液滴撞击过冷壁面的结冰特性实验研究

尚宇恒,白博峰,侯予,钟昕

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

液滴撞击固体过冷表面发生结冰现象广泛存在于各个领域,如航空发动机进气口及机翼发生结冰[1-3],高寒地区风机叶片结冰[4-5],冷涂喷层[6]等。因此,对于发展高效除冰技术以及基于冻结背景的工程应用,研究液滴动态撞击结冰机理具有重大意义。

液滴在固体壁面的动力学过程受液滴直径(D0)[7]、撞击速度(v0)[8-9]、液体表面张力(σ)[10]、黏性力(μ)[11]、密度(β)、壁面粗糙度[12]、壁面润湿性[13-14]、温度及压强[15-16]等诸多因素的影响。实验条件的改变会导致液滴动态行为发生巨大的变化。

目前,只有少量文献针对壁面过冷度对液滴铺展、回缩及结冰现象的影响展开研究。Yao等发现壁面温度对液滴铺展过程影响较小[18],而Maitra等则指出壁面温度降低导致的黏性增加会显著减弱液滴铺展程度[19],产生差异的主要原因是Yao等采用的常温液滴,而Maitra等则使用的过冷液滴。另一方面,随着壁面温度的降低,液滴底部会更早地发生结冰,从而阻碍液滴继续铺展。Jin等的研究结果表明由于回缩阶段耗时更久,壁面温度显著影响这一过程[20]。但是,无论液滴的尺寸,壁面的温度如何变化,目前大多数文献中的结冰形态均为中间成尖,其原因可能是近几十年来强调发展疏水及超疏水表面以抑制结冰程度。对于液滴撞击高疏水性表面而言,液滴与壁面的接触面积有限且液滴高度相对较大,从而限制了液滴与基板之间的换热强度,即使表面温度较低也难以改变最终结冰形态。

本文使用亲水硅片作为基板,采用较大的撞击速度以增加液滴与表面的接触面积,研究壁面过冷度对滴液动态结冰过程的影响,以期为控制液滴结冰形态的相关应用提供理论指导。

1 实验方法

1.1 实验工质及壁面

本文采用常温状态下的去离子水进行实验,该状态下液体的密度为998.2 kg/m3,表面张力为71.5×10-3N/m,黏度为9.89×10-4Pa·s。通过更换不同直径的针头实现液滴初始直径变化范围为2.35～3.11 mm,撞击速度取决于液滴滴落高度,本文采用的撞击速度为2.56 m/s,相应的韦伯数范围为215～285。

实验壁面为亲水硅片,尺寸为40 mm×40 mm,常温状态下1 mL去离子水在该表面上的静态接触角为59.6°。

1.2 实验系统

图1为液滴撞击冷表面的实验装置,分为液滴发生系统、壁面降温系统以及视频拍摄系统3部分。针泵以较低的速度推动液体从针头挤出,当液体的重力克服表面张力,形成的液滴从针头滴落。壁面的温度通过半导体制冷片外加稳压电源以及恒温水浴仪来综合调控,半导体制冷片热端与恒温水浴仪的冷模块相接,使得热量及时被带走,从而冷端温度可降至更低。采用K型热电偶检测壁面温度(Ts),本文中壁温变化范围为-36.7～-5.4 ℃。液滴的动态结冰过程通过水平放置以及具有一定倾斜角度放置的高速相机来记录,拍摄速度为10 000帧/s,拍摄过程中采用冷光源调节亮度。为减少实验误差,每个工况重复3次实验。实验过程中环境温度和相对湿度分别控制在(20±1) ℃和(40±4)%。在每次实验中液滴滴落之前快速用无纺布清洁表面,以消除结霜对实验结果的影响。

图1 液滴撞击实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.3 实验数据处理

拍摄所得液滴动态撞击视频在PFV软件中进行处理,测量接触长度和动态接触角。液滴在接触壁面之前可以视为椭圆状,所以液滴的初始直径为

(1)

式中:Dv为液滴的垂直长度;Dh为液滴的水平长度。液滴的撞击速度根据接触壁面之前连续的两张拍摄图像可得

(2)

式中:S2f为液滴在两帧之内移动的距离;t2f为两帧所用的时间。

2 结果讨论

2.1 液滴碰撞结冰现象

在具有一定倾斜角度拍摄的情况下,直径2.35 mm液滴撞击壁面温度为-18.4 ℃及-36.7 ℃的动态过程如图2所示。液滴接触表面的时刻定义为初始时刻,t=0 s,从图2可以看出,撞击之后的几ms内,液滴快速向四周铺展直至最大直径,表明初始动能已经完全转化为表面能以及黏性耗散。仔细观察液滴铺展至最大程度时刻tmax的图像可以发现,随着壁面温度的降低,液滴薄膜四周出现了手指状突出,如图2b所示(t=2.2 ms)。这是因为,壁面温度的降低导致了表面张力和黏性力的增加,从而造成液滴减速加剧,剧烈的减速会增强瑞利-泰勒不稳定性,进而引发手指状边缘现象。由于液体底部迅速结冰,液滴几乎不发生回缩现象,只有上层液体继续震荡直至静止,随着换热时间的延长,不同壁面过冷度下的液滴呈现出不同的结冰过程以及结冰形态。

结冰初始阶段,由于四周液体层较薄所以换热更为剧烈,优先结冰,冻结锋面(固-液界面)由下往上扩展的同时从四周向内逐渐回缩,如图2中黑色虚线所示。结冰后期,在-18.4 ℃的工况下,此过程与静态液滴结冰过程相似[21],固-液界面的换热强度远大于气-液界面的,故气-液界面的换热量可以忽略不计,冻结锋面在发展过程中始终垂直于固-气界面,最终液滴中心形成顶部凸起,标志着结冰过程的完成。在-36.7 ℃的工况下,结冰发展到120.2 ms时,液体内部也开始结冰,产生了由内向外扩展的冻结锋面,最终内外两个冻结锋面汇合,形成内凹环状,类似火山口的结冰形态。为了更清晰地展现两种结冰形态的特征,图2虚线方框中分别给出了中间成尖冰型和内凹环状冰型的示意图与水平拍摄图。内部冻结锋面产生的原因是,外部冻结锋面向内回缩的行为导致凹形液面的产生,当液膜厚度最薄处的过冷度足以引发成核时,内部结冰便被触发。结冰后期在图2b中可观测到明显的液滴碎裂情况,并且通过对比其他实验工况,发现这种现象一般出现在壁面温度较低时。这是因为,液体底层冻结后,与冷板之间持续进行换热,导致冰层的温度下降,由于热胀冷缩,冰层产生收缩的趋势,但是冰层与冷板紧密粘附,无法自由收缩,所以会产生裂缝[22]。

(a)Ts=-18.4 ℃

(b)Ts=-36.7 ℃图2 直径为2.35 mm的液滴撞击不同温度壁面的动态结冰过程Fig.2 Dynamic freezing process of 2.35 mm impacting droplet at different surface temperature

2.2 液滴尺寸对动态铺展过程的影响

为了定量分析不同参数对动态铺展过程的影响,将铺展系数β定义为液滴动态直径D与初始直径的比值,其中到达最大铺展直径时刻的铺展系数βmax是用于表征液滴撞击动力学的重要参数之一。图3a给出了壁面温度为-21.1 ℃及不同液滴尺寸下,铺展系数随时间的变化情况,图3b为最大铺展系数和最大铺展时刻与液滴尺寸的关系。从图中可以看出,不同液滴尺寸下,β均随时间快速增加直到tmax,D0的增加导致tmax以及铺展程度显著增加,其原因是液滴尺寸的增加使得初始动能增加。同时,最大铺展系数随液滴尺寸线性增加,D0从2.35 mm增加至3.11 mm,增量为32%,导致βmax从3.70增加至4.02,增量为8.6%。铺展程度的增加意味着换热面积的增加,为液滴内部触发结冰提供了可能。

(a)铺展系数随时间的变化关系

(b)最大铺展系数、最大铺展时刻与液滴初始直径的关系图3 液滴尺寸对动态铺展过程的影响Fig.3 The effect of the droplet size on the spreading dynamics

2.3 壁面温度对动态铺展过程的影响

如图4所示,壁面温度对于液滴动态铺展过程的影响相对较小,随着壁面温度的增加,液滴最大铺展程度以及tmax略微增加。该趋势产生的原因是随着壁面温度的增加,液滴的温度相对较高,导致黏性力以及表面张力减小,从而增加了铺展程度。

图4 直径为2.56 mm的液滴撞击不同温度壁面的铺展系数随时间的变化Fig.4 Spreading factor with time at different surface temperature for 2.56 mm droplet

2.4 不同冰型形成条件

为揭示中间成尖结冰形态与内凹环状结冰形态的形成条件,本文定义了无量纲导热因子来反映冷板的导热性能,如下

(3)

式中:Tair为环境空气的温度;kw、kair分别为水与空气的导热系数。

图5 不同结冰形态相图Fig.5 Phase diagram of different icing patterns

3 结 论

本文研究了较高撞击速度的液滴在过冷壁面上的动态结冰特性,并分析了液滴尺寸以及壁面温度对动态铺展过程及结冰过程的影响,结果表明如下。

(1)增加液滴尺寸可有效增大铺展程度,延长到达最大铺展时刻的时间。

(2)壁面温度对于液滴动态铺展过程影响相对较小,仅使得最大铺展程度略有减小,而对结冰过程起主导作用。

(3)壁面温度相对较高时,结冰过程仅有一个外部冻结锋面,最终形成中间成尖结冰形态;在壁面温度相对较低时,形成内外两个冻结锋面并最终汇合产生内凹环状冰型。

(4)韦伯数的增加在一定范围内可以促进内凹环状结冰的出现。