冷表面结霜的微细观可视化研究

为研究冷表面上结霜的微细观过程以及表面湿润性对该过程的影响,对空气中水蒸气在铜裸面及疏水性涂层上的结霜过程进行了微细观可视化研究。实验中冷面温度为-10℃。发现结霜过程并非单纯的凝华过程,而是经历了水珠生成、长大、冻结、初始霜晶生成以及霜晶成长(包括部分霜晶的倒伏)过程。与铜裸面相比,疏水面上水珠分布的较为稀疏,粒径较大,冻结较晚,初始霜晶较迟出现,霜晶高度较低。所有这些都说明疏水性表面可以延缓霜的形成及成长。     

翅片表面特性对结霜过程影响的实验研究

为研究翅片表面特性对空气源热泵结霜的影响,构建了翅片结霜实验平台,对接触角不同的4种翅片表面(亲水性铝翅片、普通铝翅片、疏水性铝翅片、超疏水性铝翅片)的结霜过程细微观特征进行了可视化研究,获得了翅片表面特性对结霜过程细微观物理特征及霜层热工特性的影响规律.结果表明,在霜晶生长初期,接触角越大,凝结形成的液滴粒径越小,分布越稀疏,液滴开始冻结的时间越滞后.霜层生长过程中,接触角大的表面霜晶相对矮小且疏松,枝晶分布不均匀,而接触角小的表面霜晶纤长且致密,枝晶多且分布均匀.随着接触角的增大,霜层的高度和导热系数减小,表面温度降低.超疏水性表面霜高比亲水性表面减少了45%,接触角越大的表面其抑霜效果越明显.     

强制对流条件下结霜现象的实验研究

在冷面温度为-15~0℃,空气温度为16.5℃和22℃,空气相对湿度为20%~70%,空气流速为0~5.5m/s的条件下,对水平铝表面上结霜现象进行了实验研究。结果表明:冷面温度或空气温度越低,过冷水珠存续时间越短,冻结粒径越小;随着空气相对湿度的增加,过冷水珠存续时间先缩短后延长,冻结粒径先减小后增大;随着空气流速的增大,过冷水珠存续时间先缩短后延长,冻结粒径却不断增大;空气流速对初始霜晶形状的影响不大。     

冷表面霜晶演化的微观可视化观测

对冷表面霜层生长过程进行了微观可视化研究,对结霜生长过程不同时期的霜晶演化特征进行了观测,同时从相变动力学的角度对冷表面霜层初始液滴成核过程进行了理论分析.试验研究发现,冷表面霜层生长阶段不同位置霜晶呈现不均匀生长,局部存在霜枝倒伏以及霜晶消融现象,且随着时间的推移,冷表面不同位置霜晶逐渐趋于均匀.研究结果表明,冷表面温度越低,湿空气中水蒸气过饱和度越大,相变驱动力越大,发生气液相变形成活化液核的可能性越大.霜晶体表面温度以及局部水蒸气分压力的联合效应是发生霜晶消融的根本原因.     

结霜初期超疏水表面凝结液滴的自跳跃脱落及其对结霜过程的影响

制备了具有微纳复合结构的超疏水表面,对其结霜过程进行了可视化观测,揭示了结霜初期表面凝结液滴的自跳跃行为及其对结霜过程的影响,并与普通表面的结霜过程进行了对比研究.实验结果表明,结霜初期,超疏水表面的凝结液滴频繁出现合并后自跳跃现象,根据液滴合并前的尺寸大小,可将自跳跃行为分为3类,而普通表面未观察到类似现象;液滴自跳跃临界半径随着液固接触面积分数的降低和表面接触角的增大而减小.初始凝结液滴的自跳跃降低了超疏水表面液滴覆盖率和分布密度,同时引起表面霜层生长的不均匀性和霜晶结构的差异.与普通表面相比,超疏水表面可有效抑制结霜,延缓霜层生长速率.     

环境参数对空气源热泵蒸发器表面霜层影响研究

对一台空气源热泵翅片管蒸发器表面结霜特性进行了实验研究,分析了室外环境温度和相对湿度对霜层的形态、平均密度、总平均密度及动态密度的影响.实验结果表明:室外环境温度的降低或相对湿度的增加将促使换热器表面霜层在生长过程中形成针状霜晶,乃至形成绒状霜层;在高温、高湿度工况下,霜层表面出现凝结水滴,使得霜层密度增大.在霜层减速生长段,霜层平均密度随结霜时间呈增大趋势,而在霜层加速生长段,霜层平均密度随结霜时间迅速减小,且动态霜层密度远远小于霜层平均密度.对环境参数不同而霜层厚度相同的霜层平均密度进行比较发现,其随环境温度的升高及相对湿度的减小而增大,且相对湿度的影响在低湿度工况下更为显著.     

低温冷表面结霜性能实验研究及应用

针对低温冷表面结霜情况搭建了结霜实验系统,采用显微镜、CCD摄像机观察冷表面结霜全过程,并通过改变环境温度及冷液温度研究霜晶生长状况。实验结果表明:在冷表面划痕、凹陷处率先结霜;冷液温度及环境温度对霜晶生长状况影响很大,随着冷液温度的降低,霜晶粒径减小,分布密集,生长较快;随着环境温度的降低,霜晶生长缓慢。     

疏水冷面霜晶生长的有限扩散凝聚模型

为了深入了解霜晶的动态生长过程,以有限扩散凝聚模型为基础建立了疏水冷面霜晶二维生长模型.通过在表面上设置不同冰珠数量来模拟冷面不同疏水性能,无涂层金属表面则布满冰珠;采用粒子在网格节点上随机移动来描述水蒸气分子的运动,粒子沿各方向移动的概率相同.数值结果表明,霜晶动态生长的可视化结果与实验图像在形态上保持一致;树枝状霜晶具有分形特征,相应的分形维数为1.44～1.78,与实验值相近.疏水冷面霜晶生长缓慢且分布稀疏;采用疏水效果不好的冷面的结霜情况与金属表面相似.     

疏水性铝翅片表面的结霜/融霜特性

为了揭示疏水性铝翅片表面特性对结霜/融霜过程的影响规律,构建翅片结霜/融霜实验平台,制备接触角为90°~160°的4组疏水性铝翅片,并对其表面的结霜/融霜特性进行研究。研究结果表明:翅片表面的接触角越大,凝结液滴越晚出现,抗凝结作用越明显。4组翅片表面霜晶形态相似,但霜层高度区别明显,接触角越大,霜层越薄,抑霜效果越好。翅片表面的接触角和接触角滞后对凝结液滴及融霜滞留液滴的形状、尺寸和分布密度具有重要影响。此外,疏水性强的翅片,表面融霜过程快且滞留水少,接触角为160°的表面其滞留水比接触角为98°的表面减少79.82%。因此,采用疏水性强的翅片,有利于减少蒸发滞留水耗热量和时间,从而提高热泵除霜效率。     

翅片型式对空气源热泵机组结霜特性的影响

对使用条缝翅片管换热器的空气源热泵空调器在结霜工况下的动态性能进行了试验研究,用显微照相法测量了不同条件下室外换热器表面的霜层厚度,并与采用平翅片管换热器的热泵样机试验结果进行了比较.结果表明:在结霜初始阶段,条缝翅片管换热器表面霜层增长速度远大于平翅片管换热器,结霜循环周期大大缩短;对于低相对湿度工况,条缝翅片管换热器在结霜过程中出现了一段表面霜层厚度几乎不增长的时间段,使得其结霜周期显著增大;与使用平翅片管换热器的热泵样机不同,使用条缝翅片管蒸发器的热泵机组的制热量及性能系数随环境空气相对湿度的升高而大幅度降低.     

吸水性涂层在霜层生长初期的抑霜

研究吸水性涂层对霜层生长过程的影响,以寻求抑制结霜的有效方法.通过自行设计的试验设备对吸水性涂层表面上霜层生长特性进行试验研究,获取了不同时段霜层的显微图片,采用数字图像处理方法对其分析,与无涂层的铜表面进行对比.结果表明,吸水性涂层使得结霜时间推迟,霜层高度下降,冰晶体分布稀疏.此外霜层生长初期冰晶体的结构发生了变化,晶体呈倒立状,在某个时段内持续这种状态.对列固含率的分析表明,吸水性涂层的表面在初期有些位置冰晶体含量较高,但有些位置则接近于零,这样的霜层在生长初期甚至加强了热传递.最后通过对比不同表面霜层高度随时间的变化规律发现:吸水性涂层在初期抑霜效果最好,随着时间的推移其抑霜能力逐渐下降.     

霜晶生长的界面演变及机制分析

为了认识冷面结霜的微观机制,对霜晶生长过程中的各种界面演变现象进行了研究。从晶体生长角度解释了各种形状初始霜晶的形成机制;利用界面稳定性理论分析指出:温度场和水蒸气浓度场是影响霜晶生长的主要因素,两者的竞争耦合作用是产生相变和霜晶各种界面演变现象的根本原因;建立了霜晶生长速率与霜晶表面温度及水蒸气分压力相关的数学模型。计算结果表明:随着霜晶温度的降低或环境空气水蒸气分压力的增加,霜晶生长速率增大,这与实验以及基于分子运动论的分析结论是一致的。     

霜晶生长的界面演变及机理分析

为了认识冷面结霜的微观机理,对霜晶生长过程中的各种界面演变现象进行了研究。从晶体生长角度解释了各种形状初始霜晶的形成机制;利用界面稳定性理论分析指出:温度场和水蒸气浓度场是影响霜晶生长的主要因素,两者的竞争耦合作用是产生相变和霜晶各种界面演变现象的根本原因;建立了霜晶生长速率与霜晶表面温度及水蒸气分压力相关的数学模型。计算结果表明:随着霜晶温度的降低或环境空气水蒸气分压力的增加,霜晶生长速率增大,这与实验以及基于分子运动论的分析结论是一致的。     

石油磺酸盐对玻璃纤维聚结脱水性能的影响

目前,关于纤维表面水滴聚结与脱落过程的研究多为定性分析,缺乏相关实验数据,并且各种因素对纤维聚结脱水效果的影响并不清晰。针对以上问题,搭建了一套可视化微流道实验系统;在航空煤油-水体系中加入表面活性剂石油磺酸盐,制备了两种不同界面张力的乳状液;利用建立的实验系统观测在不同界面张力下纤维表面水滴的聚结与脱落过程,并讨论了影响水滴聚结与脱落的主要因素。结果表明：在18 mN/m的界面张力下,最大水滴粒径在前3 min增长较快,在3 min后增长较为缓慢;在8 mN/m的界面张力下,在前6 min最大水滴粒径的增长趋势较为平缓,6 min后最大水滴粒径几乎不再增长,并且在聚结初始阶段水滴呈单侧分布;水滴单位面积的表面活性剂分子数存在饱和值,当达到饱和值时,水滴被表面活性剂分子完全包围,很难与其他水滴发生聚结行为;在18 mN/m的界面张力下,流场流速是引起水滴断裂脱落的主要原因;在8 mN/m的界面张力下,水滴的断裂脱落不仅受流场流速的影响,而且还与表面活性剂的含量有关。     

石油磺酸盐对玻璃纤维聚结脱水性能的影响

目前,关于纤维表面水滴聚结与脱落过程的研究多为定性分析,缺乏相关实验数据,并且各种因素对纤维聚结脱水效果的影响并不清晰。针对以上问题,搭建了一套可视化微流道实验系统;在航空煤油-水体系中加入表面活性剂石油磺酸盐,制备了两种不同界面张力的乳状液;利用建立的实验系统观测在不同界面张力下纤维表面水滴的聚结与脱落过程,并讨论了影响水滴聚结与脱落的主要因素。结果表明：在18 mN/m的界面张力下,最大水滴粒径在前3 min增长较快,在3 min后增长较为缓慢;在8 mN/m的界面张力下,在前6 min最大水滴粒径的增长趋势较为平缓,6 min后最大水滴粒径几乎不再增长,并且在聚结初始阶段水滴呈单侧分布;水滴单位面积的表面活性剂分子数存在饱和值,当达到饱和值时,水滴被表面活性剂分子完全包围,很难与其他水滴发生聚结行为;在18 mN/m的界面张力下,流场流速是引起水滴断裂脱落的主要原因;在8 mN/m的界面张力下,水滴的断裂脱落不仅受流场流速的影响,而且还与表面活性剂的含量有关。     

单液滴撞击水平冷板面的模拟研究

针对喷雾冷冻干燥中液滴在设备壁面的冷冻沉积问题,在前期单液滴撞击水平放置冷板面的实验基础上,建立了单液滴与冷板面撞击的模型,利用水平集方法与固化模型相结合,模拟了蒸馏水液滴(直径为3.2,mm,温度为293,K)分别从100、250、500,mm高度撞击不锈钢板面(温度为268,K和253,K)的过程.模拟的最大铺展直径同实验对比,误差小于10%,证明该模型可适用于低黏度、低密度的单液滴撞击水平冷板面的情况.     

水击谐波条件下乳化油液滴积聚过程影响因素初探

根据乳化油液滴的形成过程和其运动状态的特点,选择和控制适宜的破乳条件促进乳化液滴的积聚,可以实现乳化油液的有效破乳。通过对W/O型乳化油液滴在水击谐波场力作用下的过程进行分析,发现在水击谐波波节的±λ/4范围内,分散相液滴经过一定的时间发生了积聚,但影响分散相液滴相互聚集的因素多且又复杂。通过由理论分析和试验结果初步确定了乳化油液滴积聚过程的主要影响因素,其中随着水击谐波频率、油液速度的增大,积聚过程加快,控制在水击谐波频率为10Hz条件下,液滴积聚效果较佳。而随着连续物相的黏度系数增大,液滴积聚的时间增加,积聚过程反而降低,控制连续相的黏度系数在1.0×10-3 Pa·s左右,液滴积聚效果较为理想;同时发现乳化油液滴粒径的大小对积聚过程也产生一定的影响,因此积聚过程不能忽略乳化油液滴惯性力的作用。控制好合适的物性参数可以实现分散相液滴的积聚和聚结,为深入研究乳化油液的水击谐波破乳脱水奠定基础。     

基于ImagePy的水敏纸图像预处理及液滴参数测量

快速获取喷施农药后雾滴在水敏纸表面的沉积分布,对了解农药的田间分布情况有十分重要的意义.针对目前水敏纸图像处理软件缺少对水敏纸图像的旋转等预处理操作,以及将水敏纸图像先转换为灰度图像再进行分割而导致检测精度低的问题,基于ImagePy开发了一种可以快速准确检测雾滴尺寸及分布特性的水敏纸图像处理软件,该软件由一组自定义插件组成,可以对水敏纸图像进行自动检测并旋转,然后对水敏纸图像进行彩色图像分割,进而使用这些插件统计测量雾滴尺寸、分布、总雾滴数和雾滴密度等雾滴参数,并将检测结果保存在Excel表格中以便后续数据处理,通过与DepositScan软件进行比较,验证了本软件的有效性.实验结果表明,基于ImagePy的水敏纸图像预处理及液滴参数测量方法可提取试纸上94.117 6％以上的雾滴,较DepositScan软件准确率提升了6.770 7％.     

霜晶形态演变过程的实验观测

利用显微可视化实验台,对水平冷板上霜层表面冰晶的形态演变过程进行研究,在霜层成熟期观察到一种冰晶＂吞噬＂现象。冰晶在周围冰晶正常生长的同时发生升华,并且升华过程从温度较低的根部开始。在冰晶升华过程中,有可能于根部生长出新冰晶,最终被新冰晶取代。局部温度场和浓度场的相互作用是产生这些冰晶竞争现象的主要原因。