雪氷路面の物理特性と氷膜発生条件の確定

确定冰雪路面的物理特性和冰膜形成的条件

• 批准号: 10878078
• 负责人: 石川 信敬
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 1998
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1998 至 2000
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10878078/
• 关键词: 路面熱収支; タイヤ温度; 摩擦係数; 再凍結; 制動距離; 表面温度; つるつる路面; 氷膜; 交通量; スリップ; 放射収支; 圧雪

これまでの研究により、いわゆるつるつる路面は道路雪氷表面が薄く氷膜化した路面であり、これは路面上の積雪が融解再凍結することにより出来ることが明らかになった。そこで本年度は気象条件と車体からの熱量を考量して道路雪氷面熱収支モデルを構築した。この時、遮蔽時間を導入して車両から道路雪氷面に与える熱量を算定すると、風速2m/s、気温-5℃、日射量5MJ/m^2day、反射率0.5では遮蔽時間10分程度で融解を始め、30分では約0.4mmの融解量となった。今年度はさらに道路雪氷面の熱収支モデルにタイヤの摩擦熱を導入する試みも行った。摩擦熱はタイヤがロックして滑走する場合(滑り摩擦)と空転する場合(転がり摩擦)の両方を算定する実験を行った。まず均質な圧雪路面を定速度で走行し、定位置で制動をかけて車をスリップさせてその制動距離から摩擦係数と摩擦熱を求めた。また転がり摩擦熱は車を止めたままタイヤを空転させて算定した。このときタイヤ滑走雪面の温度は赤外放射温度計とサーミスター温度計で測定し、さらに道路雪氷を採取して薄片試料を作って微細構造の変化を求めた。気温-8℃の制動実験では制動20回程度で薄い氷膜が認められ、摩擦係数も0.2以下となった。さらに制動50回で約2-3mmの氷膜の形成を確認した。なお速度20-30km/hの車両が10mの制動距離で50回停止すると、摩擦熱による融解量は2-4mmと算定され、実測をほぼ説明できた。なおタイヤが空転する場所は大きく削剥したがここでは氷膜がより厚くなっており、空転状態の摩擦熱による融解と再凍結が顕著であることが分かる。これまでの実験では氷膜の微細構造とその形成過程を観察し、またタイヤの摩擦熱と車両からの熱を考量して道路雪氷の融解量を求めた。今後はこの融解水の再凍結過程の解明と同時に実際の路面において、道路構造や交通量、気象条件をもとに、ツルツル路面発生予測の研究が必要である。

先前的研究表明，所谓的平滑道路表面是道路上的薄冰形表面，可以通过融化和将雪在道路表面上的雪进行重新融化来实现。因此，今年，我们通过考虑天气状况和车身的热量来建立一个模型，以实现道路冰雪表面的热量平衡。此时，引入了屏蔽时间，并计算了从车辆的冰雪表面施加的热量，并以2 m/s的风速，空气温度为-5°C，太阳辐射，5 MJ/m^2天的太阳辐射，以及0.5的反射，融化在大约10分钟内开始发生，在30分钟内，在30分钟内开始融化，熔融量大约为0.4毫米。今年，我们还试图引入从轮胎到公路冰雪表面的热平衡模型的摩擦热。进行轮胎锁定和滑行（滑动摩擦）以及旋转（滚动摩擦）时，进行了一个实验以计算摩擦热。首先，汽车是在均匀的压力抢断道路上以恒定速度驾驶的，在固定位置制动并滑行汽车，并从制动距离确定了摩擦系数和摩擦热。滚动摩擦热是通过在汽车仍停止时旋转轮胎来计算的。此时，使用红外辐射温度计和热敏电阻温度计测量轮胎上的雪表面温度，然后收集道路上的雪和冰，以形成薄的样品，以确定罚款结构的变化。在-8°C温度下的制动实验中，在大约20次制动课程后发现了薄冰膜，摩擦系数也低于0.2。此外，在制动50次制动后，确认形成了大约2-3mm的玻璃膜。当速度为20-30 km/h的车辆在10m的制动距离停止50次时，由于摩擦热而导致的熔融量为2-4 mm，这几乎解释了实际测量。卸下轮胎旋转的位置很大程度上已移除，但是这里的冰膜更厚，可以看出，由于旋转中的摩擦热而引起的融化和重新冻结是突出的。迄今为止，已经进行了先前的实验，以确定冰膜的精细结构及其形成过程，并且通过考虑轮胎的摩擦热和车辆的热量来确定道路雪和冰的熔化量。将来，有必要根据道路结构，交通量和天气状况来阐明融化水的过程，并研究实际道路表面上的平稳道路表面产生预测。

项目成果

N.Ishikawa: "Contributions of heat from traffic vehicles to snow melting on roads"Transportation Research Record. 1672. 28-33 (1999)

N.Ishikawa：“交通车辆对道路融雪的热量贡献”交通研究记录。

Ishikawa,N.and et al.: "Contributions of heat from traffic vehicles to snow melting on roads"Transportation Research Record. 1672. 28-33 (1999)

Ishikawa, N.and et al.：“交通车辆对道路融雪的热量贡献”交通研究记录。

石川信敬,成田英器,加治屋安彦: "凍結路面の発生メカニズムに関する熱収支的考察"寒地技術シンポジュム論文集. 16. 382-388 (2000)

Nobutaka Ishikawa、Hideki Narita、Yasuhiko Kajiya：“结冰路面生成机制的热平衡考虑”寒地技术研讨会论文集 16. 382-388 (2000)。