极地环境下船舶表面动态结冰黏附强度的实验研究

本文基于结冰风洞模拟极地环境,利用切向结冰黏附强度测试系统,通过拉伸实验研究了极地温度环境条件下冻结时间、结冰接触面积等因素对结冰黏附强度特性的影响规律。结果表明,动态结冰的切向结冰黏附强度随冻结时间延长而增强,相较于静态结冰,动态结冰可在更短时间内在界面处产生黏附强度;动态结冰的切向结冰黏附强度随环境温度降低而增强,但在到达临界区间后逐渐减弱;动态结冰的切向结冰黏附强度随结冰接触面积增加呈线性下降趋势。

冻结过程冰黏附界面应力特性规律与分析

根据水/冰和铝合金的热膨胀系数差异及水结冰相变膨胀特性,观察水在铝合金表面的冻结过程,并利用应变测试方法间接获取结冰界面应力变化规律。结合水滴在铝合金表面冻结过程中的形态特征,分析了结冰过程冻结界面切向黏附力的形成规律及产生特点。试验发现,在冻结过程中,随着环境温度的降低,水与铝合金间的界面应变先逐渐降低;当铝合金表面附着水发生相变时,结冰黏附界面应变迅速增加;待铝合金表面附着水完全冻结后,黏附界面应变趋于稳定。分析表明,低温环境里铝合金表面附着水进入过冷状态,水及铝合金基底收缩,界面应变降低;当水开始相变,与基底表面接触区域附着水相变冻结,伴随冰黏附现象的产生,咬合并黏附于界面,相变膨胀力克服铝合金基底的收缩应力,界面应变迅速增加;待附着水完全冻结结冰及环境温度稳定时,冰与铝合金间形成稳定的黏附界面,结冰黏附界面应力趋于稳定。研究结冰黏附界面应力特性有助于阐释结冰黏附及其强度的形成规律,为工程领域开发或优化过程干预式防除冰技术提供理论支撑。