【悦读科学】“冰雪魔术”变水成雪：人工造雪技术Bet365 - Online Sports Betting

2025-01-20 18:36:16

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　　自然成雪过程包括三个环节：晶核形成、雪晶生长、雪花自然沉降。大气中的微小水滴过冷冻结形成晶核，或者大气中气溶胶颗粒直接作为晶核。晶核形成后，大气中的水蒸气受环境中复杂的气流、湿度、杂质等影响，在细小晶核表面以冰晶的形式生长，呈现出具有结构多样性的雪花[1,2]，最后发生自然沉降。自然成雪的形成条件可以概括为三点[3,4]：（1）环境水蒸气饱和，雪晶才能成长；（2）要有雪晶核；（3）环境温度和水蒸气过饱和度直接影响雪晶形状，导致雪花的结构多样性。目前主流的人工造雪技术也是利用了自然成雪原理，将水和空气在造雪机喷嘴内混合后喷出形成微小雾化水滴，水滴在低温的空气中冻结，成为雪花生长的关键要素——“晶核”。晶核再聚集周围雾化水汽，在落地之前继续生长。从原理上看，使雾化水滴凝结放热的原因有两种[5]：一是雾化水滴与寒冷空气接触后的热交换；二是压缩空气的快速膨胀迅速降温，使雾化水滴迅速释放热量凝结成核。环境温度越低，传热温差越大，水滴凝结时间越短；环境相对湿度越低，水滴周围的水蒸气分压差越大，水滴蒸发冷却能力越强，这都有利于雪花的形成[6]。雾化水滴降落过程中与环境进行对流传热的同时也在不断蒸发，会同时吸收蒸发热、太阳辐射热和摩擦热，成雪的热力学状态也在不断发生改变，因此成雪过程相当复杂[7]。

　　人工造雪技术的发展可以追溯到20世纪30年代，最早的造雪方法是利用碎冰机制取碎冰再鼓吹至滑雪场地。1950年，P. Wayne率先提出利用压缩空气和喷嘴节流制取雪晶，创造了第一台真正意义上的人工造雪机。时至今日，随着冰雪运动的日益普及，人工造雪技术得到了长足的发展。目前造雪机类型可以分为以下4种类型[3]：（1） 内混型造雪机，将压缩空气和高压冷水在核子器腔室内混合后，在出口膨胀过冷，雾化水滴凝结成晶核，并聚集空气中的水汽和水滴继续冷却生长形成雪晶；（2） 外混型造雪机，将高压冷水和压缩空气分别直接通过喷嘴喷出，利用空气膨胀冷却来给雾化水滴降温形成晶核，受外界风力影响较大；（3） 风扇型造雪机，无需压缩空气和核子器，雾化水滴经大功率的高速风扇吹出，悬浮在高空中，只在低温环境冷却；（4） 碎冰机型造雪机，通过切削机将制取的冰块粉碎成小冰粒后，经风机鼓吹落地成雪。

　　内混型造雪机由于效率高、造雪效果好，迅速占据了造雪机的主流市场。将内混型造雪机与风扇型造雪机相结合，演变出目前市面上应用的主流机型。内混型造雪机造雪过程如图1所示，其中最核心的部件就是喷嘴环上的核子器、喷嘴和风筒内的风机。核子器是一种气液两相的空气助力式喷嘴，内部高压空气与冷水相互作用使水雾化破碎成更细小液滴；而喷嘴内部仅为单液相且有螺旋结构，使水在离心力作用下形成空心锥形喷雾，其雾化液滴尺寸稍大于核子器[8]。核子器喷出的微小雾化液滴与冷空气换热后，迅速过冷冻结成冰晶，为雪花生长提供晶核。晶核与喷嘴喷出的雾化液滴被风机鼓吹至空中发生碰撞，液滴接触过冷晶核后会迅速冻结，形成人造雪。核子器内部空气剪切作用能够有效提升雾化效果，使内混型造雪机的成雪效果远高于其他机型，是造雪机成雪的关键。然而，目前的内混型造雪机在改善核子器、喷嘴雾化效果，提高造雪机成核率，增大成雪量等方面都存在巨大的进步空间。西安交通大学联合上海理工大学和中国科学院理化技术研究所[5]开展了造雪过程多相态变化机理与高效造雪协同优化技术研究，从成雪机理、造雪原理与设备等方面细致分析成雪条件和高效造雪调控策略，为改善人工造雪技术提供参考。

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