추운 날씨에는 물이 과냉각 될 수 있습니다. 수체가 잘 혼합되면, 슈퍼 쿨링은 얕은 물의 바닥까지 심지어 심지어 깊이까지 침투 할 수 있습니다.
물의 과냉각은 결국 매달린 프라질 얼음 결정, 앵커 아이스의 성장 또는 둘 다의 성장과 축적으로 이어진다. 착빙에 의한 막힘은 수력 발전소의 터빈 섭취와 소비자 물 섭취에 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 가장 심각한 잠재적 착빙 문제는 바다, 호수 또는 강에서 냉각수를 가져 오는 원자력 발전소의 것입니다.
더욱이, 프라질과 앵커 얼음은 강이 홍수를 일으킬 수 있습니다. 바닥에서 얼음의 얼음 형성 및 방출은 퇴적물 수송과 바닥 동물 군에 영향을 미칩니다. 물의 슈퍼 쿨링과 프라질 크리스탈은 그러한 조건을 피할 수 없기 때문에 강과 해안 지역에서 재배되는 물고기를 위험에 빠뜨릴 수도 있습니다.
Frazil과 Anchor Ice는 1 세기 동안 연구되어 왔으며, 처음에는 강의 심한 얼음 관련 홍수 사건에서 영감을 얻었습니다. 그러나, 물 섭취에 얼음 축적의 많은 측면과 프라질과 앵커 얼음의 형성은 여전히 불분명했다. 이론적 인 모델은 프라질 사건이 일반적으로 갑자기 발생하고 집중적이라는 경험적 관찰을 확인했습니다. 이것은 이러한 사건을 올바르게 예측하는 것이 중요하다는 것을 강조합니다.
Frazil 및 Anchor Ice 모델에는 반드시 얼음의 핵 생성, 유착 및 Frazil 결정의 상승 속도, 얼음 결정에서 물로의 열 전달과 같은 많은 다른 물리적 메커니즘의 설명 및 정량화가 포함됩니다. 이러한 메커니즘 중 일부는 잘 이해되지 않았으며, 정량화는 간단하지 않습니다.
우리의 강조는 문제의 엔지니어링 측면에 중점을 두었습니다. 특히 물에 잠긴 물 섭취가 막히는 메커니즘을 이해하는 데있어서 우리의 강조가있었습니다. 우리의 분석은 Frazil과 Anchor Ice의 물리학에 대한 정통적인 견해를 시사합니다. 이 견해는 수치 적으로 프라질과 앵커 아이스를 모델링 할 때 채택되었습니다.
물에있는 작은 물질의 작은 입자는 프라질 얼음 결정의 핵 생성을위한 씨앗 역할을 할 수 있습니다. 따라서, 공기에서 물 기둥으로 들어가는 얼음 결정이 핵 생성을 시작한다고 가정된다. 수면에 얼음 결정의 침전물은 강설량, 눈, 바다 스프레이 또는 물 위의 습한 공기에서 승화하는 결정과 관련이있을 수 있습니다.
물에서 얼음의 핵 생성에 대한이 설명은 일반적으로 받아 들여지지 만 질문의 여지를 남깁니다. 예를 들어, 과냉각 된 물이 기계적으로 방해 될 때 얼음 입자가 물을 침투 할 수없는 경우에도 즉시 핵 생성을 시작하고 얼어 붙기 시작한다는 사실을 고려하지 않습니다. 이것은 예를 들어 관찰 될 수 있습니다. 냉장고의 닫힌 병에 물을 냉각시킨 다음 병을 흔들어줍니다. 난류 흐름에서, 큰 에디는 에너지가 더 작은 것 등으로 에너지를 전달하여 난류 에너지가 결국 가장 작은 규모의 난류 에디로 사라집니다. 우리는이 난류 에너지의 국소 소산이 핵 생성을 시작하는 미세 또는 나노 버블에 대한 충동으로 작용한다고 제안한다.
.성장이 얼마 동안 발생했을 때, 프라질 결정의 크기와 농도는 그들 사이에 영향을 미치고 서로를 고수합니다. 이것을 응집이라고하며 센티미터 규모의 입자를 초래합니다. 응집은 일반적으로 프라질의 질량 농도가 약 0.15%로 증가 할 때 시작됩니다. 따라서, 농도가 이것보다 작고 프라질 입자는 작고 디스크 모양이있는 프라질 사건의 활성 단계에서 가정 될 수있다. 자연 조건에서, 프라질 얼음 결정의 평균 직경은 1-2 mm의 순서로 측정되었습니다. 관찰 된 특성 크기에는 상당한 변동성이 있으며, 따라서 물 속 프라질 얼음 입자의 상승 속도도 있습니다.
미세한 연구에 기초하여, 우리는 1/30의 디스크 유사 얼음 결정의 두께 대 기준 비율이 프라질 아이스 모델링에서 합리적인 추정치라고 결론 지었다. 이러한 성장하는 프라질 얼음 결정은 융합의 열열을 물로 방출하여 물의 온도가 증가하고 얼음의 성장 속도가 감소합니다. 따라서, 활성 프라질 이벤트에는 부정적인 피드백 메커니즘이 포함됩니다. 이것은 수체의 시간과 열유속을 감안할 때 형성 할 수있는 얼음의 양을 제한합니다. 따라서, 측면 균질 한 수체의 경우, 관련 물리적 메커니즘을 고려하여 전체 활성 프라질 이벤트를 모델링 할 수 있습니다.
프라질 성장의 기본 열 균형은 얼음 결정의 고정화에서 방출 된 잠열은 물을 온난화하는 데 소비되는 열의 합과 물 컬럼에서 공기로 전달 된 열의 합과 같다는 것입니다. 얼음 결정에서 물로의 열 전달 효율, 즉 프라질 입자의 열 전달 계수는 이에 대한 상대적인 물 유속에 달려 있습니다. 이전 문헌과 모델 에서이 속도는 물 난기류에 의해 결정되는 것으로 가정됩니다.
그러나, 얼음 결정과 물의 밀도 차이는 작기 때문에 현탁 된 결정은 물 흐름을 따르는 경향이있다. 이 상황은 플랑크톤의 생활 환경과 유사하며,이 작은 유기체의 경우 매우 안정적입니다. 프라질 얼음 결정의 전형적인 크기를 고려할 때, 가장자리에서의 경계층 두께는 약 0.05 mm 미만으로 추정 될 수 있습니다. 이것은 자연수에서 가장 작은 난류 에디의 0.5-1.5 mm의 전형적인 규모보다 훨씬 작습니다. 이것은 난류가 열 경계층과 프라질 얼음 결정의 열 전달에 크게 영향을 미치지 않음을 시사합니다.
따라서, 우리는 결정으로부터의 열 플럭스를 결정하는 프라질 얼음 결정에 대한 물 유속이 난기류에 의해 결정되지 않는다고 제안한다. 대신, 부력으로 인한 결정의 상승 속도에 의해 단순히 결정됩니다. 프라질 얼음 결정의 상승 속도는 이전 연구에서 잘 알려져 있으므로 얼음 결정의 직경의 성장 속도와 프라질 농도의 성장 속도를 예측하는 모델의 일부로 사용될 수 있습니다. 그런 다음이 모델은 시간 의존적 수치 반복에 의해 방정식이 동시에 해결 될 때 물의 온도 변화 속도를 제공합니다. 필요한 입력은 수심과 물에서 공기까지의 열유속입니다.
모델 적용의 주요 제한 사항은 얼음 결정의 수와 종횡비가 자연수에서 잘 알려져 있지 않다는 것입니다. 한편, 수면에서 공기로의 열유속 인 모델 입력은 경계층 기상학의 관례적인 방법을 사용하여 풍속, 공기 온도 및 방사선 균형에 의해 쉽게 추정 될 수있다. 자연 및 실험실 실험의 경험적 데이터와 비교를 바탕으로, 우리의 모델은 프라질 얼음 농도 및 수온의 관찰 된 진화를 예측합니다. 이론에 의해 예측 된 프라질 사건의 최대 수퍼 쿨링은 관찰과 잘 일치합니다. 본질적으로 프라질 사건 중 가장 낮은 온도는 일반적으로 -0.02 ºC이며 관찰 된 최저 온도는 -0.060 ºC입니다.
문헌에서, 물 섭취 스크린의 막힘은 프라질 얼음 결정이 물 흐름과 함께 움직이고 화면의 막대와 충돌하고 표면에 달라있을 때 발생하는 것으로 가정합니다. 이 과정이 계속되면 표면의 얼음 축적도 폭이 커지고 결국 막대 사이의 슬롯을 채 웁니다. 여기에는 물 흐름으로 이동하는 모든 얼음 결정이 물체와 충돌 할뿐만 아니라 충돌시 그것에 달라 붙는다는 가정이 포함됩니다.
그러나, 우리의 연구는 충돌과 고정 과정이 물체의 크기와 유속에 매우 민감하다는 것을 보여 주었다. 입자와 유체 사이의 마찰로 인해 입자가 물체 주위의 유선형을 따라 가기 때문에 충돌이 불완전합니다. 따라서 매우 작은 입자는 충돌없이 큰 물체를 둘러싼 다. 정량적으로, 충돌 효율은 임의의 위치에서 물체를 향해 오는 입자의 궤적을 계산함으로써 모델링 될 수있다.
.이러한 계산에서 프라질 얼음 결정의 축적으로 인한 물 섭취의 막힘은 스크린의 구성 요소가 매우 작고 유속이 매우 높은 경우에만 가능하다는 것입니다. 수력 발전소 섭취에 대해 기록 된 프라질 축적 사건은 3m/s 미만의 유속을 포함합니다. 이러한 조건에서, 프라질 얼음은 이론적으로 얼음 결정이 크거나 응집 될 때 프라질 이벤트의 끝을 향해 실제 스크린 구성 요소에 빠르게 축적됩니다.
얼음 수정이 흐름에서 물체와 충돌하더라도 반드시 그것을 고수하지는 않습니다. 접촉 영역에서의 얼음의 결합이 충격에 따라 형성된다는 가정은 이론적 관점에서 정당화되지만 그러한 결합이 지속되는지 여부는 덜 명확하다. 우리는 접촉 영역이 일반적으로 충분히 크지 않고 강하지 않으며 디스크 모양의 얼음 결정을 강한 물 흐름으로 유지하는 것으로 추정했습니다. 우리는 이러한 주장에서 물 섭취의 막힘에 현탁 된 프라질 얼음 결정을 축적하는 역할이 매우 작다는 결론을 내린다.
.앵커 얼음은 물 아래 표면에서 직접 자라는 얼음입니다. 때로는 수역 바닥, 특히 강에서 넓은 지역을 덮을 수 있습니다. 호수 바닥에 앵커 얼음이 발생하는 것은 잘 알려져 있지 않으며 믿었던 것보다 더 일반적 일 수 있습니다. 매우 얕고 난류 흐름의 실험실 실험에 기초하여, 앵커 아이스는 현탁 된 프라질 얼음 입자의 축적에 의해 형성되는 것으로 설명되었다. 그러나, 두 가지 다른 메커니즘에 의해 Frazil Ice와 앵커 얼음 형태. 물이 냉각 될 때, 침수 된 물체의 얼음은 물에 핵 생성 된 프라질 얼음 결정뿐만 아니라 현장, 즉 표면에서 직접적으로 자랄 수 있습니다. 우리는 그런 앵커 얼음을“혈소판 얼음”이라고 부릅니다.
침수 된 물체로부터의 혈소판 얼음의 성장률은 매달린 프라질 얼음과 동일한 조건 하에서 슈퍼 쿨링 및 핵 생성으로 증가함에 따라 증가한다. 따라서, 혈소판 얼음과 프라질 얼음은 수중 물체에 동시에 형성 될 수있다. 혈소판 얼음의 현장 열 성장은 물과 정지적인 얼음 결정 사이의 상대적인 속도가 높고, 따라서 더 효과적인 열 전달로 인해 현탁 된 프라질 결정보다 훨씬 빠를 수 있다는 것은 주목할 만하다. 아마도, 얼음 결정의 현장 성장은 물 흐름에 의해 표면에서 부러진 후 이미 물체와 충돌 한 소수의 프라질 얼음 결정에서 시작됩니다. 이것은 왜 혈소판 얼음 결정이 다소 무작위로 지향되는지 설명 할 수 있습니다.
Frazil과 달리, 앵커 얼음은 며칠 또는 몇 주 동안 상당히 지속될 수 있습니다. 우리는 물 섭취의 막힘의 우려로 인해 슈퍼 냉각수의 빠른 흐름에서 혈소판 얼음의 국소 성장 문제에 관심이있었습니다. 이 상황에서 혈소판 얼음의 성장률을 추정하기 위해, 우리는 단일 얼음 혈소판으로부터의 열 전달을 고려했다. 이 분석을 바탕으로 우리는 혈소판 얼음이 완전히 침수 된 물 섭취의 막힘의 주요 원인이라고 제안합니다. 다행히도, 그 성장률은 프라질 아이스의 성장률보다 훨씬 쉽게 추정 할 수 있습니다. 그러나이를 위해서는 수퍼 쿨링의 정도를 모델링을 통해 얻어야합니다. 수퍼 쿨링을 모델링 할 때는 수온에 대한 동시 프라질 얼음 성장 효과가 포함되어야합니다. 이것은 Frazil Ice Model에서 수행 할 수 있습니다.
요약하면, 우리 연구의 결론은 앞에서 제시된 견해와 다소 다릅니다.
- 물의 얼음 결정은 마이크로 버블 및 난류에서 유래 될 수 있으므로 외부 소스에 관계없이 핵 생성이 발생할 수 있습니다.
- 활동적인 프라질 얼음 이벤트 중에 얼음 결정의 수 농도가 반드시 증가 할 수는 없습니다.
- Frazil Ice Crystal의 열 전달은 물 난기류가 아니라 상대 상승 속도에 의해 제어됩니다.
- 그리드 구성 요소에서 프라질 얼음 결정의 충돌 효율은 너무 작아서 프라질은 일반적으로 침수 된 물 섭취의 막힘을 일으키지 않습니다.
- 막힘은 주로 구조적 구성 요소에서 현장에서 자라는 얼음 혈소판으로 인해 발생합니다.
이러한 결과는 최근에 저널 <콜드 지역 과학 및 기술 볼륨 151, 2018 년 7 월, 64-74 페이지에 발표 된 수중 물체에 대한 Modeling Frazil 및 Anchor Ice라는 제목의 기사에 설명되어 있습니다.
이 작업은 핀란드 VTT 기술 연구 센터의 Lasse Makkonen과 Maria Tikanmäki가 수행했습니다.
