超声波作用对液滴冷却冻结过程的影响

高蓬辉, 丛 健, 张东海, 周晋鹏, 张正函

(1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院, 江苏 徐州 221116;2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏 徐州 221116;3. 中国矿业大学 国际学院, 江苏 徐州 221116)

1 前 言

超声波辅助冷却冻结在食品冻结保鲜[1]、医用治疗[2]、生物化学[3-4]等领域得到广泛的应用，具有较好的应用前景。如何利用超声波实现高效冻结成为近年来广泛关注的问题之一。Wang 等[5]通过基于熵方法的纯物质冻结相场模型追踪冻结过程中固-液交界面的位置移动。赵凯璇等[6]建立了真空环境中单液滴闪蒸冻结模型，分析了环境压力和温度对于液滴温度和半径变化的影响。耿县如等[7]讨论了液滴大小、气体流速、环境温度对液滴温度和凝固时间的影响。吕明等[8]结合Rayleigh-Plesset 方程对液滴内空化气泡生长机理和过程进行了模拟分析。Virone 等[9]设计了一种超声波空穴反应器，给出了空化效应所产生气泡的膨胀、破裂方程以及溶液结核速度的计算公式，分析了溶液温度和结核速度的变化规律。Mathieu等[10]研究了在超声波作用下水冻结产生的冰核数量与液体温度和超声波压力间的关系，建立了超声波空化作用下单个气泡的Navier-Stokes equations 方程(简称N-S 方程)，获得了实际液滴空化效应产生的冰核数。余德洋[11]利用显微成像技术分析了纯水、蔗糖溶液在超声波作用下的结晶以及超声波对冰晶二次成核和冰晶生长速度的影响。

已有文献探讨了超声波强化冻结成核和冰晶的生长机理，但对于超声波作用下冻结过程中热质传递机理研究较少，尚未阐明超声波空化效应和热效应在冷却冻结过程中的作用机理。……