為了研究液滴凍結(jié)過程中液滴內(nèi)部固-液相界面的動態(tài)變化特性以及液滴形變的變化規(guī)律，基于液滴凍結(jié)可視化實(shí)驗(yàn)平臺，對冷銅表面液滴凍結(jié)過程進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同冷表面預(yù)設(shè)溫度下液滴過冷度和液滴凍結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律以及液滴體積對液滴凍結(jié)時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在液滴凍結(jié)過程中，液滴內(nèi)部固-液相界面呈現(xiàn)出凹界面特性;在表面張力和固-液相界面的凹面特性的共同作用下，液滴完全凍結(jié)后會在其頂部形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)前期固-液相界面的推移速度較快，凍結(jié)速度較快，隨著時(shí)間的推移，固-液相界面的推移速度逐漸減小，致使凍結(jié)速度減小;隨著冷表面溫度的降低，液滴凍結(jié)所需要的過冷度不斷增加。研究發(fā)現(xiàn)了臨界過冷度的存在，約為-12℃，適當(dāng)增加液滴的臨界過冷度可延緩其凍結(jié)過程。液滴凍結(jié)時(shí)間主要取決于液滴過冷時(shí)間，液滴過冷時(shí)間受冷表面溫度的影響較大;液滴體積對液滴過冷時(shí)間的影響并不是單調(diào)的。

液滴凍結(jié)過程的演變規(guī)律

選取的實(shí)驗(yàn)工況為:空氣溫度Ta=15.0℃，空氣相對濕度φ=40.0%，空氣流速u=0.650 m●S—1，液滴體積V=15.0μL，冷表面(預(yù)設(shè))溫度Tw=—29.5℃。

根據(jù)晶體生長理論可知，晶體的生長過程實(shí)際上就是晶體-流體界面向流體中的推進(jìn)過程，可以看作是固-液相界面向液相區(qū)中推進(jìn)的過程，固-液相界面并不是平坦的界面，而是具有一定弧度的凹界面。冷表面液滴的凍結(jié)過程如圖1所示。隨著固-液相界面的推進(jìn)，液相區(qū)的質(zhì)量不斷減小，相變過程中密度變化引起體積增大的效果在未凍結(jié)的液相區(qū)不斷累積，導(dǎo)致液滴發(fā)生變形，最終在液滴頂部形成一個(gè)明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)過程中，早期液滴形狀的變化僅體現(xiàn)在高度方向上，而整體仍保持為半球形，如圖2所示。

圖1冷表面液滴凍結(jié)的演變過程

關(guān)于液滴在凍結(jié)完成后頂部形成乳狀凸起的現(xiàn)象，王皆騰等認(rèn)為固-液相界面是因?yàn)橐旱蔚男螤疃尸F(xiàn)出凹曲面的分布特性，而且液滴兩側(cè)的凍結(jié)速度大于中心區(qū)域，這導(dǎo)致液滴的變形出現(xiàn)在液滴頂部。根據(jù)晶體生長理論，從界面張力的角度出發(fā)，彎曲界面上的界面張力將導(dǎo)致垂直于界面的附加力的出現(xiàn)，使得彎曲界面兩側(cè)的壓強(qiáng)不等，即產(chǎn)生界面壓強(qiáng)。這意味著界面張力有使界面面積縮小的傾向，凹曲面會產(chǎn)生向上的附加壓強(qiáng)，促進(jìn)固-液相界面向上的推移過程，固-液界面為凹面時(shí)比平面更加有利于液滴的凝固。由于固-液相界面為凹曲面，在其向上的推移過程中，密度變化引起體積膨脹的效果會在液滴上部液相區(qū)不斷累積，表現(xiàn)為液滴高度的增加，最終在表面張力的作用下，液滴頂部會形成明顯的乳狀凸起，如圖2所示。

圖2液滴凍結(jié)過程中的形狀變化過程

圖3液滴固相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線

為探究液滴凍結(jié)過程所遵循的動力學(xué)規(guī)律，即固-液相界面推進(jìn)的動力學(xué)規(guī)律，擬采用固相體積分?jǐn)?shù)的變化來模擬固-液相界面的推進(jìn)過程。為了便于液滴固相體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算，假定液滴始終保持半球狀，通過測量液滴的高度和寬度來確定液滴不同時(shí)刻時(shí)的固相體積分?jǐn)?shù)，液滴固相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。在不同冷表面(預(yù)設(shè))溫度的條件下，伴隨著液滴的凍結(jié)，初期固相體積分?jǐn)?shù)增長迅速，幾乎呈現(xiàn)線性增長趨勢，但隨著時(shí)間的推移，增長速率逐漸變緩;通過縱向?qū)Ρ瓤芍浔砻?預(yù)設(shè))溫度越低，固相體積分?jǐn)?shù)的增長速率越快，液滴凍結(jié)所需的時(shí)間越短。液滴凍結(jié)初期固-液相界面推進(jìn)速度較快一方面是因?yàn)殂~板的導(dǎo)熱熱阻較小，另一方面則是由于液滴與銅板的接觸面積相對較大，但是隨著時(shí)間的推移，冰晶的形成在增加了傳熱熱阻的同時(shí)也減小了液相與低溫固相的接觸面積，導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差，固-液相界面推進(jìn)速度減慢。隨著冷表面(預(yù)設(shè))溫度的降低，固-液相界面的推進(jìn)速度增加，液滴的凍結(jié)時(shí)間縮短。這是由于冷表面與過冷液滴之間的溫差增大，液滴單位時(shí)間內(nèi)的換熱量增加，導(dǎo)致固-液相界面推進(jìn)速度增加，液滴凍結(jié)時(shí)間縮短。

基于液滴凍結(jié)可視化實(shí)驗(yàn)平臺，本文對冷銅表面液滴的凍結(jié)過程進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，利用固相體積分?jǐn)?shù)的變化來描述液滴凍結(jié)的演變過程，獲得了液滴內(nèi)部固-液相界面的動態(tài)變化特性和液滴形變的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上分析了液滴過冷度和液滴凍結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律。得到如下主要結(jié)論。

液滴凍結(jié)過程中，液滴內(nèi)部固-液相界面呈現(xiàn)凹界面特性。由于凹界面的存在，液滴密度變化引起的膨脹變形體現(xiàn)為液滴高度的增加，在表面張力的作用下，液滴頂部會形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)前期，凍結(jié)速度較快，而后隨著時(shí)間的推移凍結(jié)速度逐漸減小;冷表面溫度越低，液滴凍結(jié)越快。