壁面曲率及过冷度对液滴铺展特性的影响

发布时间：2019-09-25 01:48

【摘要】：从覆冰类型及危害来看,雨凇对于导线产生的危害是最为严重和致命的。液滴撞击壁面的动力学特性对于相变凝固过程中的热质传递有重要影响,进而影响导线覆冰的特性。通过对比液滴撞击常温及过冷弯曲壁面过程中的液滴行为演变的异同,获得了表面过冷度和曲率大小对液滴铺展行为的影响规律。实验结果表明,随着圆柱曲面曲率的增加,周向上液膜铺展更好,轴向上液膜铺展更差。对于低温壁面上液滴的铺展过程,增加表面的过冷度,液滴的铺展更差,液滴振荡弛豫时间更短,表层液膜结冰速率加快。然而,低温壁面上液滴的铺展好于常温壁面上液滴的铺展,通过分析温度对液滴表面张力和黏性的影响规律,推论在铺展过程中,较低的壁面温度使得液滴底层快速形成了一层冰膜,改变了液固之间的界面能,使得液滴更易于铺展。在液滴回缩阶段,可明显观察到底层结冰的现象。该结论可为导线雨凇结冰提供理论参考。
【图文】：

实验系统,液滴

围内对于液滴撞击过程会有明显影响。Yang等[9]在不同初始条件下对液滴撞击圆柱表面的结冰特性进行了可视化实验观察，分析了不同表面对结冰行为的影响，并探讨了水滴流量及风温对结冰量的影响。学者们对平壁面上液滴撞击或者结冰的过程开展了大量的研究，但是对于固体曲表面等异形结构对液滴结冰的影响研究较少。本文针对圆柱曲面进行了液滴撞击的可视化实验，通过改变撞击壁面曲率的大小以及壁面过冷度[10]来研究液滴撞击铜柱面上动态行为的变化过程。1实验装置及实验方法液滴撞击弯曲铜壁面的实验系统如图1所示，实验采用恒温水浴中获得的去离子水滴，通过微量注射泵（DSP-2）将液体注入微量注射针头中产生液滴并滴撞在过冷的铜圆柱壁面上。铜表面的温度通过恒温冷域内的冷却介质（固态乙二醇）进行接触式控制。由躺滴法测得铜表面静态接触角为68.9°。整个撞击以及结冰过程通过两台高速摄影仪（PhantomV5.1，分辨率758×585，拍摄帧数3000fps；Olympusi-speedTR，分辨率800×600，拍摄帧数3000fps）同时记录圆柱上轴向与周向上液滴的行为变化，二者通过数据线进行同步连接，并且设置相同的拍摄参数，使液滴撞击曲面的行为在两个方向进行同步拍摄，并利用i-speedsuite软件对拍摄图像进行分析处理。实验中，在液滴撞击的位置处放置标尺，作为后期数据处理的标准，并且每组实验反复多次进行，测量误差在5%范围内。图1实验系统Fig.1Schematicdiagramofexperimentalsetup针对圆柱曲面上液滴铺展的测量，通过激光光刻的办法在圆柱的两端进行等间距刻度的标识（刻度精度为1mm）。圆柱面周向与轴向具体的测量方法如图2所示。轴向方向通过水平拍摄的方法，直接读出液滴铺展的像素长度，并转化为相应标尺下的长度。周

测量方法,圆柱,轴向,液滴

第7期范瑶等：壁面曲率及过冷度对液滴铺展特性的影响·2711·图2圆柱周向、轴向测量方法Fig.2Circumferentialandaxialdirectionmeasurementofcylinder相接触线位于两刻度之间时，其测量办法如图2所示：AB的长度为1mm，C点为MN的中点，在1mm弧长范围内来计算出CE的长度，MEN为液膜边缘，近似认为是椭圆唬根据弧长公式2180RABθπ=°(1)2sinRABθ=(2)可得90AB2RsinR°=π(3)通过测量出弦长CD进行在图片上沿轴向方向的变形率κ的计算：=ABCDκ，通过此变形率就可以获得所测弧长的真实值。通过验证计算，，误差不大于0.35%。在对液滴撞击壁面动态行为分析过程中，涉及如下的参数。液滴撞击常温壁面上的铺展因数为0tDDβ=(4)液滴撞击低温壁面上的铺展因数为**0tDDβ=(5)液滴铺展至最大铺展因数为βmax。式中，Dt为常温壁面上铺展液膜直径，D*t为低温壁面上铺展液膜直径，D0为液滴初始直径，t为时间。2实验结果及分析2.1液滴撞击常温圆柱铜表面动态特性对于相对低速的撞击过程，考虑到液滴本身直径及初始速度的大小，空气对液滴的剪切力可以忽略。在撞击到壁面之前，假设液滴为关于重力方向是对称的椭球体，通过图像处理算得液滴当量直径为230xyD=DD[11]。在室温（T=23.7℃、空气相对湿度67.1%）条件下，初始直径D0为3.0mm的液滴以2.0m·s1的撞击初速度撞击常温铜表面，铺展过程如图3所示，壁面粗糙度如表1所示。表1实验用铜表面粗糙度值（Ra）Table1Listofcoppersurfaceroughnessvalue（Ra）MeasurementofobjectRoughnessvalue/μmMeasurementerror/%D200.270.039D250.260.032D300.250.029图3单液滴撞击?
【作者单位】：重庆大学工程热物理研究所;低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室(重庆大学);
【基金】：国家重点基础研究发展计划项目(2012CB720403) 机械传动国家重点实验室科研业务费(SKLMT-ZZKT-2012 MS 17)~~
【分类号】：O35

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