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造雪机核心部件流场数值模拟与系统匹配优化

造雪机核心部件流场数值模拟与系统匹配优化

作者：黄志电北京石油化工学院

学位级别：硕士

造雪机是保证滑雪场正常运营的器械,其造雪性能决定了滑雪运动的顺利进行。随着“三亿人上冰雪”的全民健康运动目标的提出,开发造雪性能更优的造雪机成为了国内冰雪产业的迫切需求。但国产造雪机存在核心部件成核效率低、造雪质量差的... 详细信息

造雪机是保证滑雪场正常运营的器械,其造雪性能决定了滑雪运动的顺利进行。随着“三亿人上冰雪”的全民健康运动目标的提出,开发造雪性能更优的造雪机成为了国内冰雪产业的迫切需求。但国产造雪机存在核心部件成核效率低、造雪质量差的问题。本文以一种常见的造雪机为研究对象,分别对核心部件中核子器成核机理和旋流喷嘴的雾化机理进行研究以及结构优化,并在此基础上对两者的匹配参数进行优化。核子器成核性能决定了造雪机的最大造雪量。国产造雪机中的核子器成核量较低导致整机造雪量较小。本文对不同工况下核子器的气液分布、出口速度、温度分布等性能特性进行模拟和实验分析,其结果表明核子器射流的平均温度较高,降温速度较慢,导致在造雪过程中成核性能较差。此外,射流速度是影响降温过程的重要因素,出口速度越大,射流温度越低,核子器成核性能也就越高。基于此,对传统核子器进行结构优化,结果表明,在合适的气体入口角度下,可一定程度提升出口速度,但提升幅度有限。为进一步提升核子器的出口速度,基于拉瓦尔喷管中气体跨音速流动的机理,设计了新型拉瓦尔核子器,突破了传统核子器中气体速度无法跨越当地音速的结构限制,出口速度可提升92%,射流平均温度最大可降低70%,成核性能大幅提升。旋流喷嘴的雾化特性是影响造雪量和造雪密度均匀性的重要因素。通过对旋流喷嘴的气液分布、出口速度和出口液滴粒径数量分布的模拟分析发现,出口喷雾区中液滴在适宜造雪范围内的数量占比较小,不同位置下的液滴粒径差异较大,对造雪密度的均匀性造成影响。旋流喷嘴出口直径是影响雾化特性的重要因素,在适合的出口直径下,流量获得提升的同时,还可获得理想的液滴粒径分布。基于此,本文对造雪机中旋流喷嘴的出口直径进行优化,通过进行造雪实验对造雪密度进行分析,其结果表明,改进后的旋流喷嘴在相同数量下造雪密度均匀性最大可提升40%,造雪量最大可提升43%。核子器与旋流喷嘴相互匹配构成造雪机的雾化系统,两者的匹配数量会对造雪机雾化区的液滴粒径造成影响,进而影响造雪密度。通过对核子器与旋流喷嘴的不同匹配数量的实验和模拟分析,其结果表明造雪密度随液滴粒径的增大而增大。基于此,对两者的匹配数量进行了优化,适宜造雪的液滴数量占比最大可提升30%,拓展了造雪机的适用范围,可满足滑雪场中初、中、高和竞速级滑雪道的要求。

关键词：造雪机核子器旋流喷嘴结构优化系统匹配

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造雪机原理及其高效智能化技术分析

制冷与空调 2023年第2期23卷 19-24页

作者：熊通董佩文刘国强晏刚孙承华西安交通大学北京忠和体育发展有限公司

从造雪机的工作原理、发展状况、改进措施等方面展开分析,为我国造雪机的发展研究提供参考。根据造雪机的工作原理,造雪机可以分为4种:压缩空气型造雪机、风扇型造雪机、压缩空气-风扇型造雪机、碎冰型造雪机,其中压缩空气-风扇型造雪... 详细信息

从造雪机的工作原理、发展状况、改进措施等方面展开分析,为我国造雪机的发展研究提供参考。根据造雪机的工作原理,造雪机可以分为4种:压缩空气型造雪机、风扇型造雪机、压缩空气-风扇型造雪机、碎冰型造雪机,其中压缩空气-风扇型造雪机是目前应用较广泛的造雪机。造雪机的改善措施主要分为4个方向:添加活性剂、喷嘴/核子器优化、预冷装置调控和智能控制。

关键词：造雪机成雪原理改进措施智能化

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一种造雪机核子器喷嘴的喷雾性能的仿真分析

机械工程师 2021年第5期 26-27,30页

作者：杨玉昆王加国施法白鹏程王莎莎董子昂金向阳哈尔滨商业大学轻工学院哈尔滨150028 黑龙江省乾升冰雪设备制造有限公司哈尔滨150028 虚拟制造技术福建省高校重点实验室福建泉州362000

为研究一种造雪机核子器喷嘴的喷雾性能,建立了该种喷嘴的三维模型并进行了网格划分处理,利用VOF模型及k-ε双方程模型对该喷嘴的喷射雾化过程进行数值模拟,在喷射速度、液相分布等多个方面对其喷雾性能进行了分析。为造雪机核子器喷嘴... 详细信息

为研究一种造雪机核子器喷嘴的喷雾性能,建立了该种喷嘴的三维模型并进行了网格划分处理,利用VOF模型及k-ε双方程模型对该喷嘴的喷射雾化过程进行数值模拟,在喷射速度、液相分布等多个方面对其喷雾性能进行了分析。为造雪机核子器喷嘴的选型提供重要的参考依据。

关键词：造雪机核子器喷嘴喷雾仿真

两个冬季赚走新疆1300万——黑龙江滑雪装备产业集团雪场规划设计、索道、造雪机、压雪车、雪具独霸新疆市场

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冰雪运动 2004年第2期26卷 4-4页

作者：鹿启海《乌鲁木齐晚报》记者

春节黄金周首府周边各大滑雪场的游客数量比去年同期上升200％，其中内地游客占20％，本地游客约占80％，滑雪场存冰雪经济中赚足钞票的同时，谁又在赚滑雪场的钱呢?

关键词：黑龙江滑雪装备产业造雪机压雪车

自然环境条件下人工成雪粒径大小的影响因素研究

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制冷学报 2024年第5期45卷 84-89,113页

作者：杨西茹吴海峰郝亚辉王瑞祥徐荣吉北京建筑大学北京市建筑能源高效综合利用工程技术研究中心北京100044

利用造雪机在自然环境条件下对人工造雪的成雪过程进行实际测试,获得了雪晶的微观形貌,同时分析了不同工况下成雪粒径的大小及其影响因素并推论了人工造雪的成雪过程。结果表明:雪晶降落位置、环境温湿度、喷嘴雾化粒径均是影响雪晶粒... 详细信息

利用造雪机在自然环境条件下对人工造雪的成雪过程进行实际测试,获得了雪晶的微观形貌,同时分析了不同工况下成雪粒径的大小及其影响因素并推论了人工造雪的成雪过程。结果表明:雪晶降落位置、环境温湿度、喷嘴雾化粒径均是影响雪晶粒径的重要因素。较低的环境温湿度以及较小喷嘴口径产生的雾化液滴更容易促使形成较大粒径的雪晶;当造雪机稳定产雪时,远处的雪晶粒径分布比边缘和中间区域的更不均匀,且雪场实测的成雪粒径约为0.3 mm,远大于喷嘴的雾化粒径(0.12 mm),由此推论雪晶在飞行过程中会发生碰撞行为。这对于成雪机理及成雪雪质的调控具有重要意义。

关键词：雪晶粒径造雪机人工造雪雪质

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造雪机用旋流喷嘴雾化特性的模拟研究

暖通空调 2022年第8期52卷 103-108,43页

作者：董佩文张博文刘国强吴海峰黄志电晏刚王瑞祥孙承华西安交通大学西安710049 北京建筑大学北京市建筑能源综合高效综合利用工程技术研究中心北京中国科学院理化技术研究所北京北京忠和体育发展有限公司北京

旋流喷嘴作为造雪机关键部件,其雾化效果直接影响成雪效果。为进一步探索旋流喷嘴雾化特性,基于VOF to DPM模型,建立旋流喷嘴雾化的数值模型,对旋流喷嘴进行三维数值模拟。研究不同入口压力对液滴粒径、液滴速度等雾化特性的影响,并通... 详细信息

旋流喷嘴作为造雪机关键部件,其雾化效果直接影响成雪效果。为进一步探索旋流喷嘴雾化特性,基于VOF to DPM模型,建立旋流喷嘴雾化的数值模型,对旋流喷嘴进行三维数值模拟。研究不同入口压力对液滴粒径、液滴速度等雾化特性的影响,并通过实验验证了模型的准确性。结果表明,喷雾充分发展后,索特平均粒径随入口压力的增大而减小,入口压力增大,增强了液体和空气之间的气动不稳定性,促进了液体的破碎分解,缩短了液体所需破碎时间;液膜和液滴速度都随着入口压力的增大而增大,当入口压力由0.6 MPa增大到1.4 MPa时,出口液膜和液滴速度分别增加58.8%和52.2%;在破碎过程中,动能转化为表面能,会使液体速度发生削减。

关键词：旋流喷嘴造雪机雾化特性成雪时间数值模拟

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人工造雪技术现状与研究进展

制冷学报 2021年第5期42卷 1-16页

作者：刘国强熊通晏刚赵巍张华王瑞祥孙承华西安交通大学制冷与低温工程系西安710049 上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 北京建筑大学环境与能源工程学院北京100044 北京卡宾滑雪体育发展集团股份有限公司北京100041

人工造雪原理简单,但工艺过程复杂,对环境条件依赖性很高。近年来为实现“三亿人上冰雪”目标和举行“2022北京冬奥会”赛事,国家高度重视人工造雪技术创新。本文基于成雪机理,对常见造雪设备工作原理、评价指标、影响因素及技术发展历... 详细信息

人工造雪原理简单,但工艺过程复杂,对环境条件依赖性很高。近年来为实现“三亿人上冰雪”目标和举行“2022北京冬奥会”赛事,国家高度重视人工造雪技术创新。本文基于成雪机理,对常见造雪设备工作原理、评价指标、影响因素及技术发展历程等进行分析。晶核的形成是自然成雪的关键,雪花的生长特性与环境温度和水蒸气过饱和度有关。人工造雪技术的核心是通过节流制冷制造低温环境,催化晶核的生成,并以晶核为种子雪晶吸附破碎雾滴成长成雪花。湿球温度是人工造雪活动的触发依据,不同湿球温度下雾滴相变潜热和对流传热不同,普遍以-2℃作为造雪阈值。人工造雪技术的优化方向是核子器和喷嘴的结构优化、水源活性剂添加、外加预冷成核及智能化控制。我国人工造雪技术起步晚,未来须从“机理-技术-部件-整机-体系”进行全方位改进。

关键词：人工造雪造雪机喷嘴晶核冬奥