為了研究液滴凍結過(guò)程中液滴內部固-液相界面的動(dòng)態(tài)變化特性以及液滴形變的變化規律，基于液滴凍結可視化實(shí)驗平臺，對冷銅表面液滴凍結過(guò)程進(jìn)行了可視化實(shí)驗研究，分析了不同冷表面預設溫度下液滴過(guò)冷度和液滴凍結時(shí)間的變化規律以及液滴體積對液滴凍結時(shí)間的影響。實(shí)驗結果表明:在液滴凍結過(guò)程中，液滴內部固-液相界面呈現出凹界面特性;在表面張力和固-液相界面的凹面特性的共同作用下，液滴完全凍結后會(huì )在其頂部形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結前期固-液相界面的推移速度較快，凍結速度較快，隨著(zhù)時(shí)間的推移，固-液相界面的推移速度逐漸減小，致使凍結速度減小;隨著(zhù)冷表面溫度的降低，液滴凍結所需要的過(guò)冷度不斷增加。研究發(fā)現了臨界過(guò)冷度的存在，約為-12℃，適當增加液滴的臨界過(guò)冷度可延緩其凍結過(guò)程。液滴凍結時(shí)間主要取決于液滴過(guò)冷時(shí)間，液滴過(guò)冷時(shí)間受冷表面溫度的影響較大;液滴體積對液滴過(guò)冷時(shí)間的影響并不是單調的。

液滴凍結過(guò)程的演變規律

選取的實(shí)驗工況為:空氣溫度Ta=15.0℃，空氣相對濕度φ=40.0%，空氣流速u(mài)=0.650 m●S—1，液滴體積V=15.0μL，冷表面(預設)溫度Tw=—29.5℃。

根據晶體生長(cháng)理論可知，晶體的生長(cháng)過(guò)程實(shí)際上就是晶體-流體界面向流體中的推進(jìn)過(guò)程，可以看作是固-液相界面向液相區中推進(jìn)的過(guò)程，固-液相界面并不是平坦的界面，而是具有一定弧度的凹界面。冷表面液滴的凍結過(guò)程如圖1所示。隨著(zhù)固-液相界面的推進(jìn)，液相區的質(zhì)量不斷減小，相變過(guò)程中密度變化引起體積增大的效果在未凍結的液相區不斷累積，導致液滴發(fā)生變形，最終在液滴頂部形成一個(gè)明顯的乳狀凸起;液滴凍結過(guò)程中，早期液滴形狀的變化僅體現在高度方向上，而整體仍保持為半球形，如圖2所示。

圖1冷表面液滴凍結的演變過(guò)程

關(guān)于液滴在凍結完成后頂部形成乳狀凸起的現象，王皆騰等認為固-液相界面是因為液滴的形狀而呈現出凹曲面的分布特性，而且液滴兩側的凍結速度大于中心區域，這導致液滴的變形出現在液滴頂部。根據晶體生長(cháng)理論，從界面張力的角度出發(fā)，彎曲界面上的界面張力將導致垂直于界面的附加力的出現，使得彎曲界面兩側的壓強不等，即產(chǎn)生界面壓強。這意味著(zhù)界面張力有使界面面積縮小的傾向，凹曲面會(huì )產(chǎn)生向上的附加壓強，促進(jìn)固-液相界面向上的推移過(guò)程，固-液界面為凹面時(shí)比平面更加有利于液滴的凝固。由于固-液相界面為凹曲面，在其向上的推移過(guò)程中，密度變化引起體積膨脹的效果會(huì )在液滴上部液相區不斷累積，表現為液滴高度的增加，最終在表面張力的作用下，液滴頂部會(huì )形成明顯的乳狀凸起，如圖2所示。

圖2液滴凍結過(guò)程中的形狀變化過(guò)程

圖3液滴固相體積分數隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

為探究液滴凍結過(guò)程所遵循的動(dòng)力學(xué)規律，即固-液相界面推進(jìn)的動(dòng)力學(xué)規律，擬采用固相體積分數的變化來(lái)模擬固-液相界面的推進(jìn)過(guò)程。為了便于液滴固相體積分數的計算，假定液滴始終保持半球狀，通過(guò)測量液滴的高度和寬度來(lái)確定液滴不同時(shí)刻時(shí)的固相體積分數，液滴固相體積分數隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3所示。在不同冷表面(預設)溫度的條件下，伴隨著(zhù)液滴的凍結，初期固相體積分數增長(cháng)迅速，幾乎呈現線(xiàn)性增長(cháng)趨勢，但隨著(zhù)時(shí)間的推移，增長(cháng)速率逐漸變緩;通過(guò)縱向對比可知，冷表面(預設)溫度越低，固相體積分數的增長(cháng)速率越快，液滴凍結所需的時(shí)間越短。液滴凍結初期固-液相界面推進(jìn)速度較快一方面是因為銅板的導熱熱阻較小，另一方面則是由于液滴與銅板的接觸面積相對較大，但是隨著(zhù)時(shí)間的推移，冰晶的形成在增加了傳熱熱阻的同時(shí)也減小了液相與低溫固相的接觸面積，導致?lián)Q熱效果變差，固-液相界面推進(jìn)速度減慢。隨著(zhù)冷表面(預設)溫度的降低，固-液相界面的推進(jìn)速度增加，液滴的凍結時(shí)間縮短。這是由于冷表面與過(guò)冷液滴之間的溫差增大，液滴單位時(shí)間內的換熱量增加，導致固-液相界面推進(jìn)速度增加，液滴凍結時(shí)間縮短。

基于液滴凍結可視化實(shí)驗平臺，本文對冷銅表面液滴的凍結過(guò)程進(jìn)行了可視化實(shí)驗研究，利用固相體積分數的變化來(lái)描述液滴凍結的演變過(guò)程，獲得了液滴內部固-液相界面的動(dòng)態(tài)變化特性和液滴形變的變化規律，并在此基礎上分析了液滴過(guò)冷度和液滴凍結時(shí)間的變化規律。得到如下主要結論。

液滴凍結過(guò)程中，液滴內部固-液相界面呈現凹界面特性。由于凹界面的存在，液滴密度變化引起的膨脹變形體現為液滴高度的增加，在表面張力的作用下，液滴頂部會(huì )形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結前期，凍結速度較快，而后隨著(zhù)時(shí)間的推移凍結速度逐漸減小;冷表面溫度越低，液滴凍結越快。