超声波瞬间雾化结霜初始阶段液滴的可视化

介绍了一种超声波抑霜新方法。对频率20 kHz,功率50 W的超声波作用下铝表面液滴的动态行为进行了可视化观测。记录了超声开启瞬间液滴变形-铺展-雾化的全过程。试验结果发现,超声作用时,铝表面上的液滴首先产生剧烈扰动,继而变形、铺展。当液膜厚度减小到一临界值时,液滴瞬间雾化。超声机械作用产生的界面剪切力以及空化作用产生的高压冲击分别可能是诱发液滴变形和雾化的主要因素。结果初步表明,高频超声振动能够瞬间除去铝平板表面作为结霜初始阶段的液滴,为冷表面有效抑霜提供了可能。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测，对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性，同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明：与液滴撞击普通冷表面（温度-25~-5℃）发生瞬时冻结沉积相比，液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结，而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为；撞击速度越大，普通冷表面上液滴铺展因子越大，而且液滴越易冻结。液滴低速（We≤76）撞击超疏水冷表面会发生反弹现象，但速度对液滴最大铺展时间无影响；液滴高速（We≥115）撞击超疏水冷表面后会产生明显液指，而且破碎为多组卫星液滴。此外，冷表面温度仅影响液滴反弹高度，对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测,对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性,同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明:与液滴撞击普通冷表面(温度-25~-5℃)发生瞬时冻结沉积相比,液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结,而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为;撞击速度越大,普通冷表面上液滴铺展因子越大,而且液滴越易冻结。液滴低速(We≤76)撞击超疏水冷表面会发生反弹现象,但速度对液滴最大铺展时间无影响;液滴高速(We≥115)撞击超疏水冷表面后会产生明显液指,而且破碎为多组卫星液滴。此外,冷表面温度仅影响液滴反弹高度,对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

单液滴撞击冷板面的实验和模拟

用实验和模拟的方法研究了直径为3.2 mm的单个蒸馏水液滴与冷板面（温度低于273 K）撞击铺展和固化过程,分析了撞击高度（100、250、500 mm）、板面温度（253、268 K）、板面倾角（0°、30°和60°）对撞击过程的影响以及液滴在冷板面上冻结过程。并模拟了单个普鲁兰多糖溶液液滴在撞击高度为100 mm、板面温度为253 K的过程。结果表明,撞击高度与板面温度对液滴在水平冷板面的铺展过程起到重要作用,板面倾角会影响液滴撞击倾斜板面时的冷冻沉积。物料的黏度会影响液滴冷冻沉积时的铺展速率及铺展直径,而对于较高黏度物料,温度并不起决定作用。模拟和实验结果吻合较好,反映了液滴铺展冻结过程中的温度变化,有利于直观解释液滴发生冻结的状况。     

单液滴撞击冷板面的实验和模拟

用实验和模拟的方法研究了直径为3.2 mm的单个蒸馏水液滴与冷板面(温度低于273 K)撞击铺展和固化过程,分析了撞击高度(100、250、500 mm)、板面温度(253、268 K)、板面倾角(0°、30°和60°)对撞击过程的影响以及液滴在冷板面上冻结过程。并模拟了单个普鲁兰多糖溶液液滴在撞击高度为100 mm、板面温度为253 K的过程。结果表明,撞击高度与板面温度对液滴在水平冷板面的铺展过程起到重要作用,板面倾角会影响液滴撞击倾斜板面时的冷冻沉积。物料的黏度会影响液滴冷冻沉积时的铺展速率及铺展直径,而对于较高黏度物料,温度并不起决定作用。模拟和实验结果吻合较好,反映了液滴铺展冻结过程中的温度变化,有利于直观解释液滴发生冻结的状况。     

声场作用下含盐液滴冻结过程及组分迁移特性的研究

为了揭示超声波辅助冻结的内部作用机理，明确声场作用下相变冻结过程中的热质传递规律及组分迁移特性，根据声场理论分析了超声波的空化作用和热效应，并在冻结过程能质守恒的基础上建立了超声波作用下液滴相变冻结及盐分迁移数学模型，研究了超声波对液滴冻结过程中气泡状态和液滴温度的影响，分析了不同盐浓度下液滴冻结过程中固液界面、溶液比例、盐度及盐水残余率的变化规律。结果表明，超声波空化作用强化了界面处的热质传递，液滴温度下降较快，有利于液滴的冻结；液滴盐浓度越高，凝固界面的移动越慢，液滴直径为2 mm时，盐浓度5wt%时达到冻结点的时间为15 s，盐浓度8wt%时达到冻结点的时间为20 s；超声波作用下盐浓度越低，冻结过程中盐分迁移变化越剧烈。     

冻结液滴融化过程中的表面及界面演化特性分析

液滴在血浆储存、航空航天等技术领域广泛存在,而其机理研究主要集中在冻结阶段,对融化阶段的研究则相对较少。故此,本文通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同材料表面、不同基底温度下融化过程的动态表面及界面演化模式,总结了液滴表面扩散系数、高度系数、相界面偏离度等形态演化参数与相变时间之间的变化规律并对其展开分析。结果表明：冻结液滴存在3种不同的表界面演化模式;在熔融中后阶段,金属材料（纯铝板、镀锌板）表面冻结液滴的冰相区以颗粒群状分布态融化,冰晶结合度低,而高分子聚合物材料[有机玻璃（PMMA）及聚氯乙烯（PVC）试板]表面冻结液滴的冰相区呈块状分布态融化,冰晶结合度高;金属类材料表面冻结液滴的相变速率高于聚合物类材料表面冻结液滴的相变速率,金属表面相变时间在100s以内,而聚合物表面冻结液滴的相变时间在300s以内;金属表面最大扩散系数分布区间为0.950~1.021,聚合物表面最大扩散系数分布区间为1.000~1.076,温度高,则各类材料表面液滴的微观前驱膜移动受阻,液滴的表面润湿过程受阻;金属表面冻结液滴的高度系数及冰相高度变化率受冰相区变化影响,聚合物表面则主要受温度影响;温度升高会使热量传递过程不稳定,加剧聚合物表面冻结液滴偏离度位移的波动性。     

冻结液滴融化过程中的表面及界面演化特性分析

液滴在血浆储存、航空航天等技术领域广泛存在,而其机理研究主要集中在冻结阶段,对融化阶段的研究则相对较少。故此,本文通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同材料表面、不同基底温度下融化过程的动态表面及界面演化模式,总结了液滴表面扩散系数、高度系数、相界面偏离度等形态演化参数与相变时间之间的变化规律并对其展开分析。结果表明：冻结液滴存在3种不同的表界面演化模式;在熔融中后阶段,金属材料（纯铝板、镀锌板）表面冻结液滴的冰相区以颗粒群状分布态融化,冰晶结合度低,而高分子聚合物材料[有机玻璃（PMMA）及聚氯乙烯（PVC）试板]表面冻结液滴的冰相区呈块状分布态融化,冰晶结合度高;金属类材料表面冻结液滴的相变速率高于聚合物类材料表面冻结液滴的相变速率,金属表面相变时间在100s以内,而聚合物表面冻结液滴的相变时间在300s以内;金属表面最大扩散系数分布区间为0.950～1.021,聚合物表面最大扩散系数分布区间为1.000～1.076,温度高,则各类材料表面液滴的微观前驱膜移动受阻,液滴的表面润湿过程受阻;金属表面冻结液滴的高度系数及冰相高度变化率受冰相区变化影响,聚合物表面则主要受温度影响...     

超声波作用下液滴的冷却冻结规律

超声波液体辅助冻结在食品、海水淡化及冰蓄冷等方面的应用得到了广泛关注。结合声场理论,在对液滴界面处热质传递分析的基础上,建立了超声波作用下的液滴冷却冻结数学模型,讨论了不同超声波频率、强度及作用时间对液滴界面处热质传递的影响,得到了超声波作用下液滴的冷却冻结规律。结果表明:超声波作用下界面处的传质系数随着超声波强度的增加而增大,但随超声波频率的增加而减小;在液滴冷却冻结过程中,质量传递与热量传递的方向相同,液滴的冷却冻结在超声波作用下得到了强化。在超声波频率为20000 Hz(强度为400W?m-2),经过相同的时间(60 s),超声波作用下的液滴温度比无超声作用的温度低2.0~2.5℃。研究将有助于深入理解超声波辅助冷却冻结机理,并为其工程应用提供了指导和参考。     

超声波作用下液滴的冷却冻结规律

超声波液体辅助冻结在食品、海水淡化及冰蓄冷等方面的应用得到了广泛关注。结合声场理论,在对液滴界面处热质传递分析的基础上,建立了超声波作用下的液滴冷却冻结数学模型,讨论了不同超声波频率、强度及作用时间对液滴界面处热质传递的影响,得到了超声波作用下液滴的冷却冻结规律。结果表明：超声波作用下界面处的传质系数随着超声波强度的增加而增大,但随超声波频率的增加而减小;在液滴冷却冻结过程中,质量传递与热量传递的方向相同,液滴的冷却冻结在超声波作用下得到了强化。在超声波频率为20000 Hz（强度为400 W·m^-2）,经过相同的时间（60 s）,超声波作用下的液滴温度比无超声作用的温度低2.0~2.5℃。研究将有助于深入理解超声波辅助冷却冻结机理,并为其工程应用提供了指导和参考。     

固体表面温度对冻结液滴的相变过程与表面润湿特性的影响

通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同基底温度下于铝板表面融化过程的动态表面润湿特性,结合力学分析,总结了液滴润湿面积、体积、接触角等润湿参数与相变时间之间的变化规律。实验结果表明：液滴的润湿性主要受重力、表面张力、热毛细力的影响,重力对液滴的横向扩散促进作用、表面张力与热毛细力受底板温度影响具有抑制液滴润湿过程的作用;两种不同条件下,冻结液滴高度变化规律相同,随着融化的进行,液滴高度骤降,然后缓慢降低;不同冻结条件下,冻结液滴的润湿过程主要发生在融化初始阶段,重力促进液滴的润湿过程,液滴接触角处于65°～85°之间,而在润湿后阶段,接触角减小,重力的作用减弱,表面张力的作用增强,液滴的扩散进程受阻,体积下降的趋势也变缓;不同升温条件下,冻结液滴的润湿过程几乎没有发生,热毛细力与表面张力在润湿过程中占据主导性,随着基底温度的升高,液滴内部与三相线温差逐渐增大,Ma数呈增加的趋势,数值由1802增至22876,热毛细力始终抑制液滴的运动。     

Characteristics of Single Droplet Impact on Cold Plate Surfaces

Droplet collision with cold solid surfaces is a fundamental phenomenon observed in low-temperature processes. In this work, a single droplet impacting on a cold surface was investigated by analyzing changes in droplet shape and dimensions recorded with a high-speed camera. At low surface temperatures (?5°C and ?10°C), the droplet spreads in a very short period upon impact and then retracts, but to a diameter larger than that at room temperature, dependent on surface material property and texture. Higher impact velocity expands the spreading diameter and promotes the retraction to an extent, but at lower surface temperature (i.e., ?20°C) the droplet is quickly frozen with smaller change in diameter on the stainless-steel surface rather than on the Teflon plate. The change of droplet shape upon impacting on a 30° inclined surface was also studied. The surface texture of the stainless-steel plate produced by the polishing process has an obvious effect on the droplet dimension retraction. A proper selection of wall material and process conditions can alleviate or prevent wall deposition.     

电场作用下基面液滴蒸发与内部流动数值模拟

为探究电场强化基面液滴蒸发的原理,本文采用有限元方法,对外加电场作用下的固体基面上液滴的蒸发过程进行了数值模拟,对比了不同电导率液滴的蒸发过程,分析了电场、液滴蒸发速率和内部流动的影响及其成因,以及液滴在电场作用下的内部流动与液滴传热传质的关系,结果表明,电场力的作用能够显著强化液滴内部的流动,对液滴的传热传质具有促进作用。此外,本文分析了温度对电场下基面液滴蒸发及内部流动的影响,发现温度对电场、液滴内部流动及蒸发的强化作用也有着较为明显的影响：对于电导率较低的纯水液滴,当电场强度低于和高于临界值6kV/cm时,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响有所不同;对于电导率较高的盐酸液滴,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响随电场强度升高均较大。本文为发展高效静电喷雾冷却技术提供了研究基础。     

Experimental investigation of ultrasonic-vibration polishing of K9 optical glass based on ultrasonic atomization

K9 optical glass has an important position in the field of optical material because of its excellent chemical stability and optical projection. The hard and brittle characteristics of K9 optical glass make conventional processing difficult and time-consuming. A non-conventional hybrid polishing system combining ultrasonic atomization (UA) spraying method and axial ultrasonic vibration was developed for processing K9 optical glass. This system utilizes the high-frequency vibration characteristics of ultrasonic vibration technology: On the one hand, the ultrasonic atomization spraying method is used to generate evenly distributed atomized droplets for polishing, on the other hand, the axial ultrasonic vibration of the polishing tool provides impact kinetic energy for the free abrasive particles. Mechanical polishing (MP), ultrasonic-assisted polishing (UVP), mechanical polishing under ultrasonic atomization spraying (UA-MP) and ultrasonic vibration polishing under ultrasonic atomization spraying (UA-UVP) were carried out on K9 optical glass. The material removal rate (MRR), material removal depth (MRD), surface quality and surface micromorphology of the polished workpieces were also analyzed and compared. The experimental results showed that the best surface was obtained at UA-UVP (A_Ⅰ = 9 μm) with MRR of 0.0994 mm³/min, material removal depth of 26.816 μm, the Ra and Sa values were 0.028 μm and 0.033 μm respectively. Meanwhile, no obvious pits and scratches were observed on the micromorphological surface. Ultrasonic atomization contributes to even material removal from the polished surface and axial ultrasonic vibration of the polishing tool has a significant effect in improving the polishing characteristics, which provides the experimental basis for applying ultrasonic vibration technology in polishing.     

壁面曲率及过冷度对液滴铺展特性的影响

从覆冰类型及危害来看,雨凇对于导线产生的危害是最为严重和致命的。液滴撞击壁面的动力学特性对于相变凝固过程中的热质传递有重要影响,进而影响导线覆冰的特性。通过对比液滴撞击常温及过冷弯曲壁面过程中的液滴行为演变的异同,获得了表面过冷度和曲率大小对液滴铺展行为的影响规律。实验结果表明,随着圆柱曲面曲率的增加,周向上液膜铺展更好,轴向上液膜铺展更差。对于低温壁面上液滴的铺展过程,增加表面的过冷度,液滴的铺展更差,液滴振荡弛豫时间更短,表层液膜结冰速率加快。然而,低温壁面上液滴的铺展好于常温壁面上液滴的铺展,通过分析温度对液滴表面张力和黏性的影响规律,推论在铺展过程中,较低的壁面温度使得液滴底层快速形成了一层冰膜,改变了液固之间的界面能,使得液滴更易于铺展。在液滴回缩阶段,可明显观察到底层结冰的现象。该结论可为导线雨凇结冰提供理论参考。     

真空制冰过程中水滴动态特性

为研究真空制冰水滴温度影响因素并进行分析,搭建了真空制冰动态特性研究实验台,进行相关实验,采集了相关图像和实验数据。对采集的图像进行了定性分析。采集的实验数据主要是在不同环境温度、环境压力、供水水温、水质、粒径及水滴下落初速度等情况下水滴温度随时间的变化情况,并与模拟计算值一并进行了对比分析。分析得出环境温度、供水水温、下落初速度对其影响较小,而环境压力、水滴粒径对其影响较为明显,供水水质对其影响比较特殊,主要表现在液滴的最大过冷度上。