西安交大參與“科技冬奧”項目 為打造自主化國產(chǎn)造雪機品牌貢獻智慧力量

2022年北京冬奧會正在如火如荼地進行中，奧運健兒們在賽場上奮力拼搏，綻放出屬于自己的精彩。在“科技冬奧”的號召下，西安交大能動學院制冷與低溫工程系副主任晏剛教授團隊參與了國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”項目，與上海理工大學、中科院理化所合作負責了人工造雪機理研究以及造雪關鍵技術開發(fā)。

據(jù)介紹，晏剛團隊參與的項目全稱是“多地域氣候條件下高效智能造雪機研發(fā)及應用示范”，包括人工造雪機理研究、造雪關鍵技術開發(fā)等5個課題，由9家單位聯(lián)合來完成。

項目團隊經(jīng)過一年多的造雪實驗和數(shù)值仿真分析，已在人工造雪機理研究上獲得了一些成果，參與研發(fā)的造雪機將在冬奧會會場進行性能測試。

人工造雪技術的核心是通過節(jié)流制冷制造低溫環(huán)境，催化微小霧滴形成晶核，并以晶核為種子吸附破碎霧滴生長成雪花。“人工造雪原理簡單，但工藝過程復雜，成雪效果對環(huán)境條件依賴性很高，成雪過程中涉及到‘氣、汽、水、冰多相態(tài)變化’‘氣液混合物-霧化水滴-雪晶-雪花多環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣’，密不可分，仿真和實驗難度都很大?！辈┦可鷦鴱娊榻B說。

團隊在實驗室進行造雪實驗

為高度還原實際造雪環(huán)境，團隊依托上海理工大學人工造雪實驗室進行試驗，實驗室由于空間有限，核子器成核過程濕度飆升且難以精準控制，使實驗設計和執(zhí)行面臨巨大考驗。為克服這一問題，團隊成員精簡實驗計劃，每次實驗之前做好充足準備，細心監(jiān)測實驗室溫濕度范圍，不浪費任何一次機會。測量雪晶粒徑時，低溫高濕的惡劣環(huán)境對測量儀器損害大，且雪花飄散不受控制形成干擾，數(shù)據(jù)難以捕捉獲取。因此他們嚴格控制測粒徑時間，簡化流程，盡量縮短儀器連續(xù)工作時間，另外多備用測量儀器，防止實驗中斷。

“人工造雪受地域氣候條件影響很大，造雪機最關鍵的部件是生產(chǎn)‘晶核’的核子器，為實現(xiàn)1℃/65%高溫高濕環(huán)境下的造雪，理論和實驗研究都表明核子器出口液滴粒徑應小于100μm，且核子器入口氣壓應稍大于水壓，成雪效果最好。”博士生董佩文說。據(jù)了解，這些研究結論也用于指導核心部件的創(chuàng)制和整機最優(yōu)調(diào)控策略的開發(fā)。

核心部件數(shù)值分析

晏剛長期從事制冷空調(diào)系統(tǒng)熱物理過程、混合工質(zhì)新型循環(huán)、小型制冷裝置節(jié)能與環(huán)保技術等方面的研究。在多組分工質(zhì)多相流動過程相變機理、自然環(huán)保工質(zhì)開發(fā)利用、新型制冷循環(huán)理論、制冷節(jié)能技術與系統(tǒng)設計方面積累了豐富經(jīng)驗。近年來主持完成多項國家自然科學基金、國家科技支撐計劃等科研項目和企業(yè)橫向課題。晏剛表示，雖然沒有直接相關的造雪研究經(jīng)歷，但是之前20余年積累的制冷理論基礎和項目開展經(jīng)驗為團隊完成這項有挑戰(zhàn)性的工作奠定了堅實基礎。

說起參與此項目的感受，晏剛表示，與歐美國家相比，我國冰雪產(chǎn)業(yè)起步晚，雖然近幾年取得了一定進步，但仍然存在技術裝備落后、自主品牌競爭力差、產(chǎn)業(yè)普及率低等問題。“我們學校創(chuàng)建了我國第一個制冷與低溫專業(yè)。借助冬奧會的契機，我們也希望項目能為打造自主化國產(chǎn)造雪機品牌與產(chǎn)業(yè)奉獻一份力量，實現(xiàn)‘三億人上冰雪’的全民健康運動目標。”

團隊參與研發(fā)的造雪機樣機進行造雪實驗

據(jù)了解，受疫情影響，團隊參與研發(fā)的造雪機目前還沒有應用到冬奧會，但將在冬奧會會場進行性能測試，并與國外主流品牌造雪機進行造雪性能對比，正視差距，獲取先進經(jīng)驗。“項目已接近于收尾階段，但是高效造雪機開發(fā)仍將是我們持續(xù)性的研究方向，也希望未來能繼續(xù)參與其他人工造雪項目，為我國冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻交大智慧和力量?！?/p>