一種控制尿素模型冰晶體生長結構的方法
2023-05-17 22:16:51
一種控制尿素模型冰晶體生長結構的方法
【專利摘要】本發明屬於海洋工程【技術領域】，涉及一種控制尿素模型冰晶體生長結構的方法，包括：準備與冰池實驗室頂棚面積相同的不鏽鋼板，在不鏽鋼板開設孔洞，對冰池實驗室頂棚進行封頂；布置位於頂棚的第一冷風機組；在冰池的周邊，布置第二冷風機組；在冰池的周邊，布置整流風機；在冰池底部布置潛水泵；在冰池內製備均勻的尿素水溶液；開啟第一冷風機組和第二冷風機組，降溫；關閉第二冷風機組；噴霧引晶；開啟第二冷風機組和整流風機；補晶；開啟潛水泵；持續開啟兩組冷風機組；回溫。採用本方法製備的尿素模型冰，具有與天然海冰完全一致的晶體生長結構特徵——分層紋理結構，在破壞模式上達到了對天然海冰很好的模擬水平。
【專利說明】一種控制尿素模型冰晶體生長結構的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於海洋工程【技術領域】，涉及一種模擬海冰的模型晶體生長控制方法。
【背景技術】
[0002]全球的海洋中，海冰的分布面積為3770萬平方公裡，佔全球洋面的11.8%。如果加入冰山分布海域，則包括流冰在內的海冰面積為7260萬平方公裡，佔全球洋面的22.9%。由此可見，海冰在海洋中佔據了重要的地位。而正是在這些長期或短期被海冰覆蓋的海域中，蘊藏了豐富的海洋資源，進而促使近三十年來，各國在寒冷海域中開展的經濟活動呈高速增長的態勢。其中，以海上油氣資源的開發、海洋可再生能源的利用和航運活動的發展最為迅猛，海上油氣開採平臺、海上風電機組等各類海洋工程結構相繼矗立在寒冷海域，這些海洋工程結構的安全性能就必然面臨著大面積流冰作用的威脅。因此，認識、利用和開發海洋資源就不能不研究海冰。
[0003]現代冰力學解決工程問題的基本做法是理論分析同原型試驗、模型試驗三者緊密地結合。其中原型測試是對理論最直接的檢驗，是冰力學機制最直接的表現，原型測試的數據是可貴的「第一手」資料。進行海冰作用的原型測試，要耗費較多的人力、物力，必須有周密的規劃部署，而且必須將理論分析和模型試驗互相結合，才能最大限度地發揮它應用有的作用。因為在原型即現場條件下，各項環境參數的出現是由客觀的自然過程決定的，不依人的意志而改變，而且一般是不會重複出現的，只有配合模型試驗，通過在實驗室重演並人為控制各項參數及其組合，才能更深刻地解釋在原型測試中所發現的各種現象之間的內在聯繫。原型測試直接得到的是個別現象的圖像，只有通過模型試驗及理論分析，才能得出有指導意義的一般規律。室內模型試驗以其對環境的可控性、比現場測試明顯的經濟性等優點而居於不可替代的地位。
[0004]模型試驗技術的開發必然要求模型與原型在各方面的準確相似，和其它模型試驗相比，冰力學與冰工程模型試驗是一種相當特殊的試驗，因為它同時具有以下兩種試驗的雙重性:一種是流體模型試驗，另一種是材料試驗。這不僅要求模型試驗中冰排的運動狀態與原型相似，鑑於冰排出現多種模式的破壞是冰與結構相互作用進程的重要特徵，這就更要求模型冰材料在破壞進程與模式上與天然海冰具備高度的相似性，因此冰力學與冰工程模型試驗的關鍵正在於對天然冰排破壞進程的準確模擬。冰是一種晶體材料，因而晶體生長結構特徵決定了冰材料的變形破壞特徵，由此可見，實驗室內製備的模型冰只有在晶體生長結構上與天然海冰具備高度的相似性，才能在室內模型試驗中得到可以反映現實情況的測試結果。因此，能夠控制模型冰晶體生長結構，促使其與天然海冰晶體生長結構達到一致的方法，是冰力學與冰工程模型試驗中的關鍵性基礎技術。
[0005]天然鹽水冰作為第一代模型冰曾於1957年在列寧格勒冰池中被前蘇聯學者採用，製取的方法是在水中摻加2?3%的鹽分凍結成冰。試驗時，通過凍結在冰內的鹽分的融化使冰強度降低，以滿足模型比對冰強度的要求。但冰力模型試驗是一種縮尺試驗，在縮尺模型試驗中，要求模型冰的力學指標依據模型比尺而下降，即要求模型冰不同強度之間的比值如彈性模量與抗彎強度之比和原型冰相同，但天然鹽水冰達不到這一要求。天然鹽水冰的致命缺陷是各項力學指標的下降不同步，而且縮尺越小，不同步也越明顯，因此作為模型冰並不適用。
[0006]1975年德國學者Schwarz發展了回溫降低冰強度的技術，並把含鹽量降低為
0.6%，由此製成的模型冰內部結構與原型冰有一定的相似度，且有較高的彈性模量與彎曲強度比值，從而改善了模型冰的質量和製冰技術。但這種模型冰對抗彎強度的模擬僅局限於10?15的模型比範圍內，限制了冰力模型試驗的應用範圍。
[0007]加拿大學者Timco研製了一種在水中摻加尿素再凍結而成的尿素模型冰(UREA冰)，在縮尺試驗中其物理量可以滿足模型比尺的要求，目前正被各國大多數冰池試驗採用，稱為第二代模型冰。這種模型冰的模擬範圍最高可達到1:40。模型冰中所含尿素類似於原型海冰中的鹽水泡，還可促使冰融化，從而加大孔隙率，降低冰強度，以更好的滿足模型比的要求。目前，我國的低溫冰池實驗室內採用的正是這種尿素模型冰。
[0008]目前，國際上採用的尿素模型冰生成製備流程為:
[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).室內降溫:所有的冰池實驗室中的水池均被一個三維方向上均設置保溫層的密閉空間包圍，實驗室外的製冷壓縮機將製冷劑壓縮至密閉室內的冷風機中，而後通過冷風機組向實驗室內吹送冷風，形成室內降溫過程。
[0011]3).噴霧結晶:當水溫降低至冰點但尚未凍結之前，清除水中個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，將其溫度調整至10?15°C，停止冷風機組運轉，隨後利用約20個大氣壓的壓力通過直徑小於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，並自由散落在冰池水面上。由於池中水已處於冰點，所以落下的微冰晶粒不會融化，成為冰晶核，並且以次為核心引晶生冰。
[0012]4).繼續對實驗室內的空氣進行降溫，冰晶體開始不斷自上而下生長。
[0013]5).回溫:模型冰的強度指標採用回溫進行控制，即在模型冰達到預定厚度之前，提前關閉制冷機。由於冰厚增長的滯後性，所以停機後冰厚仍繼續增長至預定指。停機後低溫室自行緩慢升溫，冰強度及彈性模量等強度指標隨之緩慢下降。同時，冰蓋下面水中的熱量通過冰蓋緩慢向空中發散，在這一過程中，凍結在冰中的尿素吸熱，在冰中形成大量微小泡子，且沿著冰晶粒間滲透，同樣也使冰強度降低，並且達到調整彈性模量與彎曲強度比值的作用。
[0014]6).監視:回溫過程中，用懸臂梁法對冰強度進行監視，即在冰池不同位置冰面上切出冰懸臂梁，然後測量冰強度。當測試到冰強度達到預定值後可開始試驗。
[0015]目前，國際冰力學界普遍認為，採用現有的尿素模型冰製備技術生成的模型冰在冰晶體生長結構上存在一定的缺陷，具體表現為以下幾個方面:
[0016]I).尿素模型冰在冰晶體分層結構上與天然海冰具有差異。
[0017]天然海冰的上表層一般由細小的粒狀冰晶體組成，其厚度取決於結冰時的海況條件，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方向變長的趨勢。再往下即為冰排的基本結構層，常稱為柱狀冰層，這裡冰的晶體明顯的沿生長方向即垂直方向變長，冰的晶格對稱軸(稱為c軸)位於與水面平行的平面內。天然海冰之所以具有上述的晶體生長結構，主要是由海冰生長過程中的海洋環境條件造成的。海面上初始生成的冰晶體，在海水表面風場的作用下會出現紊亂的排列過程，這一過程會導致天然海冰的初始生長層具有雜亂且緊密的晶體生長結構，即表層粒狀冰體。當這一粒狀冰體層生長至一定厚度時，冰下水流具有一種重要的影響，即在海冰冰排中產生一種優先的C軸方向(緊密構造)，這就促使冰晶體軸快速的在水平方向上形成排列，進而進一步生成了穩定的柱狀冰晶體生長結構。
[0018]然而，在現有的室內生成尿素模型冰技術中，並不具備產生表層晶體排列擾動和冰下水下流動的技術環節，因此導致模型冰在生長過程中僅具有很薄的冰晶體隨即排列層，並且冰晶體間的緊密度也相對天然海冰下降了近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，現有的技術方案是等待空氣中的微冰晶粒自由散落在冰池水面上後，再開放冷風機組進行製冷。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間，進而促使降落至水面的冰晶體尺寸大於預期的結果。這樣的現象將直接導致模型冰晶體在沿垂直方向生長時尺寸較大，從而造成模型冰在破壞進程中裂紋的擴展模式與天然海冰存在差異。
[0021]3).尿素模型冰柱狀生長層的緊密度較低
[0022]尿素模型冰中所含尿素類似於原型海冰中的鹽水泡，也存在尿素溶液被排出冰體內部的過程。然而，由於尿素具有較強的吸熱特徵，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層的密實度，進而導致尿素模型冰在模擬天然海冰彎曲破壞進程中存在垂向裂紋擴展過快的問題。
【發明內容】
[0023]本發明的目的是克服現有技術的上述不足，提供一種控制尿素模型冰晶體生長結構的方法，採用本發明提供的方法在實驗室內生成製備尿素模型冰，具有與天然海冰完全一致的晶體生長結構特徵一分層紋理結構，即表層為由細小的粒狀冰晶體組成的粒狀冰層，中間為過渡層，底層為穩定的柱狀冰層。使用本發明方法生成的尿素模型冰，在破壞模式上達到了對天然海冰很好的模擬水平。
[0024]針對現有尿素模型冰生成製備技術所導致的模型冰晶體生長結構缺陷，本發明通過以下技術方案實現對尿素模型冰晶體生長結構的控制，以彌補上述缺陷。
[0025]一種控制尿素模型冰晶體生長結構的方法，包括下面的步驟:
[0026]I)準備與冰池實驗室頂棚面積相同的不鏽鋼板，在不鏽鋼板上劃分網格，在網格線的的交叉點位置，開設孔洞，採用所述的不鏽鋼板對冰池實驗室頂棚進行封頂；
[0027]2)布置第一冷風機組:將第一冷風機組封裝在實驗室頂部的不鏽鋼板上，第一冷風機組的布置數量根據水池面積而定；
[0028]3)在冰池的周邊，布置第二冷風機組；
[0029]4)在冰池的周邊，布置至少一臺整流風機；
[0030]5)在冰池底部布置潛水泵；
[0031]6)按照1-2%的質量配比，在冰池內放入水和尿素，製成均勻的尿素水溶液；
[0032]7)開啟第一冷風機組和第二冷風機組，將冰池實驗室內的空氣溫度降至_20°C至-22°C時，關閉冰池周邊布置的第二冷風機組，開始噴霧引晶過程；
[0033]8)噴霧引晶過程中，利用15-25個大氣壓的壓力，通過直徑小於2mm的微孔把質量配比為0.3%-0.7%的尿素溶液噴射到冰池上空向空氣，同時，調節第一冷風機組的風速，使風速不高於0.5m/s ；
[0034]9)在完成噴霧引晶過程後，開啟第二冷風機組；
[0035]10)開啟整流風機，以形成對水表面冰晶層的風場擾動；
[0036]11)補晶:每隔一段時間，關閉整流風機，並保持第二冷風機組的開啟狀態，在冰池實驗室內進行補充噴霧引晶，每次噴霧用尿素溶液量少於上一次噴霧過程的用量，補充噴霧引晶過程完成後，不再開啟整流風機，風場擾動過程結束；
[0037]12)風場擾動過程結束後，開啟預先布置在水池底部的潛水泵。潛水泵規格依據水池內水體體積確定；
[0038]13)兩個冷風機組持續工作；
[0039]14)回溫。
[0040]作為優選實施方式，步驟I)中，以邊長為15-25的正方形為基本單位劃分網格，開設的孔洞為2-4mm大小；步驟6)中，按照1.5%的質量配比製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]本發明的實質性特點為:1、採用垂直冷風循環系統控制噴霧引晶尺寸；2、採用水上風場和冰下水流複合式擾動方法，配合補充噴霧引晶方法，控制尿素模型冰晶體分層結構；3、採用冰下水流擾動方法，配合調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。採用本發明技術方案製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結構特徵一分層紋理結構，即表層為由細小的粒狀冰晶體組成的粒狀冰層，中間為過渡層，底層為穩定的柱狀冰層，如圖1的(a)和(b)所示。具體優點體現為:
[0042]1、採用垂直冷風循環系統控制得到的噴霧引晶尺寸均處於0.5?0.7mm範圍內，大幅度小於採用現有技術得到的1.0mm晶體尺寸；
[0043]2、採用水上風場擾動配合補充噴霧引晶方法，可促使粒狀冰層厚度提高至10mm，遠高於採用現有技術得到的I?2_粒狀冰層厚度；
[0044]3、採用冰下水流擾動配合調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採用現有技術得到的模型冰柱狀晶體層緊密度提高了 30%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045]圖1 (a)採用本發明製備生成的尿素模型冰晶體照片。
[0046]圖1 (b)天然海冰晶體結構。
【具體實施方式】
[0047]下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
[0048]1、採用垂直冷風循環系統控制噴霧引晶尺寸
[0049]I).在冰池實驗室頂棚布置一套冷風機組，布置數量根據水池面積，按照每10m2範圍內布置一臺IOkW功率冷風機的原則，等間距安裝在試驗室頂棚；[0050]2).在距離冷風機組下邊緣200mm的位置處，採用一塊厚度為2mm的不鏽鋼板對實驗室頂棚進行封頂，即採用與實驗室面積相同的不鏽鋼板作為實驗室的天花板，同時將頂部冷風機組封裝在實驗室頂部；
[0051]3).以邊長為20mm的正方形為基本單位，在上述不鏽鋼頂棚上劃分網格；
[0052]4).以網格線的所有交叉點為圓心，在頂棚不鏽鋼板上鑽取直徑為3mm的通透圓孔，這樣當頂層冷風機開啟後，可以在實驗室天花板位置處形成不高於0.5m/s的垂直下壓冷風場，同時下壓的冷風經實驗室兩側牆面上的迴風通道，可最終形成水池內水表面至天花板的垂直冷風循環系統；
[0053]5).通過冰池實驗室製冷設備的運轉，將實驗室內的空氣溫度降至_20°C時，關閉實驗室兩側布置的冷風機組，開始噴霧引晶過程；
[0054]6).噴霧弓丨晶過程中，當開始利用約20個大氣壓的壓力，通過直徑小於2mm的微孔把尿素水溶液噴射到冰池上空向空氣中時，開啟頂棚冷風機組，這樣空氣中的微細水顆粒在垂直冷風的作用下迅速凝結成冰晶體，同時在下壓冷風場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生相互凝聚，而不高於0.5m/s的風速又保證了微冰晶粒均勻的下落過程。
[0055]2、採用複合式擾動系統控制尿素模型冰晶體分層結構
[0056]I).在完成噴霧引晶過程後，開啟冰池實驗室兩側布置的冷風機組；
[0057]2).在水池沿長度方向的兩端，各布置一臺功率為IOkW的整流風機，將風機轉速設定為1000轉/分鐘，以形成對水表面冰晶層的風場擾動，這樣可促使水表面冰晶體的排列處於十分雜亂的狀態；
[0058]3).補晶技術:由於水面上的初始冰晶層並不具備較高的連接強度，因此在水平風場的擾動下，會出現冰晶層的破裂，同時為進一步彌補模型冰晶體隨即排列層過薄的缺陷，本發明中研發了通過重複噴霧引晶進行冰晶體補充的方法，即補晶技術。具體方法為:每隔20分鐘，關閉整流風機，並保持實驗室兩側冷風機組的開啟狀態，在實驗室內進行補充噴霧引晶，每次噴霧用尿素溶液量為上一次噴霧過程的50%。一次補充噴霧引晶完成後，重新開啟整流風機，直至20分鐘後開始下一次補充噴霧引晶過程。補充噴霧引晶過程共進行3次，第3次補充噴霧引晶過程完成後，不再開啟整流風機，風場擾動過程結束；
[0059]4).風場擾動過程結束後，開啟預先布置在水池底部的潛水泵。潛水泵規格依據水池內水體體積確定，選取原則為每100立方水設置10立方/小時的流量。潛水泵的吸水口與出水口通過軟管分別布置在水池沿長度方向的兩端池底，這樣在池底水流的帶動下，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，進而進一步促進了緊密柱狀冰晶體生長結構的形成。
[0060]3、採用調整噴霧用尿素溶液比例的方法改善尿素模型冰柱狀生長層的緊密度
[0061]在上面採用冰下水流擾動方式促進模型冰柱狀生長層緊密度的基礎上，基於對尿素溶液排出冰體過程會降低柱狀層及密度的認識，本發明調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。現有技術方案中噴霧用尿素溶液的濃度與製備模型冰的尿素溶液相同，即均為1.5%，本發明技術方案中將該比例調整為0.5%。
【權利要求】
1.一種控制尿素模型冰晶體生長結構的方法，包括下面的步驟: 1)準備與冰池實驗室頂棚面積相同的不鏽鋼板，在不鏽鋼板上劃分網格，在網格線的的交叉點位置，開設孔洞，採用所述的不鏽鋼板對冰池實驗室頂棚進行封頂； 2)布置第一冷風機組:將第一冷風機組封裝在實驗室頂部的不鏽鋼板上，第一冷風機組的布置數量根據水池面積而定； 3)在冰池的周邊，布置第二冷風機組； 4)在冰池的周邊，布置至少一臺整流風機； 5)在冰池底部布置潛水泵； 6)按照1-2%的質量配比，在冰池內放入水和尿素，製成均勻的尿素水溶液； 7)開啟第一冷風機組和第二冷風機組，將冰池實驗室內的空氣溫度降至-2(TC至-22°C時，關閉冰池周邊布置的第二冷風機組，開始噴霧引晶過程； 8)噴霧引晶過程中，利用15-25個大氣壓的壓力，通過直徑小於2mm的微孔把質量配比為0.3%-0.7%的尿素溶液噴射到冰池上空向空氣，同時，調節第一冷風機組的風速，使風速不高於0.5m/s ； 9)在完成嗔霧引晶過程後，開啟弟二冷風機組； 10)開啟整流風機，以形成對水表面冰晶層的風場擾動； 11)補晶:每隔一段時間，關閉整流風機，並保持第二冷風機組的開啟狀態，在冰池實驗室內進行補充噴霧引晶，每次噴霧用尿素溶液量少於上一次噴霧過程的用量，補充噴霧引晶過程完成後，不再開啟整流風機，風場擾動過程結束； 12)風場擾動過程結束後，開啟預先布置在水池底部的潛水泵。潛水泵規格依據水池內水體體積確定； 13)兩個冷風機組持續工作； 14)回溫。
2.根據權利要求1所述的控制尿素模型冰晶體生長結構的方法，其特徵在於，步驟I)中，以邊長為15-25的正方形為基本單位劃分網格，開設的孔洞為2-4_大小。
3.根據權利要求1所述的控制尿素模型冰晶體生長結構的方法，其特徵在於，步驟6)中，按照1.5%的質量配比製成均勻的尿素水溶液；步驟8)的噴霧引晶過程，按照尿素溶液的質量配比為0.5%。
4.根據權利要求1所述的控制尿素模型冰晶體生長結構的方法，其特徵在於，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】B01D9/02GK103585780SQ201310576904
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2013年11月14日
【發明者】黃焱, 史慶增 申請人:天津大學