水滴异质核化冻结理论的实验研究
发布时间：2020-11-14 01:07
异质核化冻结是一个重要的云物理过程,深入研究不同降温速率和水滴尺度对冻结的影响非常重要,然而以前的研究多用蒸馏水或者自来水等相对干净的水样,缺乏对杂质较多水样的研究。本文选用雨水,纯净水和瓶装饮用水,使用中国气象科学研究院的均匀水滴冻结实验装置,辅助摄像式均匀水滴冻结实验冷台,对三类水样做了不同的恒定降温速率冻结实验,对雨水进行了恒温冻结实验,并对含纳米AgI的水样进行了不同尺度水滴冻结实验,一方面对前人的实验研究结果进行验证,进一步寻找水滴冻结与温度及时间的定量关系,检验随机假设和奇点假设之间的相互作用。同时本文进行了自然水样的均匀水滴冻结实验和人工水样的均匀水滴冻结实验。此外还应用于两个实际个例的冻结实验研究。主要结论如下：总体来看,随温度降低,降温速率慢的液滴累加冻结比例要高于降温速率快的,并且在纯净水和瓶装饮用水中更明显；降温速率越快,平均冻结温度和中值冻结温度越低,不同的是雨水的值跟降温速率呈对数关系,而瓶装饮用水的值与降温速率呈线性关系；不同水样的冻结几率随温度的降低指数增加,而瓶装饮用水指数前的系数随降温速率的增加指数减小：恒温阶段,雨水的冻结几率随时间指数衰减,在恒温的前两分钟衰减较快,之后减慢,并且水滴冻结在前两分钟发生较多,之后变的很少,15分钟之后就没有冻结事件发生,这一现象可以用随机假设和奇点假设结合起来解释,当温度达到或低于特征温度时,水分子在冻结核上的聚合需要一段时间,所以造成了水滴冻结在恒温阶段形成的现象。本文结果不仅验证前人用蒸馏水得到的结果,而且为数值模式的应用提供了更好的实验基础。在相同实验条件下,同一水质的水滴,尺度越小其冻结温度越低,平均冻结温度随水滴直径的减小呈对数降低,冻结几率随温度降低指数增长,指数函数前的系数与水滴体积呈线性关系：冰雹融化水的水滴冻结温度和冻结核含量最高、其次是雪融化水、最后是雷阵雨水；纳米AgI水样平均冻结温度最高、其次是常规AgI水样、最低的是饮用水,冻结几率函数中指数前的系数以两个量级递减,也说明了人工冰核对提高水滴冻结几率的明显效果。使用焰剂燃烧室,完成了S-8型AgI焰剂在浸入冻结核化机制下的成冰效率实验,发现成核率随过冷却温度升高指数增长,且取样体积与饮用水体积之比影响实验结果。并采集了37高炮人工增雨作业的降水,用水滴冻结实验的方法,检测了人工催化降水中的冻结核含量,检测表明：人工降水比自然降水具有更高的冻结核含量和水滴冻结温度。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P426.3
【部分图文】：
帖１方銷細１。?＂１００?ｒ｜＾??图２．１巧匀水滴冻结实验装置（ａ）和实验装置结构示意图（ｂ）??实验装置结构如图２．化所示，该装置由制冷板、铜板、感应件，绝热框、??玻璃盖板、散热槽、电路板等狙成。将尺寸为１４０Ｘ１４０Ｘ５ｍｎｉ的铜板表面辕络，??用导热珪脂描贴在制冷板（总面积与德络铜板的面积基本相等）冷面上，旁边??包围绝热边框，顶上是推拉式玻璃盖板，这样构成一个高日〇？，并且能与外界??隔热、防尘的封闭小室，同时玻璃盖板也便于观察。铜板上均匀分布着４９个??ｌＯＸｌＯｍｒａ，中也间距均为ＩＳｒａｎｉ的感应件，在线性降温过程中水滴冻结释放的潜??热被各自的感应件吸收，对其他水滴在线性降温过程中的随机冻结不会产生影??响。制冷板热面贴在漉满式散热槽上，与一个装满冷媒（乙二醇－水溶液）的容??器相连
?第二章实验仪器及实验方法介绍???溫程序，可根据实验需要选择使用，对于＾般的冻结核检测多用２１：／１１１１１１的程??序。此外，也可设定程序使水滴处于某一恒温值，对水滴冻结与时间的相关性??进行实验。??２丄２摄像式水滴冻结实验冷台??－＇????
ｒｒｎＭ??Ｉ嗎Ａ??图２．?２摄像式水滴冻结实验冷台??该冷台（图２．２）作为辅助可视装置，可＾＾＾＾观察水滴冻结或冰晶的形成及其??増长。主体是由半导体制冷的１００ｍｍＸ１０ＯｍｍＸ５誦金属冷台和８ｍｉｎ高的绝热边??框及玻璃盖板构成的封闭冷腔和一个连接到计算机的显微镜。冷腔内部的两端??设计有多孔进出管，可通过软管与可控湿度的２ｍ２容器连接，形成密闭回路。??进行水滴冻结实验时，先在冷台上形成一层憎水膜后再滴放水滴，在控温??仪控制下使水滴降温发生冻结，由上方的摄像显微镜实时观测。进行成冰核或??粒子群体吸湿性实验时，通过软管与净化的的２ｍ３容器连接，使回路中的湿空气??均匀流经样片的暴露面，再由上方的摄像显微镜实时观察粒子形态的变化。??ＩＩ??
【参考文献】
本文编号：2882869
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P426.3
【部分图文】：
帖１方銷細１。?＂１００?ｒ｜＾??图２．１巧匀水滴冻结实验装置（ａ）和实验装置结构示意图（ｂ）??实验装置结构如图２．化所示，该装置由制冷板、铜板、感应件，绝热框、??玻璃盖板、散热槽、电路板等狙成。将尺寸为１４０Ｘ１４０Ｘ５ｍｎｉ的铜板表面辕络，??用导热珪脂描贴在制冷板（总面积与德络铜板的面积基本相等）冷面上，旁边??包围绝热边框，顶上是推拉式玻璃盖板，这样构成一个高日〇？，并且能与外界??隔热、防尘的封闭小室，同时玻璃盖板也便于观察。铜板上均匀分布着４９个??ｌＯＸｌＯｍｒａ，中也间距均为ＩＳｒａｎｉ的感应件，在线性降温过程中水滴冻结释放的潜??热被各自的感应件吸收，对其他水滴在线性降温过程中的随机冻结不会产生影??响。制冷板热面贴在漉满式散热槽上，与一个装满冷媒（乙二醇－水溶液）的容??器相连
?第二章实验仪器及实验方法介绍???溫程序，可根据实验需要选择使用，对于＾般的冻结核检测多用２１：／１１１１１１的程??序。此外，也可设定程序使水滴处于某一恒温值，对水滴冻结与时间的相关性??进行实验。??２丄２摄像式水滴冻结实验冷台??－＇????
ｒｒｎＭ??Ｉ嗎Ａ??图２．?２摄像式水滴冻结实验冷台??该冷台（图２．２）作为辅助可视装置，可＾＾＾＾观察水滴冻结或冰晶的形成及其??増长。主体是由半导体制冷的１００ｍｍＸ１０ＯｍｍＸ５誦金属冷台和８ｍｉｎ高的绝热边??框及玻璃盖板构成的封闭冷腔和一个连接到计算机的显微镜。冷腔内部的两端??设计有多孔进出管，可通过软管与可控湿度的２ｍ２容器连接，形成密闭回路。??进行水滴冻结实验时，先在冷台上形成一层憎水膜后再滴放水滴，在控温??仪控制下使水滴降温发生冻结，由上方的摄像显微镜实时观测。进行成冰核或??粒子群体吸湿性实验时，通过软管与净化的的２ｍ３容器连接，使回路中的湿空气??均匀流经样片的暴露面，再由上方的摄像显微镜实时观察粒子形态的变化。??ＩＩ??
【参考文献】
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1 张铮,林祥明;AgI水溶胶单滴的冻结实验研究[J];大气科学;1987年02期
2 C.P.R.Saunders;S.Al-Juboorv;杨绍忠;;一种滤膜取样冰核处理云室[J];气象科技;1989年02期
3 杨绍忠;酆大雄;;一个检测水中冻结核含量的新装置[J];气象学报;2007年06期
4 杨绍忠，马培民，游来光;用滤膜法观测大气冰核的静力扩散云室[J];气象学报;1995年01期
本文编号：2882869
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