溶质浓度梯度作用下多组分液滴结冰特性研究

【作者】 王峰； 曾昊； 孙超；

【机构】 清华大学能源与动力工程系； 清华大学航天航空学院工程力学系；

【摘要】 多组分液滴相变过程广泛存在于日常生活和技术应用中,并显著影响着海上风电、增材制造等领域的生产效率与生产安全。多组分液滴在相变过程中内部会产生浓度梯度,进而产生复杂流动。在现有研究中,液滴内部浓度梯度大多由局部蒸发导致,对于由液滴结冰溶质析出效应所产生的溶质浓度梯度研究甚少。本工作系统研究了乙醇/水双组分液滴在过冷表面上的结冰动力学特性,利用高速相机和红外热像仪记录液滴结冰过程中的轮廓形貌演化和表面温度分布,利用粒子图像测速技术测量液滴内部流场变化。本工作发现,冰水界面附近的溶质析出富集效应,使得局部表面张力降低,进而在气液界面产生远离冰水界面的溶质Marangoni流动。这种流动,一方面会在冰-水-气三相交界点处产生动态增长角,影响多组分液滴定向结冰过程中的形貌演化,使得多组分液滴最终结冰高度可以超过初始高度的2倍;另一方面,在一定的溶质浓度和过冷温度范围内,会驱动冰晶在液滴表面定向运动,使得多组分液滴结冰模式从定向结冰转为表面结冰。进一步,我们建立理论模型,定量描述多组分液滴结冰模式转变条件、冰晶生长及运动速度、多组分液滴结冰形貌演化等结冰动力学特性。本工作研究成果,有助于加深对非线性、跨尺度、多物理过程的复杂界面流动问题的基础科学理解,有望为解决先进制造、交通运输、能源等领域中的相关技术难题提供理论支撑。更多还原