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...     

平面上固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流失稳现象

实验观察了水平加热基板上1cSt硅油液滴在固定接触角蒸发模式下的Marangoni对流失稳模式的演化规律,分析了接触角和基板温度对Marangoni对流不稳定性的影响。结果表明,随着基板温度的升高液滴内依次呈现热毛细对流、稳定的Bénard-Marangoni（BM）对流和不规则振荡的BM对流。对于稳定的BM对流,涡胞数随润湿半径的减小逐渐减少;当涡胞数少于5时,涡胞变为圆形;随着接触角的增大,由热毛细对流转捩为稳定的BM对流时的临界Marangoni数（Ma_c）增大;蒸发过程中,液滴内无量纲涡胞数随无量纲润湿半径的增大而线性增大,与接触角无关。     

平面上固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流失稳现象

实验观察了水平加热基板上1c St硅油液滴在固定接触角蒸发模式下的Marangoni对流失稳模式的演化规律,分析了接触角和基板温度对Marangoni对流不稳定性的影响。结果表明,随着基板温度的升高液滴内依次呈现热毛细对流、稳定的Bénard-Marangoni(BM)对流和不规则振荡的BM对流。对于稳定的BM对流,涡胞数随润湿半径的减小逐渐减少;当涡胞数少于5时,涡胞变为圆形;随着接触角的增大,由热毛细对流转捩为稳定的BM对流时的临界Marangoni数(Ma_c)增大;蒸发过程中,液滴内无量纲涡胞数随无量纲润湿半径的增大而线性增大,与接触角无关。     

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。     

超声波作用对液滴冷却冻结过程的影响

为了揭示超声波辅助冷却冻结过程中的热质传递机理,在声场理论和热质守恒的基础上,结合液滴冷却冻结过程,建立了超声波作用下液滴冷却冻结数学模型,分析了冷却冻结过程中超声波对液滴温度、液固界面、液滴直径的影响,揭示了冷却冻结过程中超声波空化效应导致传质引起的传热量与超声波热效应产热量的变化规律。结果表明:超声波空化效应强化了液滴表面的传质,有利于液滴的冷却冻结;对于不同频率和强度的超声波,存在合理的超声波加载时间;将超声波作用下液滴冻结过程中液固界面的模拟结果与实验结果进行了对比,二者吻合性好,最大误差10.6%,最小误差0.3%。     

磁补偿微重力环境实现及磁流体微重力内角流动研究

由于表面张力的作用,流体在微重力环境中沿一定夹角的内角壁面爬升过程与常重力状态不同。为了对微重力内角流动的物理过程进行研究,利用磁补偿方法搭建了常温磁流体微重力补偿实验台,实现了目标区域内纵向小于5%非均匀度的磁补偿微重力环境。并对不同重力条件下水基磁流体沿若干材料内角爬升过程进行了可视化实验研究,探究了微重力环境下流体与材料间的接触角以及内角角度对液体导流性能的影响以及毛细流动规律。结果表明,在满足Concus-Finn条件时,液面爬升高度和重力加速度近似呈反比关系。接触角和内角角度越小,流体输运能力越强,且重力水平越低,越为明显。当不满足Concus-Finn条件时,液面爬升高度和重力加速度近似呈线性关系,接触角和内角角度对流体输运能力的影响并不明显。     

超声波瞬间脱除冷表面冻结液滴的试验研究

试验研究了超声振荡对冷表面冻结液滴的影响。对施加频率20 kHz的超声振荡作用下冷平板上冻结液滴的脱除现象进行了可视化研究,记录了超声开启瞬间冻结液滴的脱落过程,分析了超声作用瞬间冷平板内部的温度变化规律,探讨了超声振荡瞬间脱除冻结液滴的机理。试验结果表明,超声作用瞬间冻结液滴脱离冷表面,且伴有弹开现象的发生,同时,平板内部出现温度阶跃。分析认为超声机械作用产生的剪切力以及空化作用产生的冲击力的联合作用是冻结液滴瞬间脱除的主要原因。结果表明,超声振荡能够瞬间脱除冷平板表面作为结霜基底的冻结液滴,是一种有效的除霜方法。     

基板温度对超疏水表面液滴蒸发影响

基于椭球模型,模拟了不同基板温度条件下超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴蒸发时间、接触角演变行为、液滴表面温度和蒸发速率等参量。结果表明:基板温度越高,液滴蒸发寿命越短,且蒸发时间随基板温度呈线性关系。液滴蒸发过程中,接触角随蒸发时间成非线性变化。因较大的高径比和较小的热扩散率,基板温度对液滴蒸发初始阶段影响较小。近接触线区域液滴表面温度梯度较大,其他区域温度梯度较小;且基板温度越高,除近接触线区域液滴表面温差越小,这说明蒸发冷却效应受到了抑制。同一体积条件下,基板温度越高,液滴蒸发速率越大,且蒸发速率随基板温度呈指数变化。     

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。     

乙醇水溶液单液滴碰撞热壁面的动态演化特性

乙醇添加剂能显著改变去离子水基液滴碰壁动态特性。本文设计并搭建了液滴碰壁动态演化及传热研究实验台,并就溶液表面张力、液滴韦伯数（We）、壁面温度等对液滴碰壁的特性影响进行了实验研究。结果表明乙醇添加剂能够有效增强液滴润湿特性,促进液滴的雾化和破碎现象,同时抑制液滴反弹能力。并且这一能力随着乙醇溶液浓度的增大而增强。润湿特性随着液滴We的增大呈现出先增强后发生反弹现象的趋势,乙醇添加剂能够有效地抑制这种反弹趋势,并使混合液滴继续发生铺展现象。壁面温度125℃时,当We由15增大到33时,水基液由铺展阶段过渡到反弹阶段,而添加乙醇使得液滴继续铺展,没有发生反弹现象。乙醇添加剂能够明显地提高液滴由铺展到反弹的临界转变温度（T_CHF）,扩大液滴核态沸腾对应的温度区域,延迟液滴进入过渡沸腾阶段。     

不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟

对冷水滴撞击不同表面时的动力学行为和相变过程进行了模拟。通过耦合VOF和Level-set方法追踪气液自由界面,结合焓-孔隙度相变模型,模拟水滴撞击冷表面的动力学行为及相变特征。选取亲水（接触角30°）、疏水（接触角114°）和超疏水（接触角163°）3种典型浸润性的表面,计算了多种壁温条件下的水滴撞击结冰过程。结果表明提高表面疏水性,将减小水滴与冷表面的接触时间和接触面积,降低水滴内的相变速率,延缓水滴结冰的时间。在表面温度高于-15℃时,超疏水表面可以避免冷水滴的冻结黏附,保持表面洁净。将模拟得到的最大铺展直径、回缩速率以及冻结情况,与已有实验结果进行对比验证,表明了模拟方法的有效性和准确性。     

A new method for the characterisation of the wettability of powders

The wetting characteristics of fine powders play an important role in a variety of processes. The most important way of characterising the wettability of a fluid/fluid/solid system is to measure the contact angle. This paper describes a relatively simple method for the determination of the contact angle on powdery materials. The technique involves the measurement of the dynamic contact angle which is formed when a liquid drop is placed on a horizontal porous surface. On the basis of the measured dynamic contact angle as a function of time an “apparent” static contact angle has been defined, which gives a measure of the wettability of porous solid systems by analogy with the wetting of non-porous solids. Determinations with glass beads and NaCl-powders as the test materials indicate that the measured value depends on the particle size of the powder, the porosity and the temperature. It was concluded that the capillary penetration of the liquid droplet into the porous media itself influences the wetting characteristics.     

超疏水表面太阳能加热金-水纳米流体液滴蒸发特性

实验研究了超疏水表面上太阳能加热金纳米流体液滴蒸发特性。用高速摄像机和红外摄像机同步触发记录了2 μl不同浓度金纳米流体液滴在超疏水表面的蒸发过程。通过一系列实验，观察对比不同浓度金纳米流体液滴蒸发过程中体积、接触角、接触直径、液滴表面温度以及蒸发速率等动态特性。结合水蒸气扩散模型以及红外温度图分析液滴在超疏水表面上的蒸发过程中蒸发通量变化以及表面温度变化等特性。发现不同浓度纳米流体液滴蒸发速率基本一致；超疏水表面上液滴蒸发以常接触角模式为主，后期呈现混合模式蒸发；液滴蒸发过程中，液滴上半部分蒸发通量大，致使液滴表面温度较低。     

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。     

太阳能加热液滴在亲疏水表面"黏-滑"蒸发

实验研究了亲水和疏水表面上太阳能加热去离子水及金纳米流体液滴三相接触线动力学。在亲水和疏水表面滴加2μL去离子水和纳米流体液滴,用一定功率太阳能模拟器照射液滴使其蒸发,期间采用高速摄像机实时记录液滴在不同表面上的蒸发过程。由MATLAB程序处理图像得到液滴在不同表面上蒸发过程中接触角和接触圆直径的动态变化过程。发现液滴接触线在不同亲疏水表面上存在不同运动特性。去离子水液滴在亲水表面上常接触面积模式和常接触角模式依次控制蒸发过程。去离子水液滴在疏水表面上都呈现出“黏-滑”蒸发特性,即液滴先以常接触面积模式蒸发,之后接触线快速滑动,接触线固定后再以常接触面积模式蒸发,依次往复。纳米流体液滴在亲水表面上主要以常接触面积蒸发模式为主,在疏水表面上同样呈现“黏-滑”蒸发特性。从液滴表面能角度出发,对液滴接触线“钉扎”和“去钉扎”过程进行详尽分析,得出基底润湿性和纳米颗粒沉积是影响液滴接触线在表面上运动的重要因素。     

An Experimental Method for Three-Dimensional Dynamic Contact Angle Analysis

Abstract

Droplet dynamics analysis concerns the measurements of droplet volume, cap and base areas and contact angles, as they change in time to study evaporation, wettability, adhesion and other surface phenomena and properties. In a typical procedure, the two-dimensional measurements are based on a series of images recorded at successive stages of the experiment from a single view. Only a few basic dimensions of sessile droplets are commonly measured from such images, while many other quantities of interest are derived utilizing geometrical relationships. The reliability of these calculations is limited by the necessary assumption that the droplet shape can be approximated as a spherical cap. In reality, the sessile droplet shapes are influenced by gravity, liquid surface tension, local surface anisotropy and microstructure, which often produce non-spherical cap shapes.

This paper describes an experimental methodology for determination of key parameters, such as volume and contact angle for dynamic sessile droplets that can be approximated either by spherical or ellipsoidal cap geometries. In this method, images collected simultaneously from three cameras positioned orthogonally to each other are used to record the dynamic behavior of non-spherical droplets. Droplet shape is approximated as an ellipsoid of arbitrary orientation with respect to the cameras, which allows determination of volume and contact angle along the base perimeter. A major advantage of this method is that the dynamic parameters of droplets on anisotropic surfaces can be determined even when the orientation of the axes changes throughout the droplet lifetime. The method is illustrated with experimental results for a spherical and an ellipsoidal droplet.     

疏水表面结霜初期液滴生长的理论分析

研究了自然对流条件下疏水表面结霜初期冷凝液滴的生长过程, 建立了考虑不凝气影响的液滴传热及生长模型, 分析了表面接触角和冷面温度对液滴生长的影响。结果表明, 液滴生长过程中的主要热阻为液滴内部导热热阻和相界面热阻, 随着表面接触角的增大, 这两个主要热阻均增大, 因此表面疏水性越好, 液滴生长越缓慢;而由于冷凝传热温差随冷面温度降低而增大, 因此冷面温度越低, 液滴生长越快。