2022年北京冬奥会正在如火如荼地进行中，奥运健儿们在赛场上奋力拼搏，绽放出属于自己的精彩。在“科技冬奥”的号召下，西安交大能动学院制冷与低温工程系副主任晏刚教授团队参与了国家重点研发计划“科技冬奥”项目，与上海理工大学、中科院理化所合作负责了人工造雪机理研究以及造雪关键技术开发。
据介绍，晏刚团队参与的项目全称是“多地域气候条件下高效智能造雪机研发及应用示范”，包括人工造雪机理研究、造雪关键技术开发等5个课题，由9家单位联合来完成。
项目团队经过一年多的造雪实验和数值仿真分析，已在人工造雪机理研究上获得了一些成果，参与研发的造雪机将在冬奥会会场进行性能测试。
人工造雪技术的核心是通过节流制冷制造低温环境，催化微小雾滴形成晶核，并以晶核为种子吸附破碎雾滴生长成雪花。“人工造雪原理简单，但工艺过程复杂，成雪效果对环境条件依赖性很高，成雪过程中涉及到‘气、汽、水、冰多相态变化’‘气液混合物-雾化水滴-雪晶-雪花多环节环环相扣’，密不可分，仿真和实验难度都很大。”博士生刘国强介绍说。
团队在实验室进行造雪实验
为高度还原实际造雪环境，团队依托上海理工大学人工造雪实验室进行试验，实验室由于空间有限，核子器成核过程湿度飙升且难以精准控制，使实验设计和执行面临巨大考验。为克服这一问题，团队成员精简实验计划，每次实验之前做好充足准备，细心监测实验室温湿度范围，不浪费任何一次机会。测量雪晶粒径时，低温高湿的恶劣环境对测量仪器损害大，且雪花飘散不受控制形成干扰，数据难以捕捉获取。因此他们严格控制测粒径时间，简化流程，尽量缩短仪器连续工作时间，另外多备用测量仪器，防止实验中断。
“人工造雪受地域气候条件影响很大，造雪机最关键的部件是生产‘晶核’的核子器，为实现1℃/65%高温高湿环境下的造雪，理论和实验研究都表明核子器出口液滴粒径应小于100μm，且核子器入口气压应稍大于水压，成雪效果最好。”博士生董佩文说。据了解，这些研究结论也用于指导核心部件的创制和整机最优调控策略的开发。
核心部件数值分析
晏刚长期从事制冷空调系统热物理过程、混合工质新型循环、小型制冷装置节能与环保技术等方面的研究。在多组分工质多相流动过程相变机理、自然环保工质开发利用、新型制冷循环理论、制冷节能技术与系统设计方面积累了丰富经验。近年来主持完成多项国家自然科学基金、国家科技支撑计划等科研项目和企业横向课题。晏刚表示，虽然没有直接相关的造雪研究经历，但是之前20余年积累的制冷理论基础和项目开展经验为团队完成这项有挑战性的工作奠定了坚实基础。
说起参与此项目的感受，晏刚表示，与欧美国家相比，我国冰雪产业起步晚，虽然近几年取得了一定进步，但仍然存在技术装备落后、自主品牌竞争力差、产业普及率低等问题。“我们学校创建了我国第一个制冷与低温专业。借助冬奥会的契机，我们也希望项目能为打造自主化国产造雪机品牌与产业奉献一份力量，实现‘三亿人上冰雪’的全民健康运动目标。”
团队参与研发的造雪机样机进行造雪实验
据了解，受疫情影响，团队参与研发的造雪机目前还没有应用到冬奥会，但将在冬奥会会场进行性能测试，并与国外主流品牌造雪机进行造雪性能对比，正视差距，获取先进经验。“项目已接近于收尾阶段，但是高效造雪机开发仍将是我们持续性的研究方向，也希望未来能继续参与其他人工造雪项目，为我国冰雪产业发展贡献交大智慧和力量。”