寒い季節には、水が過冷却になることがあります。水域が十分に混合されている場合、過冷却はかなりの深さまで浸透する可能性があり、浅い水の底まで浸透する可能性があります.
水の過冷却は、最終的に浮遊フラジル氷結晶の成長と蓄積、アンカー氷の成長、またはその両方につながります。着氷による閉塞は、水力発電所のタービン取水口や消費者の取水口に深刻な問題を引き起こす可能性があります。最も深刻な可能性がある着氷の問題は、海、湖、または川から冷却水を取る原子力発電所にあります。
さらに、フラジルと錨氷は川の氾濫を引き起こす可能性があります。底での氷の形成と氷の放出は、堆積物輸送と海底動物相に影響を与えます。水中の過冷却とフラジル結晶は、そのような状況から逃れることができないため、川や沿岸地域で養殖されている魚を危険にさらす可能性さえあります.
Frazil と錨氷は 1 世紀以上にわたって研究されてきましたが、最初は氷に関連した深刻な河川の洪水に触発されました。しかし、取水口での氷の蓄積の多くの側面、および一般的なフラジル氷とアンカー氷の形成はまだ不明です。理論モデルは、フラジル イベントが通常突然発生し、集中的であるという経験的観察を確認しています。これは、これらのイベントを正しく予測することの重要性を強調しています。
フラジルとアンカーの氷モデルには、必然的に、氷の核生成、フラジル結晶の合体と上昇速度、氷結晶から水への熱伝達など、さまざまな物理メカニズムの記述と定量化が含まれます。これらのメカニズムのいくつかはよく理解されておらず、その定量化は簡単ではありません.
私たちの重点は、問題の工学的側面、特に水中の取水口の閉塞をもたらすメカニズムの理解にありました。私たちの分析は、フラジルとアンカーアイスの物理学に関する非正統的な見解を示唆しています。これらのビューは、フラジルとアンカー アイスを数値的にモデル化するときに採用されました。
水中の異物の小さな粒子は、フラジル氷結晶の核生成の種として機能する可能性があります。したがって、空気から水柱に入る氷の結晶が核生成を開始すると想定されています。水面上の氷晶の沈下は、降雪、吹雪、波しぶき、または水面上の湿った空気で昇華する結晶に関連している可能性があります。
水中での氷の核形成に関するこの説明は、かなり一般的に受け入れられていますが、疑問の余地があります。たとえば、過冷却水が機械的に乱されると、氷の粒子が水に浸透できなくても、すぐに核形成して凍結し始めるという事実は考慮されていません。これは、例えば観察することができます。冷凍庫で閉じたボトル内の水を冷却し、ボトルを振ってください。乱流では、大きな渦がそのエネルギーを小さな渦に伝達するなどして、乱流エネルギーが最終的に乱流渦の最小スケールで散逸するようにします。この乱流エネルギーの局所的な散逸が、核生成を開始するマイクロバブルまたはナノバブルのインパルスとして作用することを提案します。
成長がしばらく進むと、フラジル結晶のサイズと濃度が増し、それらの間に衝撃が生じ、それらが互いに付着します。これは凝集と呼ばれ、センチメートルスケールの粒子になります。凝集は通常、フラジルの質量濃度が約 0.15% に増加したときに始まります。したがって、これより濃度が小さいフラジル事象の活動期では、フラジル粒子は小さく、円盤状であると考えられる。自然条件では、フラジル氷の結晶の平均直径は 1 ～ 2 mm のオーダーであると測定されています。観測された特徴的なサイズにはかなりのばらつきがあり、したがって、水中のフレジル氷粒子の上昇速度も異なります。
顕微鏡研究に基づいて、円盤状の氷晶の厚さと直径の比率は 1/30 であることが、フラジル氷のモデル化における合理的な推定値であると結論付けましたが、この比率は過冷却の程度と結晶のサイズに依存する可能性があります。 .このように成長する脆弱な氷の結晶は、水の温度を上昇させ、氷の成長速度を低下させる融解潜熱を水中に放出します。したがって、アクティブな frazil イベントには、負のフィードバック メカニズムが含まれます。これにより、時間と水域からの熱流束が与えられると、形成できる氷の量が制限されます。したがって、横方向に均一な水域の場合、関連する物理的メカニズムを考慮することで、アクティブなフラジル イベント全体をモデル化できます。
フラジル成長の基本的な熱バランスは、氷の結晶が凝固する際に放出される潜熱が、水を温める際に消費される熱と、水柱から空気に伝達される熱の合計に等しいことです。氷の結晶から水への熱伝達の効率、つまりフラジル粒子の熱伝達係数は、それに対する相対的な水の流速に依存します。以前の文献とモデルでは、この速度は水の乱流によって決定されると想定されています。
しかし、氷の結晶と水の密度差が小さいため、浮遊結晶が水の流れに追従しやすい。この状況は、これらの小さな生物にとって非常に安定しているプランクトンの生活環境に似ています。フラジル氷結晶の典型的なサイズを考慮すると、エッジの境界層の厚さは約 0.05 mm 未満であると推定できます。これは、自然水中の最小の乱流渦の 0.5 ～ 1.5 mm という典型的なスケールよりもはるかに小さいです。これは、乱流が熱境界層とフラジル氷結晶からの熱伝達に大きな影響を与えないことを示唆しています。
したがって、結晶からの熱流束を決定するフラジル氷結晶に対する水の流速は、乱流によって決定されないことを提案します。代わりに、浮力による結晶の上昇速度によって単純に決定されます。フラジル氷結晶の上昇速度は、以前の研究からよく知られているため、氷結晶の直径の成長速度とフラジル濃度の成長速度を予測するモデルの一部として使用できます。次に、その方程式が時間依存の数値反復によって同時に解かれると、モデルは水の温度変化率を提供します。必要な入力は、水深と水から空気への熱流束です。
モデルの適用に関する主な制限は、自然水中の氷の結晶の数とアスペクト比がよくわかっていないことです。一方、水面から空気への熱流束であるモデル入力は、風速、気温、および境界層気象学の慣習的な方法を使用した放射収支によって容易に推定できます。自然と実験室での実験からの経験的データとの比較に基づいて、私たちのモデルは、観測されたフレジル氷の濃度と水温の進化をよく予測します。理論によって予測されたフラジル イベントでの最大過冷却も、観測とよく一致しています。自然界では、フラジル イベント中の最低気温は通常 -0.02 ºC であり、観察された最低気温は -0.060 ºC です。
文献では、取水スクリーンの閉塞は、砕けた氷の結晶が水の流れとともに移動し、スクリーンのロッドと衝突し、その表面に付着したときに発生すると想定されています。このプロセスが続くと、表面の氷の蓄積も幅が広がり、最終的にロッド間のスロットを埋めます。これには、水の流れとともに移動し、物体に向けられたすべての氷の結晶が物体と衝突するだけでなく、衝突時に物体にくっつくという仮定が含まれます.
しかし、私たちの研究は、衝突と付着のプロセスが物体のサイズと流速に非常に敏感であることを示しました。粒子と流体の間の摩擦により、粒子がオブジェクトの周りの流線に追従するため、衝突は不完全です。したがって、非常に小さな粒子は、衝突することなく大きなオブジェクトの周りを移動します。定量的には、ランダムな位置でオブジェクトに向かってくる粒子の軌道を計算することで、衝突効率をモデル化できます。
このような計算から、フレジル氷結晶の蓄積による取水口の閉塞は、スクリーンの構成要素が非常に小さく、流速が非常に高い場合にのみ可能であることがわかります。水力発電所の取水口で文書化された Frazil 蓄積イベントには、3 m/s 未満の流速が含まれます。これらの条件では、氷の結晶が大きいか凝集しているフラジル イベントの終わりに向かってのみ、理論的にはフラジル アイスが実スケールのスクリーン コンポーネントに急速に蓄積します。
氷の結晶は流れの中の物体に衝突しても、必ずしもくっつくとは限りません。衝突時に接触領域で氷の結合が形成されるという仮定は、理論的な観点からは正当化されますが、そのような結合が永続的であるかどうかはあまり明確ではありません。接触面積は通常、強い水流に付着した円盤状の氷の結晶を維持するのに十分な大きさと強度ではないと推定しました。これらの議論から、取水口の閉塞において浮遊フラジル氷晶の蓄積の役割は非常に小さいと結論付けています.
アンカーアイスは、水中の表面から直接成長する氷です。特に川では、水域の底の広い領域を覆うことがあります。湖や海の底での錨氷の発生はあまり知られていないが、信じられているよりも一般的かもしれない.非常に浅い乱流での室内実験に基づいて、アンカー氷は、浮遊するフラジル氷粒子の蓄積によって形成されると説明されています。しかし、フラジル氷と錨氷は、2 つの明確に異なるメカニズムによって形成されます。水が過冷却されると、水に沈んだ物体の氷は、水中で核生成した脆弱な氷の結晶の降着だけでなく、その場で、つまり表面から直接成長する可能性があります。このようなアンカーアイスは、その見た目から「血小板アイス」と呼んでいます。
水没物体からの血小板氷の成長速度は、浮遊フラジル氷と同じ条件下で過冷却と核生成の増加とともに増加します。したがって、血小板氷とフラジル氷は、水中の物体に同時に形成される可能性があります。血小板の氷のその場での熱成長は、水と静止した氷の結晶との間の相対速度が高く、したがってより効果的な熱伝達のために、懸濁したフラジル結晶の熱成長よりもはるかに速くなる可能性があることは注目に値します。おそらく、氷の結晶のその場での成長は、物体とすでに衝突したいくつかのフラジル氷の結晶から、または水の流れによって表面から切り離された後の残りの氷の結晶から始まります。これは、血小板の氷の結晶がかなりランダムに配向しているように見える理由を説明するかもしれません.
フラジルとは対照的に、錨氷は数日または数週間も持続することがあります。私たちは、取水口の閉塞の懸念から、過冷却水の高速流における血小板氷の局所成長問題に関心を持っていました。この状況での血小板氷の成長速度を推定するために、単一の氷血小板からの熱伝達を考慮しました。この分析に基づいて、血小板の氷が完全に水没した取水口の閉塞の主な原因であることを提案します。幸いなことに、その成長率は、フラジルアイスよりもはるかに簡単に推定できます。ただし、そのためにはモデル化によって過冷却度を求める必要があります。過冷却をモデル化する場合、水温に対するフレジル氷の同時成長の影響を含める必要があります。これは、フラジル アイス モデルで行うことができます。
要約すると、私たちの研究の結論は、以前に提示された見解とは多少異なります:
<オール>これらの調査結果は、最近ジャーナルに掲載された Modelling frazil and anchor ice on submerged objects というタイトルの記事で説明されています。Cold Regions Science and Technology Volume 151、2018 年 7 月、ページ 64-74。
この作業は、フィンランドの VTT 技術研究センターの Lasse Makkonen と Maria Tikanmäki によって行われました。
