斜向撞击下冰晶的次级粒径分布：实验表征与统一建模

《Powder Technology》：Secondary particle size distribution of ice crystals in oblique impacts: Experimental characterization and unified modeling

　　

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  研究了脆性冰晶在自由飞行状态下发生斜向撞击时的动力学特性。
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  采用基于形态学的方法估算颗粒体积，误差控制在±15%范围内。
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  通过相图明确了冰晶的反弹、轻微破碎以及严重破碎三种状态。
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  二次颗粒的尺寸分布遵循双截断幂律分布规律。
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  由于剪切和滑动作用，PSD指数与撞击角度之间存在非单调关系。

章节节选

缩写说明

CDF	累积分布函数
ICI	冰晶结冰现象
IQR	四分位数间距
K-S	科尔莫戈洛夫-斯米尔诺夫检验
PDF	概率密度函数
PSD	颗粒尺寸分布
ROI	研究区域

实验装置

为消除机械支撑结构对冰晶破碎过程的干扰，研究人员开发了一种基于超声悬浮技术的高速冰晶撞击实验平台。该实验装置的示意图与实拍图分别如图1(a)和(b)所示。该系统主要由四个部分组成：环境控制室、超声悬浮模块、气动撞击模块以及高速成像系统。

所有

撞击模式与相图

为系统描述冰晶撞击刚性壁面时的运动规律，研究人员参照Hauk等人的研究[18]、[24]、[35]，根据撞击后的体积损失率（即初始冰晶体积与最大残留碎片体积之差与初始体积的比值）对碰撞模式进行了分类。最终确定了反弹、轻微破碎以及严重破碎三种撞击模式。图8展示了不同冰晶直径（D_ice）下的这些撞击模式。

结论

在本研究中，研究人员利用超声悬浮技术及高速显微成像系统，对单个冰晶撞击刚性壁面的动态过程开展了系统性实验研究。此外，还提出了一种创新的基于形态学的体积重建方法，以此克服传统二维投影测量方法的局限性，将体积估算的误差控制在±15%以内。通过大量实验观察，研究人员发现了三种典型的撞击模式——反弹、轻微破碎

术语表

A
初始冰晶的投影面积，单位为平方米
A^?
无量纲投影面积比（A_sec /A）
A_sec
二次颗粒的投影面积，单位为平方毫米
a
颗粒二维投影的半长轴，单位为毫米
AR
长宽比（a/b）
b
颗粒二维投影的半短轴，单位为毫米
C
双截断幂律分布中的归一化常数
?C
幂律指数的截距校正项
c
颗粒的深度半轴，单位为毫米
CV
变异系数
D
最大绝对值

CRediT作者贡献说明

钟福豪：论文撰写——初稿撰写、软件应用、方法设计。刘秀芳：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、资金筹集。刘森云：结果验证、实验分析、数据整理。周芳：结果可视化、实验资源准备、方法优化。陈佳俊：结果可视化、结果验证、方法研究。韩波：研究指导、软件应用、定量分析。侯宇：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、资金筹集。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

本项研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52476018）以及中国国家重点研发计划（编号：J2019-III-0010-0054）的资助。

Fuhao Zhong|Xiufang Liu|Senyun Liu|Zhou Fang|Jiajun Chen|Bo Han|Yu Hou