冷壁表面液滴冻结过程的数值模拟

为研究冷壁表面特性和空气温度对液滴冻结过程的影响,以及液滴冻结过程中液滴内部温度随时间的变化规律,通过Ansys Fluent软件的凝固/熔化模型对冷壁表面上的液滴冻结过程进行数值模拟。结果表明:冷壁表面上的液滴在冻结过程中,内部温度分布不均匀,会随位置高度变化而变化。同时冷壁表面与液滴接触角越小,液滴内部温度散热越快,冻结时间也就越短。当接触角由60°增加到160°时,液滴冻结时间由24.7 s增加到337 s。空气温度越低,液滴发生相变的驱动力增加,液滴完全冻结时间越短,当空气温度由283.15 K降到263.15 K时,冻结时间由62.3 s降到55.7 s。

超疏水冷表面上液滴冻结的可视化观测

对超疏水和普通表面上液滴冻结过程进行了对比试验观测,对液滴初始冻结时间和液滴冻结持续时间进行了对比研究,并对超疏水表面延缓液滴冻结的机制进行了理论分析。试验结果发现:与普通表面相比,超疏水表面上液滴初始冻结时间和液滴冻结持续时间明显滞后,不同冷表面温度下,超疏水表面均可有效延迟液滴冻结。表面接触角和粗糙度的综合效应,可显著增加相变所需吉布斯自由能壁垒,同时减少液滴-平板之间传热面积是延缓液滴初始冻结和液滴冻结过程发生的根本原因。

铜基疏水冷表面液滴冻结实验研究

为了研究不同环境条件下液滴在不同接触角疏水表面的冻结行为,采用自组装法制备了具有不同接触角的铜基疏水表面,通过实验观测了不同环境条件下液滴在不同接触角表面的冻结行为,分析了各因素如接触角、冷表面温度、环境温度以及湿度对冻结时间的影响。实验结果表明:在降温过程中,由于疏水表面润湿性发生变化导致接触角减小;冻结时间随接触角、冷表面温度、环境温度及湿度的增加均呈现增加的趋势。结合液滴冻结开始后的相变过程及能量守恒原理,建立了液滴冻结一维层式数学模型,对不同实验条件下液滴的冻结持续时间进行计算,计算结果与实验结果吻合良好,误差不超过15%。

铜表面液滴冻结的实验研究

为了研究液滴冻结过程中液滴内部固-液相界面的动态变化特性以及液滴形变的变化规律,基于液滴冻结可视化实验平台,对冷铜表面液滴冻结过程进行了可视化实验研究,分析了不同冷表面预设温度下液滴过冷度和液滴冻结时间的变化规律以及液滴体积对液滴冻结时间的影响。实验结果表明:在液滴冻结过程中,液滴内部固-液相界面呈现出凹界面特性;在表面张力和固-液相界面的凹面特性的共同作用下,液滴完全冻结后会在其顶部形成明显的乳状凸起;液滴冻结前期固-液相界面的推移速度较快,冻结速度较快,随着时间的推移,固-液相界面的推移速度逐渐减小,致使冻结速度减小;随着冷表面温度的降低,液滴冻结所需要的过冷度不断增加。研究发现了临界过冷度的存在,约为-12℃,适当增加液滴的临界过冷度可延缓其冻结过程。液滴冻结时间主要取决于液滴过冷时间,液滴过冷时间受冷表面温度的影响较大;液滴体积对液滴过冷时间的影响并不是单调的。

不同润湿性表面液滴冻结及融化特性研究

由于微纳结构超疏水表面独特的润湿特性,在制冷低温等诸多领域展现出良好的防冰应用前景。本文通过可视化实验,研究了表面润湿性和表面温度对液滴冻结及融化过程的影响规律。结果表明,与光滑铝表面相比,方柱微结构超疏水表面液滴的预冷时间和相变时间明显延长,而随着表面温度的降低两者之间的差距逐渐缩小。当液滴冻结完成后形成了冻结尖端,且两样品表面液滴均存在接触角减小和高度增加的现象。由于“气垫效应”的削弱甚至破坏,液滴融化后超疏水表面润湿性并未立刻恢复,接触角小于常温测量值;不同表面温度下液滴的二次冻结时间均短于一次冻结时间,但仍优于光滑铝表面;且液滴融化时的过热度较小,表面初始融化温度越低,开始融化时间越长,而液滴融化过程时间基本一致。

低温环境下水平铜表面液滴冻结的实验研究

本文实验研究了低温受迫对流条件下空气参数对水平冷表面上液滴冻结的影响。冷表面温度分别为-15.5℃和-19.5℃,空气温度变化范围为-6～8.5℃,相对湿度变化范围为50%～80%,空气流速变化范围为1.0～9.0 m/s。结果表明,冷表面上液滴冻结的时间随冷面温度的升高而增加,随空气相对湿度的升高而减小。另外,空气温度和流速对冷表面液滴冻结也有较大的影响,随着空气温度和流速的增加,液滴冻结时间先减小后增大。

超声波瞬间脱除冷表面冻结液滴的试验研究

试验研究了超声振荡对冷表面冻结液滴的影响。对施加频率20kHz的超声振荡作用下冷平板上冻结液滴的脱除现象进行了可视化研究,记录了超声开启瞬间冻结液滴的脱落过程,分析了超声作用瞬间冷平板内部的温度变化规律,探讨了超声振荡瞬间脱除冻结液滴的机理。试验结果表明,超声作用瞬间冻结液滴脱离冷表面,且伴有弹开现象的发生,同时,平板内部出现温度阶跃。分析认为超声机械作用产生的剪切力以及空化作用产生的冲击力的联合作用是冻结液滴瞬间脱除的主要原因。结果表明,超声振荡能够瞬间脱除冷平板表面作为结霜基底的冻结液滴,是一种有效的除霜方法。

超声功率对冷壁面冻结液滴脱除效果的影响

试验研究了超声功率对冷壁面冻结液滴脱除效果的影响,分析了不同超声功率对不同尺寸以及不同冻结时间冻结液滴的脱除能力.试验结果表明,超声振荡可以有效脱除冷表面冻结液滴,且随着超声输入功率从100 W增加到1 000 W,冷壁面冻结液滴脱除概率逐渐增加;冻结液滴粒径越大,超声功率对冻结液滴的脱除效果越显著;冻结时间越长,达到相同脱除概率所需的超声功率越大.通过调整超声功率可使冷表面冻结液滴的脱除概率达到70%.试验结果为超声波除霜功率参数配置提供了依据.

表面特性对超声波脱除冷表面冻结液滴的影响

本文研究了表面特性对超声波脱除冷表面冻结液滴的影响,对不同表面特性下超声波对不同粒径和不同冻结时间冻结液滴的脱除效果进行了对比分析.试验结果表明,超声波可瞬间脱除冷表面冻结液滴,且随着表面接触角的增加,冷表面冻结液滴的脱除概率逐渐增大;冻结液滴粒径越大,冻结时间越长,表面特性对超声波脱除冻结液滴的效果越显著;与普通铝表面上冻结液滴脱除状况相比,表面接触角136°时,超声波可完全脱除其表面上冻结液滴.试验结果为疏水表面应用于超声波抑/除霜提供了数据支撑.

飞机冷板液滴相变实验研究

利用模拟风洞、显微镜、高速摄像机及各种传感器等设备设计搭建了实验平台,对不同工况下飞机冷板上液滴冻结形成进行了实验研究。研究结果显示过冷液滴成核的过程非常短暂仅持续几十毫秒,在相变完成后液滴体积会膨胀并形成乳状凸起,较低的冷板温度与较高的相对湿度会缩短液滴冻结时间,增加液滴体积将使冻结时间呈现先增加后减小的趋势,增加空气流速将使冻结时间呈现先减少后增大的趋势。

磁场对铜板冷表面抑霜的可视化研究

为了研究弱磁对凝结液滴冻结和结霜过程的影响。通过在冷表面两侧施加永磁铁的方式,探究磁场(0—70 mT)和液滴冻结时间、大小、霜厚及结霜质量的关系。实验结果表明:在相同的工况下,随着磁场强度的增加,冷表面上发生液滴冻结的时间逐渐延长,但随湿度增加到一定程度时,液滴冻结的时间与磁场强度的关系并不是呈线性关系;另外,在不同磁场强度下,冻结液滴的尺寸不同;在结霜过程中,霜层生长的速度随着磁场强度的增加而变缓,结霜质量随之减少。以上的结果表明,一定的磁场强度对冷表面上液滴的冻结和霜层的生长均能起到一定的抑制作用,但随着冷表面温度的降低和环境湿度的增加,磁场对液滴冻结和结霜过程的抑制作用会减弱。

基于格子Boltzmann方法的饱和冻土孔隙成冰介观尺度模拟

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明:土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线(soil freezing characteristic curves,简称SFCC)具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。

弱交流磁场下裸铜表面结晶特性研究

本文研究了环境温度恒定为25℃、相对湿度为49%、体积为0.01 mL的液滴在-20℃裸铜底板的冻结实验,发现在附加交流磁场强度分别为2.0×10^-3、2.5×10^-3、3.0×10^-3、3.5×10^-3、4.0×10^-3、4.5×10^-3、5.0×10^-3、5.5×10^-3、6.0×10^-3 T的作用下,液滴结晶过冷度增大,最大过冷度提高了2.08℃;但附加磁场会减小成核驱动力;相比无磁场情况下,液滴冷凝时间减少,凝结粒径相比无磁场下较小。通过对在相同温湿度下自然对流条件的冷铜底板结霜可视化研究发现,由于附加磁场使极性水分子有序的在底板排列,较无磁场下液滴结晶过程熵增更小,在宏观上呈现液滴有序排列。此外,实验发现在0~6×10^-3 T的磁场强度范围,随着磁场强度的增大,平板单位面积结霜量减小,单位面积结霜量与交流磁场强度有较高的相关性,得到了拟合关系式。

空气源热泵室外蒸发器超疏水抑霜传热性能理论与实验研究

超疏水表面具有优异的抑霜性能,本文制备了接触角为156.7°的超疏水表面。建立可视化实验台,对比不同润湿性一维翅片表面湿空气凝结、液滴冻结与三维翅片管结霜、融霜过程异同。通过建立冷表面湿空气凝结和液滴冻结模型,揭示了超疏水表面在结霜初期的抑霜机理。超疏水表面液滴总热阻约为普通表面的5.94倍,超疏水翅片管较普通翅片管,其结霜量降低了18.9%,化霜效率提升了21.2%。本研究为超疏水技术在换热器尺度上的应用奠定了实验和理论基础。

Sessile droplet freezing and ice adhesion on aluminum with different surface wettability and surface temperature

This paper focused on the sessile droplet freezing and ice adhesion on aluminum with different wettability （hydrophilic, com- mon hydrophobic, and superhydrophobic surfaces, coded as HIS, CHS, SHS, respectively） over a surface temperature range of -9℃ to -19℃. It was found that SHS could retard the sessile droplet freezing and lower the ice adhesion probably due to the interfacial air pockets （IAPs） on water/SHS interface. However, as surface temperature decreasing, some IAPs were squeezed out and such freezing retarding and adhesion lowering effect for SHS was reduced greatly. For a surface temperature of-19℃, ice adhesion on SHS was even greater than that on CHS. To discover the reason for the squeezing out of lAPs, forces applied to the suspended water on IAPs were analyzed and it was found that the stability of IAPs was associated with surface mi- cro-structures and surface temperature. These findings might be helpful to designing of SHS with good anti-icing properties.