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不同冷表面預(yù)設(shè)溫度下液滴凍結(jié)過(guò)程的演變規(guī)律

來(lái)源:西安交通大學(xué)學(xué)報(bào) 瀏覽 428 次 發(fā)布時(shí)間:2025-01-13

為了研究液滴凍結(jié)過(guò)程中液滴內(nèi)部固-液相界面的動(dòng)態(tài)變化特性以及液滴形變的變化規(guī)律,基于液滴凍結(jié)可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)冷銅表面液滴凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究,分析了不同冷表面預(yù)設(shè)溫度下液滴過(guò)冷度和液滴凍結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律以及液滴體積對(duì)液滴凍結(jié)時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在液滴凍結(jié)過(guò)程中,液滴內(nèi)部固-液相界面呈現(xiàn)出凹界面特性;在表面張力和固-液相界面的凹面特性的共同作用下,液滴完全凍結(jié)后會(huì)在其頂部形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)前期固-液相界面的推移速度較快,凍結(jié)速度較快,隨著時(shí)間的推移,固-液相界面的推移速度逐漸減小,致使凍結(jié)速度減小;隨著冷表面溫度的降低,液滴凍結(jié)所需要的過(guò)冷度不斷增加。研究發(fā)現(xiàn)了臨界過(guò)冷度的存在,約為-12℃,適當(dāng)增加液滴的臨界過(guò)冷度可延緩其凍結(jié)過(guò)程。液滴凍結(jié)時(shí)間主要取決于液滴過(guò)冷時(shí)間,液滴過(guò)冷時(shí)間受冷表面溫度的影響較大;液滴體積對(duì)液滴過(guò)冷時(shí)間的影響并不是單調(diào)的。


液滴凍結(jié)過(guò)程的演變規(guī)律


選取的實(shí)驗(yàn)工況為:空氣溫度Ta=15.0℃,空氣相對(duì)濕度φ=40.0%,空氣流速u=0.650 m●S—1,液滴體積V=15.0μL,冷表面(預(yù)設(shè))溫度Tw=—29.5℃。


根據(jù)晶體生長(zhǎng)理論可知,晶體的生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)際上就是晶體-流體界面向流體中的推進(jìn)過(guò)程,可以看作是固-液相界面向液相區(qū)中推進(jìn)的過(guò)程,固-液相界面并不是平坦的界面,而是具有一定弧度的凹界面。冷表面液滴的凍結(jié)過(guò)程如圖1所示。隨著固-液相界面的推進(jìn),液相區(qū)的質(zhì)量不斷減小,相變過(guò)程中密度變化引起體積增大的效果在未凍結(jié)的液相區(qū)不斷累積,導(dǎo)致液滴發(fā)生變形,最終在液滴頂部形成一個(gè)明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)過(guò)程中,早期液滴形狀的變化僅體現(xiàn)在高度方向上,而整體仍保持為半球形,如圖2所示。

圖1冷表面液滴凍結(jié)的演變過(guò)程


關(guān)于液滴在凍結(jié)完成后頂部形成乳狀凸起的現(xiàn)象,王皆騰等認(rèn)為固-液相界面是因?yàn)橐旱蔚男螤疃尸F(xiàn)出凹曲面的分布特性,而且液滴兩側(cè)的凍結(jié)速度大于中心區(qū)域,這導(dǎo)致液滴的變形出現(xiàn)在液滴頂部。根據(jù)晶體生長(zhǎng)理論,從界面張力的角度出發(fā),彎曲界面上的界面張力將導(dǎo)致垂直于界面的附加力的出現(xiàn),使得彎曲界面兩側(cè)的壓強(qiáng)不等,即產(chǎn)生界面壓強(qiáng)。這意味著界面張力有使界面面積縮小的傾向,凹曲面會(huì)產(chǎn)生向上的附加壓強(qiáng),促進(jìn)固-液相界面向上的推移過(guò)程,固-液界面為凹面時(shí)比平面更加有利于液滴的凝固。由于固-液相界面為凹曲面,在其向上的推移過(guò)程中,密度變化引起體積膨脹的效果會(huì)在液滴上部液相區(qū)不斷累積,表現(xiàn)為液滴高度的增加,最終在表面張力的作用下,液滴頂部會(huì)形成明顯的乳狀凸起,如圖2所示。

圖2液滴凍結(jié)過(guò)程中的形狀變化過(guò)程

圖3液滴固相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線


為探究液滴凍結(jié)過(guò)程所遵循的動(dòng)力學(xué)規(guī)律,即固-液相界面推進(jìn)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律,擬采用固相體積分?jǐn)?shù)的變化來(lái)模擬固-液相界面的推進(jìn)過(guò)程。為了便于液滴固相體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算,假定液滴始終保持半球狀,通過(guò)測(cè)量液滴的高度和寬度來(lái)確定液滴不同時(shí)刻時(shí)的固相體積分?jǐn)?shù),液滴固相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。在不同冷表面(預(yù)設(shè))溫度的條件下,伴隨著液滴的凍結(jié),初期固相體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)迅速,幾乎呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì),但隨著時(shí)間的推移,增長(zhǎng)速率逐漸變緩;通過(guò)縱向?qū)Ρ瓤芍浔砻?預(yù)設(shè))溫度越低,固相體積分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)速率越快,液滴凍結(jié)所需的時(shí)間越短。液滴凍結(jié)初期固-液相界面推進(jìn)速度較快一方面是因?yàn)殂~板的導(dǎo)熱熱阻較小,另一方面則是由于液滴與銅板的接觸面積相對(duì)較大,但是隨著時(shí)間的推移,冰晶的形成在增加了傳熱熱阻的同時(shí)也減小了液相與低溫固相的接觸面積,導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差,固-液相界面推進(jìn)速度減慢。隨著冷表面(預(yù)設(shè))溫度的降低,固-液相界面的推進(jìn)速度增加,液滴的凍結(jié)時(shí)間縮短。這是由于冷表面與過(guò)冷液滴之間的溫差增大,液滴單位時(shí)間內(nèi)的換熱量增加,導(dǎo)致固-液相界面推進(jìn)速度增加,液滴凍結(jié)時(shí)間縮短。


基于液滴凍結(jié)可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),本文對(duì)冷銅表面液滴的凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究,利用固相體積分?jǐn)?shù)的變化來(lái)描述液滴凍結(jié)的演變過(guò)程,獲得了液滴內(nèi)部固-液相界面的動(dòng)態(tài)變化特性和液滴形變的變化規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上分析了液滴過(guò)冷度和液滴凍結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律。得到如下主要結(jié)論。


液滴凍結(jié)過(guò)程中,液滴內(nèi)部固-液相界面呈現(xiàn)凹界面特性。由于凹界面的存在,液滴密度變化引起的膨脹變形體現(xiàn)為液滴高度的增加,在表面張力的作用下,液滴頂部會(huì)形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)前期,凍結(jié)速度較快,而后隨著時(shí)間的推移凍結(jié)速度逐漸減小;冷表面溫度越低,液滴凍結(jié)越快。


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