過程會(huì)導(dǎo)致天然海冰的初始生長(zhǎng)層具有雜亂且緊密的晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，即表層粒狀冰體。當(dāng)這一粒狀冰體層生長(zhǎng)至一定厚度時(shí)，冰下水流具有一種重要的影響，即在海冰冰排中產(chǎn)生一種優(yōu)先的C軸方向(緊密構(gòu)造)，這就促使冰晶體軸快速的在水平方向上形成排列，進(jìn)而進(jìn)一步生成了穩(wěn)定的柱狀冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。
[0018]然而，在現(xiàn)有的室內(nèi)生成尿素模型冰技術(shù)中，并不具備產(chǎn)生表層晶體排列擾動(dòng)和冰下水下流動(dòng)的技術(shù)環(huán)節(jié)，因此導(dǎo)致模型冰在生長(zhǎng)過程中僅具有很薄的冰晶體隨即排列層，并且冰晶體間的緊密度也相對(duì)天然海冰下降了近30%。
[0019]2).尿素模型冰晶體尺寸較大
[0020]在噴霧引晶生成模型冰的過程中，現(xiàn)有的技術(shù)方案是等待空氣中的微冰晶粒自由散落在冰池水面上后，再開放冷風(fēng)機(jī)組進(jìn)行制冷。然而這樣的過程就造成微冰晶粒在降落過程中具備充分的凝聚時(shí)間，進(jìn)而促使降落至水面的冰晶體尺寸大于預(yù)期的結(jié)果。這樣的現(xiàn)象將直接導(dǎo)致模型冰晶體在沿垂直方向生長(zhǎng)時(shí)尺寸較大，從而造成模型冰在破壞進(jìn)程中裂紋的擴(kuò)展模式與天然海冰存在差異。
[0021]3).尿素模型冰柱狀生長(zhǎng)層的緊密度較低
[0022]尿素模型冰中所含尿素類似于原型海冰中的鹽水泡，也存在尿素溶液被排出冰體內(nèi)部的過程。然而，由于尿素具有較強(qiáng)的吸熱特征，因此在升溫過程中，尿素溶液在排出冰體的過程中還將促使途徑的冰晶體融化，從而大大降低柱狀生長(zhǎng)層的密實(shí)度，進(jìn)而導(dǎo)致尿素模型冰在模擬天然海冰彎曲破壞進(jìn)程中存在垂向裂紋擴(kuò)展過快的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，采用本發(fā)明提供的方法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)生成制備尿素模型冰，具有與天然海冰完全一致的晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特征一分層紋理結(jié)構(gòu)，即表層為由細(xì)小的粒狀冰晶體組成的粒狀冰層，中間為過渡層，底層為穩(wěn)定的柱狀冰層。使用本發(fā)明方法生成的尿素模型冰，在破壞模式上達(dá)到了對(duì)天然海冰很好的模擬水平。
[0024]針對(duì)現(xiàn)有尿素模型冰生成制備技術(shù)所導(dǎo)致的模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)缺陷，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)對(duì)尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的控制，以彌補(bǔ)上述缺陷。
[0025]一種控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，包括下面的步驟:
[0026]I)準(zhǔn)備與冰池實(shí)驗(yàn)室頂棚面積相同的不銹鋼板，在不銹鋼板上劃分網(wǎng)格，在網(wǎng)格線的的交叉點(diǎn)位置，開設(shè)孔洞，采用所述的不銹鋼板對(duì)冰池實(shí)驗(yàn)室頂棚進(jìn)行封頂；
[0027]2)布置第一冷風(fēng)機(jī)組:將第一冷風(fēng)機(jī)組封裝在實(shí)驗(yàn)室頂部的不銹鋼板上，第一冷風(fēng)機(jī)組的布置數(shù)量根據(jù)水池面積而定；
[0028]3)在冰池的周邊，布置第二冷風(fēng)機(jī)組；
[0029]4)在冰池的周邊，布置至少一臺(tái)整流風(fēng)機(jī)；
[0030]5)在冰池底部布置潛水泵；
[0031]6)按照1-2%的質(zhì)量配比，在冰池內(nèi)放入水和尿素，制成均勻的尿素水溶液；
[0032]7)開啟第一冷風(fēng)機(jī)組和第二冷風(fēng)機(jī)組，將冰池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣溫度降至_20°C至-22°C時(shí)，關(guān)閉冰池周邊布置的第二冷風(fēng)機(jī)組，開始噴霧引晶過程；
[0033]8)噴霧引晶過程中，利用15-25個(gè)大氣壓的壓力，通過直徑小于2mm的微孔把質(zhì)量配比為0.3%-0.7%的尿素溶液噴射到冰池上空向空氣，同時(shí)，調(diào)節(jié)第一冷風(fēng)機(jī)組的風(fēng)速，使風(fēng)速不高于0.5m/s ；
[0034]9)在完成噴霧引晶過程后，開啟第二冷風(fēng)機(jī)組；
[0035]10)開啟整流風(fēng)機(jī)，以形成對(duì)水表面冰晶層的風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)；
[0036]11)補(bǔ)晶:每隔一段時(shí)間，關(guān)閉整流風(fēng)機(jī)，并保持第二冷風(fēng)機(jī)組的開啟狀態(tài)，在冰池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充噴霧引晶，每次噴霧用尿素溶液量少于上一次噴霧過程的用量，補(bǔ)充噴霧引晶過程完成后，不再開啟整流風(fēng)機(jī)，風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)過程結(jié)束；
[0037]12)風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)過程結(jié)束后，開啟預(yù)先布置在水池底部的潛水泵。潛水泵規(guī)格依據(jù)水池內(nèi)水體體積確定；
[0038]13)兩個(gè)冷風(fēng)機(jī)組持續(xù)工作；
[0039]14)回溫。
[0040]作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟I)中，以邊長(zhǎng)為15-25的正方形為基本單位劃分網(wǎng)格，開設(shè)的孔洞為2-4mm大?。徊襟E6)中，按照1.5%的質(zhì)量配比制成均勻的尿素水溶液；步驟8)的噴霧引晶過程，按照尿素溶液的質(zhì)量配比為0.5% ;步驟11)中，每次噴霧用尿素溶液量為上一次噴霧過程的50%。
[0041]本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)為:1、采用垂直冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)控制噴霧引晶尺寸；2、采用水上風(fēng)場(chǎng)和冰下水流復(fù)合式擾動(dòng)方法，配合補(bǔ)充噴霧引晶方法，控制尿素模型冰晶體分層結(jié)構(gòu)；3、采用冰下水流擾動(dòng)方法，配合調(diào)整噴霧用尿素溶液比例方法，控制尿素模型冰柱狀晶體層緊密度。采用本發(fā)明技術(shù)方案制備生成的尿素模型冰，具有與天然海冰完全一致的晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特征一分層紋理結(jié)構(gòu)，即表層為由細(xì)小的粒狀冰晶體組成的粒狀冰層，中間為過渡層，底層為穩(wěn)定的柱狀冰層，如圖1的(a)和(b)所示。具體優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為:
[0042]1、采用垂直冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)控制得到的噴霧引晶尺寸均處于0.5?0.7mm范圍內(nèi)，大幅度小于采用現(xiàn)有技術(shù)得到的1.0mm晶體尺寸；
[0043]2、采用水上風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)配合補(bǔ)充噴霧引晶方法，可促使粒狀冰層厚度提高至10mm，遠(yuǎn)高于采用現(xiàn)有技術(shù)得到的I?2_粒狀冰層厚度；
[0044]3、采用冰下水流擾動(dòng)配合調(diào)整噴霧用尿素溶液比例方法生成的尿素模型冰，其柱狀晶體層緊密度較采用現(xiàn)有技術(shù)得到的模型冰柱狀晶體層緊密度提高了 30%。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1 (a)采用本發(fā)明制備生成的尿素模型冰晶體照片。
[0046]圖1 (b)天然海冰晶體結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0047]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0048]1、采用垂直冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)控制噴霧引晶尺寸
[0049]I).在冰池實(shí)驗(yàn)室頂棚布置一套冷風(fēng)機(jī)組，布置數(shù)量根據(jù)水池面積，按照每10m2范圍內(nèi)布置一臺(tái)IOkW功率冷風(fēng)機(jī)的原則，等間距安裝在試驗(yàn)室頂棚；[0050]2).在距離冷風(fēng)機(jī)組下邊緣200mm的位置處，采用一塊厚度為2mm的不銹鋼板對(duì)實(shí)驗(yàn)室頂棚進(jìn)行封頂，即采用與實(shí)驗(yàn)室面積相同的不銹鋼板作為實(shí)驗(yàn)室的天花板，同時(shí)將頂部冷風(fēng)機(jī)組封裝在實(shí)驗(yàn)室頂部；
[0051]3).以邊長(zhǎng)為20mm的正方形為基本單位，在上述不銹鋼頂棚上劃分網(wǎng)格；
[0052]4).以網(wǎng)格線的所有交叉點(diǎn)為圓心，在頂棚不銹鋼板上鉆取直徑為3mm的通透圓孔，這樣當(dāng)頂層冷風(fēng)機(jī)開啟后，可以在實(shí)驗(yàn)室天花板位置處形成不高于0.5m/s的垂直下壓冷風(fēng)場(chǎng)，同時(shí)下壓的冷風(fēng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室兩側(cè)墻面上的回風(fēng)通道，可最終形成水池內(nèi)水表面至天花板的垂直冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)；
[0053]5).通過冰池實(shí)驗(yàn)室制冷設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣溫度降至_20°C時(shí)，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室兩側(cè)布置的冷風(fēng)機(jī)組，開始噴霧引晶過程；
[0054]6).噴霧弓丨晶過程中，當(dāng)開始利用約20個(gè)大氣壓的壓力，通過直徑小于2mm的微孔把尿素水溶液噴射到冰池上空向空氣中時(shí)，開啟頂棚冷風(fēng)機(jī)組，這樣空氣中的微細(xì)水顆粒在垂直冷風(fēng)的作用下迅速凝結(jié)成冰晶體，同時(shí)在下壓冷風(fēng)場(chǎng)的作用下快速降落至水表面，避免了微冰晶粒在自由降落過程中發(fā)生相互凝聚，而不高于0.5m/s的風(fēng)速又保證了微冰晶粒均勻的下落過程。
[0055]2、采用復(fù)合式擾動(dòng)系統(tǒng)控制尿素模型冰晶體分層結(jié)構(gòu)
[0056]I).在完成噴霧引晶過程后，開啟冰池實(shí)驗(yàn)室兩側(cè)布置的冷風(fēng)機(jī)組；
[0057]2).在水池沿長(zhǎng)度方向的兩端，各布置一臺(tái)功率為IOkW的整流風(fēng)機(jī)，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000轉(zhuǎn)/分鐘，以形成對(duì)水表面冰晶層的風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)，這樣可促使水表面冰晶體的排列處于十分雜亂的狀態(tài)；
[0058]3).補(bǔ)晶技術(shù):由于水面上的初始冰晶層并不具備較高的連接強(qiáng)度，因此在水平風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)下，會(huì)出現(xiàn)冰晶層的破裂，同時(shí)為進(jìn)一步彌補(bǔ)模型冰晶體隨即排列層過薄的缺陷，本發(fā)明中研發(fā)了通過重復(fù)噴霧引晶進(jìn)行冰晶體補(bǔ)充的方法，即補(bǔ)晶技術(shù)。具體方法為:每隔20分鐘，關(guān)閉整流風(fēng)機(jī)，并保持實(shí)驗(yàn)室兩側(cè)冷風(fēng)機(jī)組的開啟狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充噴霧引晶，每次噴霧用尿素溶液量為上一次噴霧過程的50%。一次補(bǔ)充噴霧引晶完成后，重新開啟整流風(fēng)機(jī)，直至20分鐘后開始下一次補(bǔ)充噴霧引晶過程。補(bǔ)充噴霧引晶過程共進(jìn)行3次，第3次補(bǔ)充噴霧引晶過程完成后，不再開啟整流風(fēng)機(jī)，風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)過程結(jié)束；
[0059]4).風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)過程結(jié)束后，開啟預(yù)先布置在水池底部的潛水泵。潛水泵規(guī)格依據(jù)水池內(nèi)水體體積確定，選取原則為每100立方水設(shè)置10立方/小時(shí)的流量。潛水泵的吸水口與出水口通過軟管分別布置在水池沿長(zhǎng)度方向的兩端池底，這樣在池底水流的帶動(dòng)下，可在冰層底部形成緩慢水流，從而促使冰晶體軸快速在水平方向上形成排列，進(jìn)而進(jìn)一步促進(jìn)了緊密柱狀冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的形成。
[0060]3、采用調(diào)整噴霧用尿素溶液比例的方法改善尿素模型冰柱狀生長(zhǎng)層的緊密度
[0061]在上面采用冰下水流擾動(dòng)方式促進(jìn)模型冰柱狀生長(zhǎng)層緊密度的基礎(chǔ)上，基于對(duì)尿素溶液排出冰體過程會(huì)降低柱狀層及密度的認(rèn)識(shí)，本發(fā)明調(diào)整了噴霧用尿素溶液的濃度，以降低尿素溶液自冰體頂部向下排出的影響?，F(xiàn)有技術(shù)方案中噴霧用尿素溶液的濃度與制備模型冰的尿素溶液相同，即均為1.5%，本發(fā)明技術(shù)方案中將該比例調(diào)整為0.5%。
【權(quán)利要求】
1.一種控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，包括下面的步驟: 1)準(zhǔn)備與冰池實(shí)驗(yàn)室頂棚面積相同的不銹鋼板，在不銹鋼板上劃分網(wǎng)格，在網(wǎng)格線的的交叉點(diǎn)位置，開設(shè)孔洞，采用所述的不銹鋼板對(duì)冰池實(shí)驗(yàn)室頂棚進(jìn)行封頂； 2)布置第一冷風(fēng)機(jī)組:將第一冷風(fēng)機(jī)組封裝在實(shí)驗(yàn)室頂部的不銹鋼板上，第一冷風(fēng)機(jī)組的布置數(shù)量根據(jù)水池面積而定； 3)在冰池的周邊，布置第二冷風(fēng)機(jī)組； 4)在冰池的周邊，布置至少一臺(tái)整流風(fēng)機(jī)； 5)在冰池底部布置潛水泵； 6)按照1-2%的質(zhì)量配比，在冰池內(nèi)放入水和尿素，制成均勻的尿素水溶液； 7)開啟第一冷風(fēng)機(jī)組和第二冷風(fēng)機(jī)組，將冰池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣溫度降至-2(TC至-22°C時(shí)，關(guān)閉冰池周邊布置的第二冷風(fēng)機(jī)組，開始噴霧引晶過程； 8)噴霧引晶過程中，利用15-25個(gè)大氣壓的壓力，通過直徑小于2mm的微孔把質(zhì)量配比為0.3%-0.7%的尿素溶液噴射到冰池上空向空氣，同時(shí)，調(diào)節(jié)第一冷風(fēng)機(jī)組的風(fēng)速，使風(fēng)速不高于0.5m/s ； 9)在完成嗔霧引晶過程后，開啟弟二冷風(fēng)機(jī)組； 10)開啟整流風(fēng)機(jī)，以形成對(duì)水表面冰晶層的風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)； 11)補(bǔ)晶:每隔一段時(shí)間，關(guān)閉整流風(fēng)機(jī)，并保持第二冷風(fēng)機(jī)組的開啟狀態(tài)，在冰池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充噴霧引晶，每次噴霧用尿素溶液量少于上一次噴霧過程的用量，補(bǔ)充噴霧引晶過程完成后，不再開啟整流風(fēng)機(jī)，風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)過程結(jié)束； 12)風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)過程結(jié)束后，開啟預(yù)先布置在水池底部的潛水泵。潛水泵規(guī)格依據(jù)水池內(nèi)水體體積確定； 13)兩個(gè)冷風(fēng)機(jī)組持續(xù)工作； 14)回溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，步驟I)中，以邊長(zhǎng)為15-25的正方形為基本單位劃分網(wǎng)格，開設(shè)的孔洞為2-4_大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，步驟6)中，按照1.5%的質(zhì)量配比制成均勻的尿素水溶液；步驟8)的噴霧引晶過程，按照尿素溶液的質(zhì)量配比為0.5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制尿素模型冰晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，步驟11)中，每次噴霧用尿素溶液量為上一次噴霧過程的50%。
【文檔編號(hào)】B01D9/02GK103585780SQ201310576904
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】黃焱, 史慶增 申請(qǐng)人:天津大學(xué)