【摘要】：結(jié)霜現(xiàn)象普遍存在于建筑空調(diào)、冷凍冷藏和航天航空等領(lǐng)域,霜層的產(chǎn)生會增加換熱器傳熱熱阻,降低換熱設(shè)備傳熱效率,從而增加運行能耗,嚴重時還會損壞換熱設(shè)備。作為結(jié)霜生長的開始,在晶核形成階段中的液滴凍結(jié)過程,無疑對后續(xù)霜層生長產(chǎn)生重要影響。因此,對冷表面液滴凍結(jié)的研究無疑具有重要意義。本文利用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究液滴在不同冷表面上的凍結(jié)過程。通過利用高速攝像儀對超疏水表面以及普通表面液滴凍結(jié)過程進行顯微觀測對比,分析液滴在不同實驗工況下的凍結(jié)時間、內(nèi)部溫度變化以及固相高度變化的規(guī)律,闡述超疏水對液滴初始凍結(jié)時間以及液滴凍結(jié)時間等影響,運用晶體生長理論分析液滴凍結(jié)成核的機理,以及超疏水表面抑制液滴凍結(jié)的作用機制。利用數(shù)值模擬方式,研究靜態(tài)接觸角、冷表面溫度、液滴體積等因素對液滴凍結(jié)的影響。本論文主要研究內(nèi)容和成果如下:1.闡述了液滴凍結(jié)過程中的晶體生長理論,分析了不同接觸角對液滴凍結(jié)過程的影響,進行了在凍結(jié)過程中液滴周邊環(huán)境溫度分布模擬計算。2.根據(jù)試驗液滴的大小,設(shè)計尺寸為60mm×60mm×2mm的鋁合金冷平板與相應(yīng)尺寸的制冷片,制作得到了超疏水表面,搭建了水平冷表面液滴凍結(jié)實驗平臺。3.分析闡述了液滴在冷表面上發(fā)生凍結(jié)屬于異相成核,液滴發(fā)生相變需要來自液滴與冷表面接觸面提供的冷量來克服液滴發(fā)生相變的能量壁壘,超疏水表面可顯著抑制冷表面上液滴凍結(jié)過程的發(fā)生機制。4.進行了在不同表面特性冷表面上的液滴凍結(jié)過程可視化研究。液滴凍結(jié)過程分為過冷、凍結(jié)再升溫、凍結(jié)凝固和固體再冷卻等階段,分析了凍結(jié)凝固階段中液滴內(nèi)部溫度、固液相界面高度以及各階段凍結(jié)時間的變化規(guī)律。5.研究了不同冷表面、冷表面溫度、液滴體積等因素對液滴凍結(jié)過程中的液滴內(nèi)部溫度變化、固相高度以及各階段凍結(jié)時間的影響,分析得到了液滴在凍結(jié)過程中不同階段的生長特點和表面特性對晶核生長過程的影響規(guī)律。實驗表明,液滴在超疏水表面上的凍結(jié)過程明顯比普通表面上緩慢,液滴中心溫度變化顯著遲緩于普通冷表面。6.通過Ansys Fluent對冷表面上單個靜止液滴凍結(jié)進行數(shù)值模擬研究,模擬結(jié)果與液滴凍結(jié)實驗結(jié)果趨勢一致。數(shù)值模擬分析了液滴在凍結(jié)過程中溫度、凍結(jié)時間以及相態(tài)變化過程。結(jié)果表明:液滴內(nèi)部溫度呈現(xiàn)非均溫分布,隨位置高度的變化而改變,位置越低,越接近冷表面,溫度下降越快;接觸角越大,溫度變化越加緩慢,固相高度變化愈加緩慢,即固相高度變化速率越小;冷表面溫度越低,固相高度增加越快,溫度下降越快;同時,液滴體積越大,液滴內(nèi)部溫度下降越不明顯,液滴凍結(jié)越加緩慢,固相高度變化遲緩。論文成果對液滴凍結(jié)和抑霜除霜研究具有理論和實踐指導(dǎo)意義。
【圖文】：

１．２課題的研究現(xiàn)狀及趨勢逡逑２０世紀７０年代，，一位德國植物學(xué)家巴特洛特自荷葉表面觀察到露珠自由從逡逑表面滾落下來的現(xiàn)象提出“荷葉效應(yīng)”ｔ１＇隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研宄人員發(fā)現(xiàn)荷逡逑葉表面存在許多微米級乳突結(jié)構(gòu)，這些乳突結(jié)構(gòu)是由微納米相間的階層結(jié)構(gòu)以及逡逑低表面能的蠟質(zhì)層組成，從而賦予了荷葉表面超疏水的特性。逡逑目前，許多國外學(xué)者通過研究液滴凍結(jié)實驗，探宄結(jié)霜初期液滴凍結(jié)的機理，逡逑通過研制疏水表面，研宄超疏水表面抑制冷表面結(jié)霜的特性。近年來，我國許多逡逑學(xué)者也投入到超疏水表面抑制結(jié)霜過程研宄中。逡逑１．２．１疏水表面的制備及凍結(jié)實驗逡逑Ｌｉｎｄａ邋Ｏｂｅｒｌｉ［２（）］等人闡述了超疏水性材料作為防冰應(yīng)用材料，發(fā)現(xiàn)具有超高逡逑的水驅(qū)力外，表面還降低了冰的粘附力，可以延緩水的凍結(jié)；同時對其在防冰應(yīng)逡逑用中的應(yīng)用前景作了簡要介紹。趙歡等人Ｍ主要從金屬表面超疏水的角度探宄金逡逑屬的防護，在介紹超疏水表面相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，詳細綜述了國內(nèi)外金屬基體超逡逑

本文主要考慮固、液ａ）、汽（ｖ）三相交界處的接觸角。逡逑在界面的周界面上存在界面張力，在三相交接線上任一點的界面張力，其方逡逑向是沿交接線的內(nèi)法線并與界面相切，如圖２－１所示。為了定量描述相交接的諸逡逑項是否浸潤，引入接觸角義定義接觸角為交接處液－汽界面和固－液界面之間的逡逑夾角，即為界面張力Ｙｉｖ和間的夾角，見圖２－１．若固相不被液相所浸潤，則逡逑接觸角供＞９０°，即接觸角為鈍角；若０＝１８０°，則稱為完全不浸潤，此時液相與固逡逑相相切與一點；若化０°，則完全浸潤，此時在固相界面上形成一層具有宏觀厚度逡逑的液體層，汽相將不與固相接觸。逡逑４逡逑／邋Ｖ逡逑＾邋ｖ邋－－逡逑ｓ邋ｙＳＬ邋Ｌ邐—逡逑Ｙｓｌ邋０邋ｓ邋Ｋｓｖ逡逑（ａ）不浸潤：接觸角為鈍角，即０彡９０°；邋０＝１８０°為完全不浸潤逡逑ｓ邋＾逡逑９＼邐邐邐邋Ｙｓｌ邋Ｓ邋0邋ｙ．？．逡逑＼逡逑１逡逑（ｂ）浸潤：接觸角為銳角，即９邋＜９０°；邋０＝０°為完全浸潤逡逑圖２－１接觸角示意圖逡逑１０逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK172

【參考文獻】

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本文編號：2624828