水结冰模拟系统及水结冰模拟试验方法

摘要

本发明提供了一种水结冰模拟系统及水结冰模拟试验方法，包括流体流动组件和低温试验箱，所述流体流动组件包括试验段，所述试验段内有流体流过，所述试验段顶面设有接触部，所述试验段处于所述低温试验箱内，所述接触部用于使所述试验段内的流体与所述低温试验箱内的冷空气接触形成冰。能模拟流动的水结冰所需要的温度场景，使人们对流动的水结冰现象的研究在实验室就可进行。

说明书

技术领域

本发明涉及水结冰试验技术领域，特别涉及一种水结冰模拟系统及水结冰模拟试验方法。

背景技术

在对冰的力学特性等性能进行研究的时候，需要采集冰块，目前冰块的取得主要依靠在冰箱等冷冻室内结冰获得或者在自然天气下水结成冰获得，由于成冰时的成冰环境不同，所获得的冰的力学特性等性能也不相同，因此，冰箱内水结冰获得的冰块与自然环境下结冰所获得的冰块的各种特性具有一定的差距，特别是，冷冻室内结冰是对非流动的水进行冷冻而结成的冰，而自然条件下，水是流动的，因此对采用冷冻室结冰获得冰块进行的研究而获得的数据与自然环境下结冰而获得的冰块研究结果具有较大差异，但由于受自然条件的限制，一些地区常年不能结冰，大多数地区只有在冬季可在自然环境下结冰，因此，给冰的力学特性研究带来了一定的困难，也给实际工作带来困难。比如，海上风力发电机因处于海上且通常处于高寒地区，因此，其基座极易结冰，其基座结冰后，对风力发电机的发电性能产生不良影响，因此，需要对基座除冰，当对基座除冰时，需破冰船进行破冰，在设计破冰船时，需要对破冰的参数进行设计，这就需要了解冰的各项物理特性参数，比如冰的抗剪切力、硬度等，而不同海域中由于所处地理环境不同，水流速、温度、海水的含盐量等各有差异，因此，所结出的冰的物理性质也不一样，因此，想要设计出性能比较优良的破冰船需要对不同海域的结冰进行深入研究。目前通常的作法是到所处的海域采冰，然后对冰进行研究，而研究工作是日常的，一些研究机构离海上电站远，因此，不可能每研究一个海域的结冰情况就到该处进行采样，因此，需要建立一个模拟结冰系统，采用该结冰模拟系统按需要制备研究所需的样冰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术所获得的冰与自然条件下获得的冰的特性相差比较大的不足，提供一种水结冰模拟系统及水结冰模拟试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种水结冰模拟系统，包括流体流动组件和低温试验箱，所述流体流动组件用于通过流体且对通过的流体进行整理，其至少包括试验段，所述试验段内有流体流过，所述试验段设有接触部，所述流体流动组件中至少试验段处于所述低温试验箱内，所述接触部用于使所述试验段内的流体与所述低温试验箱内的冷空气接触形成冰；

所述接触部为设置在试验段顶部的开口或设置在试验段顶部的通气孔或者导热性大于其它部位的板中的一个；

还包括流体控制组件和温度控制组件，所述流体控制组件用于为所述流体流动组件提供不同的流体，所述温度控制组件用于控制所述流体控制组件提供的流体的温度；

所述流体控制组件包括进水管、水泵、水箱和出水管，所述进水管的出口与所述流体流动组件的入口相连，所述进水管的入口与所述水泵的出口相连，所述水泵的入口与所述水箱相连，所述出水管的入口与所述流体流动组件的出口相连，所述出水管的出口与所述水箱相连；

所述温度控制组件包括冷凝器、散热片和风机，所述冷凝器置于水箱内，所述散热片用于对所述冷凝器中的液体进行散热，所述风机用于将将散热片散发的热量吹至外界环境中，所述水箱为保温水箱；

所述流体流动组件还包括扩散段一、拐角段、稳定段一、收缩段、稳定段二和扩散段二，所述扩散段一、拐角段、稳定段一、收缩段、稳定段二、试验段和扩散段二依次相连，所述拐角段内设有多个弧形导流片；所述试验段为透明色，所述低温试验箱上设有透明视窗；

所述收缩段在宽度方向上对称设置有两曲面侧壁，该曲面侧壁的俯视投影形状为收缩曲线，所述收缩段包括第一收缩段和第二收缩段，所述第一收缩段从缓慢曲线收缩转至碗状曲线收缩，所述第二收缩段从喇叭状曲线收缩转至缓慢曲线收缩。

一种水结冰模拟试验方法，所述方法为：

低温环境内温度等于或低于流体结冰温度；

至少流体流动组件的试验段置于低温环境内；试验段具有可以与低温环境内的冷空气比流体组件的其它部位更快热交换的接触部；

流体至少在试验段的接触部处遇到低温环境内的冷空气后凝结成冰；

所述低温环境为低温试验箱；由所述流体流动组件调整流体使流体的流速均匀、形成稳定的层流；

流体控制组件向流体流动组件提供不同的流体，并控制流体的流速；

温度控制组件控制流体控制组件所提供流体的温度，使流体的温度与流体的结冰温度相近；

低温试验箱内的温度为-8℃至-16℃；

至少将流体流动组件的试验段置于低温试验箱内；

流体控制组件向流体流动组件提供流体，并控制流体的流速在0.041-0.166m/s的范围内；

温度控制组件控制流体控制组件所提供流体的温度在1℃-4℃范围内；

试验段内流体在接触部处遇到低温试验箱内的冷空气后凝结成冰，所述流体为模拟的海水。

本发明的有益效果在于：采用本发明的系统进行结冰，由于设置有流体流动组件，在流体流动组件的试验段设置有接触部，设置有接触部的试验段位于低温试验箱内，低温试验箱可提供不同的低温环境，因此，可通过该流体流动组件获得流动的水，流动的水流经试验段，由于试验段位于验箱内中，在试验段接触部处接触到低温试验箱内的冷空气，试验段接触部处的水遇冷凝结成冰，因此，可使流动的水在模拟的自然环境中结冰，使所获得的冰的物理特性相比于在冷冻箱内所结的冰更接近实际环境中所形成的冰，用该冰进行力学特性研究更贴近实际的结冰环境内所获得的样冰。本发明的设备还有另外的优点在于，可在实验室内观察流动的水遇冷结冰的过程，不受时间、空间和环境温度的限制，对水结冰的过程进行研究和观察。

采用本发明的一种水结冰模拟试验方法，本发明的有益效果在于：低温环境内的温度等于或者低于流体结冰温度，则当试验段内的流体在接触部处与低温环境内冷空气接触时，会慢慢降低试验段内接触部处流体温度，使之慢慢接近流体结冰温度，并最终凝结成冰，从而可用简单的方法获得流动的液体所结的冰，更接近自然的成冰过程。

附图说明

图1为本发明实施例的流体流动组件的立体图；

图2为本发明实施例的流体流动组件的剖视图；

图3为本发明实施例的收缩段收缩曲线公式1和公式2中的参数含义展示示意图；

图4为本发明实施例的系统整体结构示意图；

图5为本发明实施例的水结冰模拟试验方法的流程图；

图6为本发明另一实施例的水结冰模拟试验方法的流程图；

图7为本发明第三种实施例的水结冰模拟试验方法的流程图；

图8为流体流速图像

图9为在试验段截取的第一个截面的流速截面图；

图10为在试验段截取的第二个截面的流速截面图；

图11为在试验段截取的第三个截面的流速截面图；

图12为在试验段截取的第四个截面的流速截面图；

图13为在试验段截取的第五个截面的流速截面图。

标号说明：

1、流体流动组件；2、流体控制组件；3、低温试验箱；4、温度控制组件；

11、扩散段一；12、拐角段；121、弧形导流片；13、稳定段一；14、收缩段；141、第一收缩段；142、第二收缩段；143、曲面侧壁；15、稳定段二；16、试验段；161、接触部；162、凸边；17、扩散段二；

21、进水管；22、水泵；23、水箱；24、出水管；

41、冷凝器；42、散热片；43、风机。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图4，本发明提供的实施例为：

一种水结冰模拟系统，该系统包括流体流动组件1和低温试验箱3，流体流动组件1至少包括试验段16，试验段16为管状件，其内腔供流体通过，试验段16顶面设有供与外界空气进行热交换的接触部161，试验段16位于低温试验箱3内，接触部161用于使试验段16内的流体与低温试验箱3内的冷空气接触形成冰。

低温试验箱3提供水结冰所需的环境温度，对流经试验段的流体的温度进行调控，具体的，低温试验箱3内的温度等于或者低于结冰温度，至少将流体流动组件的试验段16置于低温试验箱3内，由于试验段16设有接触部161，则低温试验箱3内的冷空气通过接触部161与试验段16内的流体进行热交换，使试验段16内的流体遇到低温冷空气凝结成冰，提供了流动的水结冰所需的环境和条件。最好整个流体流动组件1全部设置在低温试验箱内，通过低温试验箱内的低温给整体流体降温，使流体拥有与模拟的自然环境温度相当条件的温度。接触部161可为设置在试验段上的开口、或是在试验段的顶部上设置的多个通气孔或者为设置在试验段处的导热性能良好的金属盖板。当接触部为开口时，则开口的大小要与所要获得的冰块的大小相当，由于试验段的接触部为开口结构，使试验段16内的流体与接触部处的冷空气在开口处直接接触，使试验段内的流体与冷空气的接触良好，因此，在该开口处成冰的速度比较快；若接触部为设置在试验段顶部的多个通气孔，则试验段设置有通气孔处的面积要与所获得的冰块的大小相适应。若接触部为金属盖板，需要在试验段16顶面加工出开口，金属盖板盖在开口处，通过导温性能好的金属盖板将外部冷空气的低温传导至试验段16内，使试验段16内设置有金属盖板处的流体遇冷结冰，结冰后打开盖板将冰取出。

为了模拟不同自然条件下流动的水结冰的过程，优选该系统还包括流体控制组件2和温度控制组件4，流体控制组件2用于为流体流动组件1提供不同流速、不同流量的流体，温度控制组件4用于控制流体控制组件2提供的流体的温度，从而模拟出不同的自然结冰环境。流体控制组件2为流体流动组件1提供不断流动的水，从而使试验段16内有不断流动的水。又由于水结冰所需要的时间与水本身的温度有关，水本身温度越低，水结冰的速度越快，因此采用温度控制组件4对流体温度进行控制，例如，采用温度控制组件4使流体控制组件2所提供的流体温度接近冰点，比如2℃，此时，试验段16内温度为2℃的流体在接触部161处遇到小于等于结冰温度的冷空气就会快速凝结成冰。因此，温度控制组件不仅能提高结冰的效率，而且能通过温度控制组件的作用使流体的温度更接近自然条件下结冰的环境温度。

综上，本水结冰模拟系统能控制一定温度的流体不断流到流体流动组件1，并在试验段16与低温试验箱3内的冷空气相遇，慢慢凝结成冰，低温试验箱3温度可控，则该系统不受时间、空间和环境温度限制即可进行模拟流动水结冰过程的试验。

具体的，为了提供不断的水流，如图4所示，流体控制组件2包括进水管21、水泵22、水箱23和出水管24，进水管21的出口与流体流动组件1的入口相连，进水管21的入口与水泵22的出口相连，水泵22的入口与水箱23相连，出水管24的入口与流体流动组件1的出口相连，出水管24的出口与水箱23相连。

水箱23用于储存水，水泵22用于将静态水变成动态水流，水箱23内的水经水泵22泵出后，依次流经进水管21、流体流动组件1、出水管24、水箱23、水泵22形成水循环。

为了对试验段16中的流体的流动速度进行精细调整，优选流体控制组件2还包括调流阀，调流阀安装在进水管21上，在进水管21上安装调流阀，能够对流体流动组件1内的流体流速进行小范围无极调节。

进一步的，在出水管24上也设置调流阀。在进水管和出水管上均设置调流阀能够使出水管与进水管的流速相配合，从而稳定试验段水流液面，获得更稳定的水流。

进一步的，为了能够对水流流速进行大范围的调节，水泵22选用离心式水泵，水泵22最好选用YLY-4000或YLY-8000，最好两种水泵更替使用，比如，当需要比较小的水流量时，采用YLY-4000，其流量范围1800-3760L/H，当需要比较大的水流量时采用YLY-8000，其流量范围为3490-7250L/H，利用上述两种型号的水泵22能够有多档调整这一功能，更替配合使用水泵22以达到较大范围内水流流量调节的作用，从而使本水流体控制组件，其水泵22能够进行七档调节，也就意味着能够模拟其中七种相差较大水流流速下水结冰的情况，再结合调流阀，该系统能模拟多种水流流速下水结冰的过程。

进一步的，为了防止试验段16中的流体从其接触部161处喷出或者溢出，试验段16的接触部161处设有向上延伸出的一圈凸边162，以提高试验段16的顶面高度。

进一步的，为了能够对试验段16内流体流速进行检测，流体控制组件2还包括流体流速检测装置，流体流速检测装置可以采用皮托管和压差计相配合，皮托管的测试端从接触部161处伸入试验段16内，对试验段16内的流体流速进行监测，以得到准确的流速数据，使试验数据更加完整。

进一步的，为了使流体温度较为稳定，水箱23为保温水箱，防止水箱23外环境温度影响水箱23内流体温度。

可采用如下结构的温度控制组件4，包括冷凝器41、散热片42和风机43，冷凝器41位于水箱23内与水直接接触，能够对水箱23内的水进行降温，散热片的内腔与冷凝器的冷凝管相连通，在冷凝器内经过热交换而获得的温度较高的水流入散热片内，由风机对散热片进行散热降温，经降温的水进入凝管中，对水箱内的水进行降温，周而复始。通过冷凝器41、散热片42和风机43这一组合实现对水箱23内水的温度进行调节，也就是实现对流体控制组件2所提供流体的温度的调节。

为了保证试验段16处流体的均匀稳定性，该系统还对流体流动组件1的结构进行设计，具体的，流体流动组件1还包括扩散段一11、拐角段12、稳定段一13、收缩段14、稳定段二15和扩散段二17，扩散段一11、拐角段12、稳定段一13、收缩段14、稳定段二15、试验段16和扩散段二17依次相连，拐角段12内设有多个弧形导流片121。

在流体流动组件1中，流体流动组件1整体水平放置，水流经过扩散段一11后其流经宽度变大，水流速度整体降低且较为稳定均匀，之后到达设有多个弧形导流片121的拐角段12，在拐角段12处根据空间需要改变水流方向，整合水流，把湍流变成层流，防止形成漩涡，多个弧形导流片121竖直设置，且为同心圆弧，将流经拐角段12的水流变成层流，稳定段一13对水流进行缓冲，使水流速度比较均匀，没有漩涡，以得到高质量水流，在收缩段14对水流进行整流加速，在稳定段二15对整流加速后的水流进行缓冲，使水流速度比较均匀，没有漩涡，并在试验段16中通过接触部161与周围空气进行热交换，观察其热交换后的变化状态及过程，流经试验段16的水流之后到达扩散段二17流出，防止水流在试验段16堆积影响试验准确性。本申请流体流动组件1的结构能大大降低水流在试验段接触部处的湍流度，保证了试验过程中流体的均匀稳定性，提高了试验结果的可靠性。

具体的，流体流动组件1任一位置处纵向截面的形状为矩形，流体流动组件1各段之间相对接的面上均设有向外侧面延伸的凸缘，相对接的凸缘用螺钉螺母锁紧固定。

进一步的，拐角段12使系统能根据所需要的角度进行弯折，比如90°拐弯，从而使系统总长度缩短，占用空间集中。

进一步的，为了提高收缩段14的水流稳定性，收缩段14在宽度方向上对称设置有两曲面侧壁143，该曲面侧壁的俯视投影形状为收缩曲线，收缩段14包括第一收缩段141和第二收缩段142，第一收缩段141从缓慢曲线收缩转至喇叭状外扩曲线收缩，第二收缩段142从喇叭状内缩曲线收缩转至缓慢曲线收缩，第一收缩段141使进口处水流收缩速度平稳，出口处水流收缩加快，第二收缩段142使进口处水流收缩加快，出口处水流收缩速度平稳，从而使收缩段14入口和出口处水流均匀性较好，对流体流动组件1中其他段水流的影响较小。优选的，收缩段14的收缩比为6-9：1最好为6.25:1，采用本收缩比，可使水流速度较为稳定，有效降低收缩段14内水流的湍流度。

最好采用如下计算公式进行收缩曲线设计，收缩段14的收缩曲线计算公式为：

若

若

其中，R

进一步的，至少试验段采用PLA材料，当然，流体流动组件1可全部采用PLA材料，PLA又叫聚乳酸，是一种新型的生物可降解材料，本材料强度高，受温度变形影响小，特别是其呈透明状，流体组件采用透明材料，便于观测流体的流动状态特别是观测试验段的流体流动状态及成冰过程，可通过观察成冰过程对所结的冰进行分类研究。

为了减少流体流动组件的占用空间，试验段16的水流通过截面尺寸设计的尽量小一些，在一个区间范围即可，比如，水流通过截面的宽度可以为50-80mm，高度可为50-80mm比如，试验段16的水流通过截面尺寸为60mm*60mm，使试验装置体积较小；结合收缩段14的低收缩比为6.25:1，使试验装置整体体积较小，方便放置在实验室中、特别是低温试验箱内。

进一步的，为了能够观察到试验段16内水结冰的情况，试验段16为透明色，或在低温试验箱3上设有透明视窗。

进一步的，扩散段一11、拐角段12、稳定段一13、收缩段14、稳定段二15、扩散段二17、进水管21、出水管24上均包裹有保温棉，这样流体流动组件1除了试验段16外均通过保温棉与外部环境温度进行隔绝，使低温试验箱3内环境温度仅对试验段16产生比较大的影响，减少低温试验箱内环境温度对流体的影响，使流体的温度受到温度控制组件4的控制，方便调整结冰速度和结冰环境。

由于流体流动组件1的各段均为硬质结构，且连接在一起，因此在具体试验时，可以将流体流动组件1整体放置在低温试验箱3内，由于流体流动组件1除试验段16外均用保温棉包裹，因此，流体流动组件1除试验段16外不受或受到低温试验箱3温度影响小。又由于水箱23和水泵22设置在低温试验箱3外部，可将进水管21和出水管24设置为软管，这样方便流体流动组件1与水泵22、水箱23的连接，安装便捷。

进一步的，进水管21和出水管24也包裹有保温棉，使外部空气对进水管21和出水管24内水流温度影响较小。

针对本申请的系统应用于海水结冰试验的应用举例：首先，对于海水含盐量的问题，不同海域的海水含盐量是不同的，太平洋海水整体的平均含盐量为35‰，但是其内部仍有很大差别，即表层海水偏赤道附近降水量较大，因此含盐量较低，从西部的34.5‰降到东部的33‰，其他海域情况类似，在本系统中分别配比水中含盐量在30‰—40‰范围内来模拟海水进行结冰试验，为海冰力学特性方面的研究提供技术支撑；其次，对于水流速的问题，正常海水中，表层水流流速0.01—3m/s之间，深层水流速度为0.1m/s以下，本系统选用的离心式水泵型号对不同水流流量进行调节后，能够得到0.041—0.166m/s的水流速度，满足海水流速需求；再次，对于水流温度的问题，海水中因含有盐份，其冰点低于淡水，且海水在长时间处于冰点温度附近时才会凝固结冰，本系统采用低温试验箱3对试验段16进行低温处理，使试验段16处于-8℃至-16℃之间，能够到达海水冰点温度，再采用温度控制组件4，使水流温度在0℃-2℃之间，从而模拟不同工况(不同含盐量、不同流速、不同环境温度)下真正的海水结冰。因此，本发明能够在实验室环境下模拟各个工况(不同含盐量、不同流速、不同环境温度)下的流体结冰情况。

本发明还包括：请参照图5，一种水结冰模拟试验方法，方法为：

低温环境内温度等于或低于流体结冰温度；

流体流动组件的试验段置于低温环境内；

流体在接触部处遇到低温环境内的冷空气后凝结成冰。

低温环境内为冬天开放式的低温空间，或者为制作的低温试验箱；将试验段置于低温环境内，则试验段内流体在接触部处会慢慢凝结成冰。

进一步的，请参照图6，方法还包括：

低温环境为低温试验箱；

流体控制组件向流体流动组件提供流体，并控制流体的流速；

温度控制组件控制流体控制组件所提供流体的温度。

低温试验箱为类似于冷冻冰箱的箱体，低温试验箱可搬运，将流体流动组件的试验段置于低温试验箱内，并通过流体控制组件控制流体流速，通过温度控制组件控制流体温度，使在实验室内可观察流动的水遇冷结冰的过程，不受时间、空间和环境温度的限制。

进一步的，请参照图7，方法具体为：

调整低温试验箱内的温度为0℃--8℃；

将流体流动组件的试验段置于低温试验箱内；

流体控制组件向流体流动组件提供流体，并控制流体的流速在0.041-0.166m/s的范围内；

温度控制组件控制流体控制组件所提供流体的温度在1℃-4℃范围内；

试验段内流体在接触部处遇到低温试验箱内的冷空气后凝结成冰。

-8℃至-16℃的温度范围为水及盐水的结冰温度范围，0.041-0.166m/s的流速范围处在江河湖海流速范围内，1℃-4℃的温度范围接近于流体结冰温度，从而模拟出了，长期处于接近流体结冰温度范围内的流体，在遇到等于或低于结冰温度环境时慢慢结冰的过程，类似于江河湖海中流动水结冰的过程，有利于冰体力学研究。

综上，本发明提供的水结冰模拟系统及水结冰模拟试验方法，通过流体流动组件1使试验段16水流速度平稳，通过设有接触部161的试验段16，使试验段16接触部161处水流能与冷空气接触凝结成冰，还能用皮托管与压差计配合测量试验段16流速，通过流体控制组件2为流体流动组件1提供水流，并能对水流速度进行调节，通过低温试验箱3对试验段16进行低温控制，使试验段16水流能与冰点或冰点以下温度的冷空气接触，通过温度控制组件4对水流温度进行控制，还可通过人工对水流含盐量进行控制，能模拟流体结冰所需的流速、温度环境，且设备长度短、体积小，使用不受环境温度、时间、空间的影响，能对江河湖海中水结冰的现象进行模拟。

以上仅为本发明的具体的实施方式，并非不对本发明的专利范围进行限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

实施例1：

试验段16的水流通过截面尺寸为60mm*60mm，收缩段14的收缩比为6.25:1，采用公式1和公式2所示的公式对收缩段的收缩曲线进行设计，水流流速为0.1M/S、低温试验箱内温度为-12℃，流体的温度为2℃，海水的含盐量为0。

实施例2-10的试验参数见表一。其余同实施例1。

表1采用本发明结构的流体流动组件提供水流时流体流动速度差异如下表：

表1-1：

表1-2

试验方法：每隔10mm取一试验段截面，利用水流速计对试验段截面处的水流流速进行测试，并记录，将各段测试所得的最大流速和最小流速进行统计。结果可知，各段截面流速的最大差值均小于±0.015m/s,水的含盐量对水流的流速没有明显的影响。

图9-图13中，图片右侧标注代表试验段各个截面位置流速对应的颜色，由各个图可知各截面中间内部颜色统一，且五个截面通过比较相似度较高，即证明整个试验段流速均匀，水洞结构设计较为合理。