表面特性对冷表面上液滴冻结过程的影响研究

发布时间：2020-04-12 14:33

【摘要】：结霜现象普遍存在于建筑空调、冷冻冷藏和航天航空等领域,霜层的产生会增加换热器传热热阻,降低换热设备传热效率,从而增加运行能耗,严重时还会损坏换热设备。作为结霜生长的开始,在晶核形成阶段中的液滴冻结过程,无疑对后续霜层生长产生重要影响。因此,对冷表面液滴冻结的研究无疑具有重要意义。本文利用实验与数值模拟相结合的方法研究液滴在不同冷表面上的冻结过程。通过利用高速摄像仪对超疏水表面以及普通表面液滴冻结过程进行显微观测对比,分析液滴在不同实验工况下的冻结时间、内部温度变化以及固相高度变化的规律,阐述超疏水对液滴初始冻结时间以及液滴冻结时间等影响,运用晶体生长理论分析液滴冻结成核的机理,以及超疏水表面抑制液滴冻结的作用机制。利用数值模拟方式,研究静态接触角、冷表面温度、液滴体积等因素对液滴冻结的影响。本论文主要研究内容和成果如下:1.阐述了液滴冻结过程中的晶体生长理论,分析了不同接触角对液滴冻结过程的影响,进行了在冻结过程中液滴周边环境温度分布模拟计算。2.根据试验液滴的大小,设计尺寸为60mm×60mm×2mm的铝合金冷平板与相应尺寸的制冷片,制作得到了超疏水表面,搭建了水平冷表面液滴冻结实验平台。3.分析阐述了液滴在冷表面上发生冻结属于异相成核,液滴发生相变需要来自液滴与冷表面接触面提供的冷量来克服液滴发生相变的能量壁垒,超疏水表面可显著抑制冷表面上液滴冻结过程的发生机制。4.进行了在不同表面特性冷表面上的液滴冻结过程可视化研究。液滴冻结过程分为过冷、冻结再升温、冻结凝固和固体再冷却等阶段,分析了冻结凝固阶段中液滴内部温度、固液相界面高度以及各阶段冻结时间的变化规律。5.研究了不同冷表面、冷表面温度、液滴体积等因素对液滴冻结过程中的液滴内部温度变化、固相高度以及各阶段冻结时间的影响,分析得到了液滴在冻结过程中不同阶段的生长特点和表面特性对晶核生长过程的影响规律。实验表明,液滴在超疏水表面上的冻结过程明显比普通表面上缓慢,液滴中心温度变化显著迟缓于普通冷表面。6.通过Ansys Fluent对冷表面上单个静止液滴冻结进行数值模拟研究,模拟结果与液滴冻结实验结果趋势一致。数值模拟分析了液滴在冻结过程中温度、冻结时间以及相态变化过程。结果表明:液滴内部温度呈现非均温分布,随位置高度的变化而改变,位置越低,越接近冷表面,温度下降越快;接触角越大,温度变化越加缓慢,固相高度变化愈加缓慢,即固相高度变化速率越小;冷表面温度越低,固相高度增加越快,温度下降越快;同时,液滴体积越大,液滴内部温度下降越不明显,液滴冻结越加缓慢,固相高度变化迟缓。论文成果对液滴冻结和抑霜除霜研究具有理论和实践指导意义。
【图文】：

结霜过程,冷表面,超疏水

１．２课题的研究现状及趋势逡逑２０世纪７０年代，，一位德国植物学家巴特洛特自荷叶表面观察到露珠自由从逡逑表面滚落下来的现象提出“荷叶效应”ｔ１＇随着科学技术的发展，研宄人员发现荷逡逑叶表面存在许多微米级乳突结构，这些乳突结构是由微纳米相间的阶层结构以及逡逑低表面能的蜡质层组成，从而赋予了荷叶表面超疏水的特性。逡逑目前，许多国外学者通过研究液滴冻结实验，探宄结霜初期液滴冻结的机理，逡逑通过研制疏水表面，研宄超疏水表面抑制冷表面结霜的特性。近年来，我国许多逡逑学者也投入到超疏水表面抑制结霜过程研宄中。逡逑１．２．１疏水表面的制备及冻结实验逡逑Ｌｉｎｄａ邋Ｏｂｅｒｌｉ［２（）］等人阐述了超疏水性材料作为防冰应用材料，发现具有超高逡逑的水驱力外，表面还降低了冰的粘附力，可以延缓水的冻结；同时对其在防冰应逡逑用中的应用前景作了简要介绍。赵欢等人Ｍ主要从金属表面超疏水的角度探宄金逡逑属的防护，在介绍超疏水表面相关理论的基础上，详细综述了国内外金属基体超逡逑

示意图,接触角,示意图,交接线

本文主要考虑固、液ａ）、汽（ｖ）三相交界处的接触角。逡逑在界面的周界面上存在界面张力，在三相交接线上任一点的界面张力，其方逡逑向是沿交接线的内法线并与界面相切，如图２－１所示。为了定量描述相交接的诸逡逑项是否浸润，引入接触角义定义接触角为交接处液－汽界面和固－液界面之间的逡逑夹角，即为界面张力Ｙｉｖ和间的夹角，见图２－１．若固相不被液相所浸润，则逡逑接触角供＞９０°，即接触角为钝角；若０＝１８０°，则称为完全不浸润，此时液相与固逡逑相相切与一点；若化０°，则完全浸润，此时在固相界面上形成一层具有宏观厚度逡逑的液体层，汽相将不与固相接触。逡逑４逡逑／邋Ｖ逡逑＾邋ｖ邋－－逡逑ｓ邋ｙＳＬ邋Ｌ逦—逡逑Ｙｓｌ邋０邋ｓ邋Ｋｓｖ逡逑（ａ）不浸润：接触角为钝角，即０彡９０°；邋０＝１８０°为完全不浸润逡逑ｓ邋＾逡逑９＼逦逦逦邋Ｙｓｌ邋Ｓ邋0邋ｙ．？．逡逑＼逡逑１逡逑（ｂ）浸润：接触角为锐角，即９邋＜９０°；邋０＝０°为完全浸润逡逑图２－１接触角示意图逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172

【参考文献】