瞬态传热下冰的热力学过程及相变特性

冰水介质间的热传递过程广泛存在于海冰与冰川的生消演化中。对冰水间传热过程的研究有助于理解冰脊固结与冰川融化过程的内在机理。分别采用浸没试验与基于有限差分法的数值模型对热传递过程进行研究,并通过量纲分析对测试结果进行深入讨论。试验过程中分别采用不同初始温度与初始厚度的试样,并测试冰温与冰厚的变化情况。试验数据显示,在瞬态热传导过程中冰内存在明显的温度梯度,且在试验初期呈非线性分布而在中后期呈准线性分布。试样的平均温度表现出试验初期的快速升高与中后期的缓慢提升两个阶段。当试样具有较低初始温度或较高的厚度时需要更长的时间达到环境温度。冰厚的变化也同样出现快速增长与缓慢提升的两个阶段。当试样初始冰温较低或初始厚度较大时,冰厚增长量显著提高。分析结果表明,影响冰温变化的决定因素是由Fourier所表示的导热与内能之间的比值而非初始条件。冰厚的最终增长率则由表示相变的Stefan数与表示热对流的Biot数两者之间差值所决定。