液滴撞擊過冷壁面的結冰特性實驗研究

尚宇恒,白博峰,侯予,鐘昕

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

液滴撞擊固體過冷表面發生結冰現象廣泛存在于各個領域,如航空發動機進氣口及機翼發生結冰[1-3],高寒地區風機葉片結冰[4-5],冷涂噴層[6]等。因此,對于發展高效除冰技術以及基于凍結背景的工程應用,研究液滴動態撞擊結冰機理具有重大意義。

液滴在固體壁面的動力學過程受液滴直徑(D0)[7]、撞擊速度(v0)[8-9]、液體表面張力(σ)[10]、黏性力(μ)[11]、密度(β)、壁面粗糙度[12]、壁面潤濕性[13-14]、溫度及壓強[15-16]等諸多因素的影響。實驗條件的改變會導致液滴動態行為發生巨大的變化。

目前,只有少量文獻針對壁面過冷度對液滴鋪展、回縮及結冰現象的影響展開研究。Yao等發現壁面溫度對液滴鋪展過程影響較小[18],而Maitra等則指出壁面溫度降低導致的黏性增加會顯著減弱液滴鋪展程度[19],產生差異的主要原因是Yao等采用的常溫液滴,而Maitra等則使用的過冷液滴。另一方面,隨著壁面溫度的降低,液滴底部會更早地發生結冰,從而阻礙液滴繼續鋪展。Jin等的研究結果表明由于回縮階段耗時更久,壁面溫度顯著影響這一過程[20]。但是,無論液滴的尺寸,壁面的溫度如何變化,目前大多數文獻中的結冰形態均為中間成尖,其原因可能是近幾十年來強調發展疏水及超疏水表面以抑制結冰程度。對于液滴撞擊高疏水性表面而言,液滴與壁面的接觸面積有限且液滴高度相對較大,從而限制了液滴與基板之間的換熱強度,即使表面溫度較低也難以改變最終結冰形態。

本文使用親水硅片作為基板,采用較大的撞擊速度以增加液滴與表面的接觸面積,研究壁面過冷度對滴液動態結冰過程的影響,以期為控制液滴結冰形態的相關應用提供理論指導。

1 實驗方法

1.1 實驗工質及壁面

本文采用常溫狀態下的去離子水進行實驗,該狀態下液體的密度為998.2 kg/m3,表面張力為71.5×10-3N/m,黏度為9.89×10-4Pa·s。通過更換不同直徑的針頭實現液滴初始直徑變化范圍為2.35～3.11 mm,撞擊速度取決于液滴滴落高度,本文采用的撞擊速度為2.56 m/s,相應的韋伯數范圍為215～285。

實驗壁面為親水硅片,尺寸為40 mm×40 mm,常溫狀態下1 mL去離子水在該表面上的靜態接觸角為59.6°。

1.2 實驗系統

圖1為液滴撞擊冷表面的實驗裝置,分為液滴發生系統、壁面降溫系統以及視頻拍攝系統3部分。針泵以較低的速度推動液體從針頭擠出,當液體的重力克服表面張力,形成的液滴從針頭滴落。壁面的溫度通過半導體制冷片外加穩壓電源以及恒溫水浴儀來綜合調控,半導體制冷片熱端與恒溫水浴儀的冷模塊相接,使得熱量及時被帶走,從而冷端溫度可降至更低。采用K型熱電偶檢測壁面溫度(Ts),本文中壁溫變化范圍為-36.7～-5.4 ℃。液滴的動態結冰過程通過水平放置以及具有一定傾斜角度放置的高速相機來記錄,拍攝速度為10 000幀/s,拍攝過程中采用冷光源調節亮度。為減少實驗誤差,每個工況重復3次實驗。實驗過程中環境溫度和相對濕度分別控制在(20±1) ℃和(40±4)%。在每次實驗中液滴滴落之前快速用無紡布清潔表面,以消除結霜對實驗結果的影響。

圖1 液滴撞擊實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.3 實驗數據處理

拍攝所得液滴動態撞擊視頻在PFV軟件中進行處理,測量接觸長度和動態接觸角。液滴在接觸壁面之前可以視為橢圓狀,所以液滴的初始直徑為

(1)

式中:Dv為液滴的垂直長度;Dh為液滴的水平長度。液滴的撞擊速度根據接觸壁面之前連續的兩張拍攝圖像可得

(2)

式中:S2f為液滴在兩幀之內移動的距離;t2f為兩幀所用的時間。

2 結果討論

2.1 液滴碰撞結冰現象

在具有一定傾斜角度拍攝的情況下,直徑2.35 mm液滴撞擊壁面溫度為-18.4 ℃及-36.7 ℃的動態過程如圖2所示。液滴接觸表面的時刻定義為初始時刻,t=0 s,從圖2可以看出,撞擊之后的幾ms內,液滴快速向四周鋪展直至最大直徑,表明初始動能已經完全轉化為表面能以及黏性耗散。仔細觀察液滴鋪展至最大程度時刻tmax的圖像可以發現,隨著壁面溫度的降低,液滴薄膜四周出現了手指狀突出,如圖2b所示(t=2.2 ms)。這是因為,壁面溫度的降低導致了表面張力和黏性力的增加,從而造成液滴減速加劇,劇烈的減速會增強瑞利-泰勒不穩定性,進而引發手指狀邊緣現象。由于液體底部迅速結冰,液滴幾乎不發生回縮現象,只有上層液體繼續震蕩直至靜止,隨著換熱時間的延長,不同壁面過冷度下的液滴呈現出不同的結冰過程以及結冰形態。

結冰初始階段,由于四周液體層較薄所以換熱更為劇烈,優先結冰,凍結鋒面(固-液界面)由下往上擴展的同時從四周向內逐漸回縮,如圖2中黑色虛線所示。結冰后期,在-18.4 ℃的工況下,此過程與靜態液滴結冰過程相似[21],固-液界面的換熱強度遠大于氣-液界面的,故氣-液界面的換熱量可以忽略不計,凍結鋒面在發展過程中始終垂直于固-氣界面,最終液滴中心形成頂部凸起,標志著結冰過程的完成。在-36.7 ℃的工況下,結冰發展到120.2 ms時,液體內部也開始結冰,產生了由內向外擴展的凍結鋒面,最終內外兩個凍結鋒面匯合,形成內凹環狀,類似火山口的結冰形態。為了更清晰地展現兩種結冰形態的特征,圖2虛線方框中分別給出了中間成尖冰型和內凹環狀冰型的示意圖與水平拍攝圖。內部凍結鋒面產生的原因是,外部凍結鋒面向內回縮的行為導致凹形液面的產生,當液膜厚度最薄處的過冷度足以引發成核時,內部結冰便被觸發。結冰后期在圖2b中可觀測到明顯的液滴碎裂情況,并且通過對比其他實驗工況,發現這種現象一般出現在壁面溫度較低時。這是因為,液體底層凍結后,與冷板之間持續進行換熱,導致冰層的溫度下降,由于熱脹冷縮,冰層產生收縮的趨勢,但是冰層與冷板緊密粘附,無法自由收縮,所以會產生裂縫[22]。

(a)Ts=-18.4 ℃

(b)Ts=-36.7 ℃圖2 直徑為2.35 mm的液滴撞擊不同溫度壁面的動態結冰過程Fig.2 Dynamic freezing process of 2.35 mm impacting droplet at different surface temperature

2.2 液滴尺寸對動態鋪展過程的影響

為了定量分析不同參數對動態鋪展過程的影響,將鋪展系數β定義為液滴動態直徑D與初始直徑的比值,其中到達最大鋪展直徑時刻的鋪展系數βmax是用于表征液滴撞擊動力學的重要參數之一。圖3a給出了壁面溫度為-21.1 ℃及不同液滴尺寸下,鋪展系數隨時間的變化情況,圖3b為最大鋪展系數和最大鋪展時刻與液滴尺寸的關系。從圖中可以看出,不同液滴尺寸下,β均隨時間快速增加直到tmax,D0的增加導致tmax以及鋪展程度顯著增加,其原因是液滴尺寸的增加使得初始動能增加。同時,最大鋪展系數隨液滴尺寸線性增加,D0從2.35 mm增加至3.11 mm,增量為32%,導致βmax從3.70增加至4.02,增量為8.6%。鋪展程度的增加意味著換熱面積的增加,為液滴內部觸發結冰提供了可能。

(a)鋪展系數隨時間的變化關系

(b)最大鋪展系數、最大鋪展時刻與液滴初始直徑的關系圖3 液滴尺寸對動態鋪展過程的影響Fig.3 The effect of the droplet size on the spreading dynamics

2.3 壁面溫度對動態鋪展過程的影響

如圖4所示,壁面溫度對于液滴動態鋪展過程的影響相對較小,隨著壁面溫度的增加,液滴最大鋪展程度以及tmax略微增加。該趨勢產生的原因是隨著壁面溫度的增加,液滴的溫度相對較高,導致黏性力以及表面張力減小,從而增加了鋪展程度。

圖4 直徑為2.56 mm的液滴撞擊不同溫度壁面的鋪展系數隨時間的變化Fig.4 Spreading factor with time at different surface temperature for 2.56 mm droplet

2.4 不同冰型形成條件

為揭示中間成尖結冰形態與內凹環狀結冰形態的形成條件,本文定義了無量綱導熱因子來反映冷板的導熱性能,如下

(3)

式中:Tair為環境空氣的溫度;kw、kair分別為水與空氣的導熱系數。

圖5 不同結冰形態相圖Fig.5 Phase diagram of different icing patterns

3 結 論

本文研究了較高撞擊速度的液滴在過冷壁面上的動態結冰特性,并分析了液滴尺寸以及壁面溫度對動態鋪展過程及結冰過程的影響,結果表明如下。

(1)增加液滴尺寸可有效增大鋪展程度,延長到達最大鋪展時刻的時間。

(2)壁面溫度對于液滴動態鋪展過程影響相對較小,僅使得最大鋪展程度略有減小,而對結冰過程起主導作用。

(3)壁面溫度相對較高時,結冰過程僅有一個外部凍結鋒面,最終形成中間成尖結冰形態;在壁面溫度相對較低時,形成內外兩個凍結鋒面并最終匯合產生內凹環狀冰型。

(4)韋伯數的增加在一定范圍內可以促進內凹環狀結冰的出現。