过冷液滴碰撞固体表面的动态结冰特性研究

【作者】 何静月； 张海翔； 何枫； 张锡文； 郝鹏飞；

【机构】 清华大学航天航空学院工程力学系； 清华大学核能与新能源技术研究院；

【摘要】 过冷液滴的碰撞结冰现象普遍存在于自然界中,并严重威胁能源与交通领域中设备的安全运行,如冻雨在铁路电网的结冰,机翼在过冷云层中的结冰等。本文利用实验研究与理论分析相结合的手段,详细探究了不同We数的过冷液滴撞击不同温度冷表面的动态结冰过程,揭示了过冷液滴在碰撞过程中的成核机理。基于实验结果中过冷液滴成核延迟时间t_delay与铺展时间t_spread和回缩时间t_retraction的区间关系,发现了过冷液滴碰撞冷表面后发生的三种结冰形态:凹坑状(t_delay<t_spread)、薄饼状(t_spread<t_delay<t_retraction)、山峰状(t_delay>t_retraction)。着重分析了不同结冰形态下液滴动力学与壁面间传热的耦合过程,在铺展与回缩过程中,液滴与壁面的传热以对流换热模式为主,而当液滴回缩过程完成处于静止状态时液滴与壁面间的换热模式以热传导为主。基于碰撞过程中液滴与壁面传热系数的修正,提出了成核延迟时间的理论预测模型,并与实验结果吻合较好。基于成核延迟时间与铺展时间和回缩时间的对比分析,推导出过冷液滴三种碰撞结冰形态的临界判据,该判据是碰撞动力学无量纲参数We数、Re数、无量纲温度Θ的函数。本研究工作为防除冰领域中预测过冷液滴碰撞结冰提供了理论基础。更多还原