霜层生长过程中的导热模型

在逾渗理论的基础上,对霜层的导热系数进行分析.现有研究表明由于冰晶体的不断生长,会形成不同的集团,当在霜层中形成大的连通集团的时候,霜层导热系数的上升速度会突然加快.在此基础上提出了基于逾渗理论的导热模型,并采用数值模拟的方法验证了上述过程.以临界点为分界线,分别导出了霜层生长过程中,不同孔隙率下的导热系数的通用数学表达式.与其他导热模型的结果比较表明,本模型更加符合实际,并且有较大的使用范围.     

霜层生长初期冰晶体分布状况实验研究

研究霜层的结构对于理解结霜现象有着重要的意义。利用自行研制的图像放大及采集系统，对霜层生长初期冰晶体的形态进行显微观测，得到了不同生长条件下冰晶体的图像。随后采用数字图像处理方法，将原图像转换为二值图。通过对图像的分析，发现霜层的生长初期冰晶体的分布与充分生长的霜层有所不同，此时霜层靠近冷表面固含率最大；随着高度的增长，固含率以近似线性的方式减小。实验还发现，对霜层生长初期影响最大的两个因素是冷表面的温度和空气的相对湿度。随着冷表面温度的降低，霜层的高度明显增长，冰晶体沉积量增加，而平均密度的变化则不明显；随着空气相对湿度的增加，霜层的高度、平均密度以及冰晶体总的沉积量都有所增加。空气温度对霜层生长的影响不明显。     

霜层冰晶体的生长模拟及其热导率的计算

目前对霜层热导率的研究中,大多把霜层看作均匀的结构,而实际上霜层的热导率不仅取决于密度,同时也受霜层结构的影响。本文分析了实验观察到的霜晶体结构,提出了不同阶段的霜层生长模型,并采用计算机方法模拟这个过程。以模拟所得的霜晶体结构为基础,对每个节点列出了能量平衡方程,进而求得了霜层的热导率。结果表明,这种模拟方法较准确地反映了霜层中晶体的生长过程,计算所得的热导率也反映出霜层不同生长阶段的特点。     

不同孔隙率下霜层导热系数的理论模型

本文对霜层的结构进行了分析,认为可以用霜柱一多孔模型来表示霜层的结构。在逾渗理论的基础上,对多孔部分的导热系数进行讨论。指出由于霜晶体的不断生长,在临界点会形成大的连通体,从而导热系数与高孔隙率下有着不同的规律。以临界孔隙率为分界线,分别导出了不同孔隙率下霜层导热系数的通用数学表达式。与其他模型的比较表明,本模型没有孔隙率范围的限制,同时也比较符合实际。     

霜层生长图像的数字化处理以及定量分析

分析实验获取的霜层显微图像,为建立霜层结构模型提供基础。首先采用小波变换的方法去除图像中的噪声,随后使用最大类间方差法求得了合适的门限值,对图像进行灰度级门限化分割,将原图像转换为二值图像。通过对二值图像的分析,可以得到霜层的高度、固含率、冰晶体沉积量以及冰晶体在不同高度的分布等参数。结果表明,数字图像处理技术是研究霜层生长初期冰晶体结构的一种可行手段。     

旋转式室温磁制冷回热器二维多孔介质模型仿真

在考虑了主动式回热器（AMR）中单元小格内磁热性工质粒径的不同和位置分布随机性的情况下,建立了室温磁制冷机关键零部件——AMR的二维多孔介质模型,并对系统进行数值模拟计算优化。与实验结果对比表明,该模型的计算温度曲线与实验结果温度曲线具有相同的发展趋势,个别区域存在一定的计算误差,但其在可以接受的范围内。通过分析冷却流体流量、AMR转速以及磁场强度对室温磁制冷机性能的影响,结果表明：当换热流体流量增加时,有助于抵消AMR中残留液体对于性能的影响;转速的增加减少了换热流体与磁工质的换热时间,对于制冷机的性能存在不利影响,但是这一影响在冷却流体流量较大时会变小;增加磁场强度有助于减轻残留液体对于制冷量的影响,系统性能也有明显的提升。在考虑了主动式回热器（AMR）中单元小格内磁热性工质粒径的不同和位置分布随机性的情况下,建立了室温磁制冷机关键零部件——AMR的二维多孔介质模型,并对系统进行数值模拟计算优化。与实验结果对比表明,该模型的计算温度曲线与实验结果温度曲线具有相同的发展趋势,个别区域存在一定的计算误差,但其在可以接受的范围内。通过分析冷却流体流量、AMR转速以及磁场强度对室温磁制冷机性能的影响,结果表明：当换热流体流量增加时,有助于抵消AMR中残留液体对于性能的影响;转速的增加减少了换热流体与磁工质的换热时间,对于制冷机的性能存在不利影响,但是这一影响在冷却流体流量较大时会变小;增加磁场强度有助于减轻残留液体对于制冷量的影响,系统性能也有明显的提升。     

Effects of different characteristic surfaces at initial stage of frost growth

The effects of surface energy on phase change of water vapor at initial stage of frost growth were studied to find an effective method of restraining frost growth. The mechanism of restraining frost growth by low energy surface (bigger contact angle) was analyzed based on crystal growth theory. Then, the phase change of water vapor and the process of frost growth on the copper and wax energy surfaces were observed using microscope. The results indicate that it is difficult for wax surface (low energy surface), on which there are still water droplets at 100 s, to form critical embryo, so frost growth can be restrained in a way. Water formation, droplet growth, ice formation and dendritic ice growth processes happen on both surfaces, ordinally. But the ice beads, with larger average diameter and sparse distribution on the wax surface, form later (at about 300 s) than that on the copper surface, and the dendritic ice also appears later. All of these support that ice crystal formation and dendritic crystal growth at initial stage of frost growth can be retarded on the low energy surface.