低温光滑壁面上水滴撞击结冰行为

采用高速摄像技术测试低温光滑壁面上水滴撞击结冰过程, 分析了撞击速度、壁面温度和材料热导率对水滴撞击铺展、振荡及结冰行为的影响规律. 结果表明, 低温壁面造成水滴最大铺展直径缩小, 且结冰时间随温度降低而缩短; 当撞击We数提高时, 水滴最大铺展直径增大, 而振荡和结冰时间减小; 同时材料热导率越高, 最大铺展直径越小, 结冰越迅速. 另外, 从热力学角度推导出水滴撞击结冰时间的理论公式, 预测误差<5.3%.     

水滴结冰结霜及合成双射流的防霜防冰实验

对水滴结冰结霜过程及合成双射流作用时水滴结冰结霜过程分别进行了实验研究.实验中将半导体制冷片作为实验板将温度从室温降低到-30℃,采用电子显微镜观测无合成双射流和开启合成双射流作用的水滴凝固结冰结霜过程.结果显示:水滴从下部向上逐渐凝固,并且水滴表面凝固速度大于内部凝固速度.由于水凝固为冰,密度减小、体积增大,使得水滴形态改变,顶端突出,变成锥形.由于合成双射流强迫产生对流换热,凝固水滴不会像无激励器作用时在表面生成针叶状的霜,而是在水滴表面均匀形成一层白色的颗粒状霜.随着时间推移,霜的厚度并没有增加,并且水滴的高度降低,凝固水滴的锥形尖端逐渐变得平坦,水滴与冷板平面的接触面积增加.      

壁面温度对疏水表面上水滴冻结的影响

本文研究了冷壁面温度对疏水表面(θ=108.8°)上单个水滴冻结过程的影响,比较了水滴的冻结时间及冻结前后的形态变化。结果表明,水滴冻结所需要的时间随冷表面温度的降低而减小,冷表面温度越低,水滴冻结后其顶端越容易出现树枝状霜晶生长。最后,根据能量守恒原理建立了冷表面上水滴冻结的数学模型,给出了相应的表达式,进而分析了壁面温度对水滴冻结时长的影响,计算结果与实验结果一致。     

合成热射流除霜除冰实验

实验研究了水滴在冷表面结冰结霜,以及合成热射流除霜除冰过程.实验中采用-30.0℃的半导体制冷片作为制冷源,将水滴滴在半导体制冷片的标定位置,在水滴完全结冰结霜且形态不再改变后,合成热射流激励器工作.利用电子显微镜观测并记录合成热射流除霜除冰的整个过程.结果显示:合成热射流能够完全除去结霜冰滴表面的霜,并且能将凝固水滴完全融化为透明的水滴.并且与合成双射流除霜效果相比,合成热射流的除霜速度极大增加,并且完全除霜后,冰滴的高度比合成双射流除霜减少20%.      

合成双射流控制机翼水滴撞击特性

在低速来流条件下,针对前缘位置嵌有合成射流/合成双射流激励器的机翼的水滴撞击特性开展了数值模拟研究,基于Fluent软件,采用Euler气液两相模型和欧拉壁面液膜（Eulerian wall film,EWF）模型,得到的计算结果表明:在合成射流或合成双射流的主动控制下,阻挡了机翼前缘等积冰重点防护区域内的水滴撞击,从而大幅降低了该区域的结冰强度.其机理是:在高频合成射流的作用下,机翼前缘上游附近形成了一对稳定的闭合回流区,形成了水滴的"真空区域".由于回流区内部水滴速度和质量分数较低,改变了机翼前缘水滴运动轨迹和水滴收集率分布,能够减少机翼前缘结冰程度并改变冰形,起到了虚拟气动外形的作用.      

冷表面上水滴冻结过程的研究

本文对冷表面上的水滴冻结过程进行了研究.用显微成像系统对该过程进行了现象观察,采用热电偶对水滴中心温度进行了测量.实验发现,水滴温度随冷表面温度下降而下降,稍低于0℃时没有显著相变.水滴温度继续降低到约-5℃时发生明显相变,同时,水滴中心温度迅速回升并维持在稍低于三相点温度,冻结锋面到达热电偶所在的水滴中心位置后又逐渐下降,直到非常接近冷表面温度.建立了该过程的数学模型并进行了数值模拟,结果与实验基本符合.     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

冷壁上单个静止过冷液滴冻结过程的数值模拟

以飞机飞行过程中过冷液滴撞击飞机表面所发生的结冰现象为背景,数值研究冷壁上单个静止过冷液滴的冻结过程。考虑重力作用下液滴的变形,并将过冷液滴冻结过程中成核再辉阶段的影响转化为物性参数的变化和模拟的初始条件,基于Fluent凝固/融化模型,模拟单个静止过冷液滴的冻结过程,模拟所得液滴冻结过程与文献中的实验结果吻合良好,最终冻结时间偏差为12.5%。进一步研究过冷度、壁面接触角、来流速度对过冷液滴冻结过程的影响,结果表明:过冷度越大,壁面接触角越小,来流速度越大,过冷液滴冻结越快,最终冻结时间越短,为研究飞机结冰机理提供参考。     

液滴撞击加热壁面传热实验研究

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm^-2.     

过冷水滴凝固特性的计算与实验研究

针对飞机结冰的特殊凝固过程,基于Enthalpy-porosity模型,发展了改进的结冰特性预测模型及数值计算方法,并基于凝固实验开展了所建模型及预测方法的验证。研究表明,相对于传统Enthalpy-porosity方法,所发展的方法可有效表征非平衡凝固过程,因而对冷水滴凝固特性的表征具有较好的改进。基于所建方法,开展了水滴凝固特性的影响因素分析,获得了不同过冷条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。相关研究可为结冰热力学模型的改进,以及结冰特性的精细化预测提供重要参考。     

过冷水滴碰撞结冰的实验与模拟研究

以宏观结冰/霜过程中过冷水滴的碰撞结冰现象为背景,实验对比了亲水和超疏水表面上常温水滴碰撞、常温水滴碰撞结冰和过冷水滴碰撞结冰的过程,建立了过冷水滴碰撞结冰过程的数值模型,研究了We数和接触角对碰撞结冰的影响。结果表明:相比于常温水滴的碰撞及其碰撞结冰过程,过冷水滴碰撞结冰过程的稳态铺展系数更大;随着过冷度和We数的增大以及接触角的减小,过冷水滴的碰撞结冰与常温水滴的碰撞在水滴形态和铺展系数上的差异逐渐增大。     

微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

壁面静止水滴冻结过程形状变化

低温表面上的液滴冻结时会形成具有尖顶的形状。针对这一现象开展了理论与实验研究,建立了新的动态曲形相界面模型用来模拟水滴冻结过程中的形状变化。模型考虑重力和成核再辉效应的影响,将冻结过程中的冰水相界面近似为球冠形曲面,并在三相点处引入动态生长角和直角关系。对壁面上20μL静止水滴进行了冻结实验,记录水滴三相点高度的演化过程,以此拟合得到了其随时间变化的关联式,基于该关联式求解理论模型,得到了水滴最终冻结形状。模拟结果与实验结果在水滴初始轮廓、成核再辉轮廓和最终冻结轮廓以及冻结时间上均吻合良好。曲面模型的计算结果表明,固液相界面上不同位置处的冻结速率不同;随着相界面向上推移,冻结速率逐渐减小。     

An experimental investigation into the icing and melting process of a water droplet impinging onto a superhydrophobic surface

The freezing and melting process of a small water droplet on a superhydrophobic cold surface was investigated using the Laser Induced Fluorescence (LIF) technique. The superhydrophobic surface was prepared using a sol-gel method on a red copper test plate. From the obtained fluorescence images, the phase transition characteristics during the freezing and melting process of a water droplet were clearly observed. It was found that, at the beginning of the droplet freezing process, liquid water turned into ice at a very fast rate. Such phase transition process decreased gradually with time and the volume of frozen ice approached a constant value at the end of the icing process. In addition, the freezing time was found to reduce with the decrease of the test plate temperature. Besides, when the test plate temperature is relatively high, the effect of droplet volume on the freezing time is very significant. Over all, we provide some tentative insights into the microphysical process related to the icing and melting process of water droplets.     

低压闪蒸液滴形态和温度变化的研究

将液滴在常压下突然置于低压环境中,液滴由最初的平衡状态变成过热状态,发生闪蒸.本文实验研究了低压闪蒸液滴内部形态和温度的变化,系统描述了液滴闪蒸过程中的各种形态变化,总结了稳态闪蒸和稳态结冰过程中环境压力和初始温度对温度变化的影响.实验结果表明液滴闪蒸分六种形态.稳态闪蒸中环境压力越低,液滴的最终温度也越低;液滴的初始温度越高,降到最低温度的时间越长.稳态结冰过程中,液滴初始温度增加,液滴结冰温度和结冰回升最高温度也随之增加;液滴的结冰温度和回升最高温度随环境压力的增高而减小.     

Molecular tagging thermometry for transient temperature mapping within a water droplet

We present the progress made in developing a molecular tagging thermometry (MTT) technique for achieving spatially and temporally resolved temperature measurements within a small water droplet over a solid surface. For MTT measurement, a pulsed laser is used to tag phosphorescent 1-BrNp.Mbeta-CD.ROH molecules premixed with water. Long-lived laser-induced phosphorescence is imaged at two successive times after the same laser excitation pulse. The temperature measurement is achieved by taking advantage of the temperature dependence of the phosphorescence lifetime, which is estimated from the intensity ratio of the acquired phosphorescence image pair. The measured transient temperature distributions can be used to quantify the unsteady heat transfer process inside convectively cooled water droplets over smooth or rough surfaces.     

小尺寸铝纳米团簇的相变行为

采用分子动力学方法模拟了半径从0.3–1.3 nm变化的小尺寸铝纳米团簇的熔化、凝固行为. 基于势能-温度曲线、热容-温度曲线分析, 获得了熔点、凝固点与尺寸的依变关系, 并利用表面能理论、小尺寸效应开展了现象分析.研究表明, 铝团簇原子数小于80时, 熔点和凝固点的尺寸依赖性出现无规律的异常变化; 而大于该原子数, 熔、凝固点则随着团簇尺寸的减小而单调下降; 当原子数为27时, 团簇熔点高于块材熔点近40 K. 同时, 铝纳米团簇呈现出凝固滞后现象, 即凝固点低于熔点. 关键词： 纳米团簇 熔点 凝固点 分子动力学     

非晶态合金表面的水润湿动力学

采用分子动力学模拟方法研究了改进的Simple pointcharge模型SPC/E水滴在Cu_(50)Zr_(50)非晶薄膜上的润湿行为和铺展过程.通过与CuZr(110)和(100)晶面对比研究发现,水滴在Cu_(50)Zr_(50)非晶薄膜表面上表现出较高的铺展速度.水滴在非晶合金表面的铺展过程中形成了明显的吸附层;而在晶态表面,水滴铺展前沿呈脚状形态.分析结果表明非晶表面的水分子在吸附层内呈现完全无序的单层排列方式,而在晶态表面,特别是(100)晶面,吸附层水分子呈双层有序排列.这种吸附层结构的差异导致了吸附层内水分子方向的差异:非晶表面吸附层内水分子方向倾向平行于表面,而晶态基底上吸附层内的水分子倾向于指向液滴内部.由此造成了非晶表面吸附层中的水分子与液滴内部以相对较弱的氢键相互作用,这使得上层水分子能够较容易扩散至吸附层前沿,促进液滴铺展.