為了研究液滴凍結(jié)過程中液滴內(nèi)部固-液相界面的動態(tài)變化特性以及液滴形變的變化規(guī)律，基于液滴凍結(jié)可視化實驗平臺，對冷銅表面液滴凍結(jié)過程進(jìn)行了可視化實驗研究，分析了不同冷表面預(yù)設(shè)溫度下液滴過冷度和液滴凍結(jié)時間的變化規(guī)律以及液滴體積對液滴凍結(jié)時間的影響。實驗結(jié)果表明:在液滴凍結(jié)過程中，液滴內(nèi)部固-液相界面呈現(xiàn)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(jié)后會在其頂部形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)前期固-液相界面的推移速度較快，凍結(jié)速度較快，隨著時間的推移，固-液相界面的推移速度逐漸減小，致使凍結(jié)速度減小;隨著冷表面溫度的降低，液滴凍結(jié)所需要的過冷度不斷增加。研究發(fā)現(xiàn)了臨界過冷度的存在，約為-12℃，適當(dāng)增加液滴的臨界過冷度可延緩其凍結(jié)過程。液滴凍結(jié)時間主要取決于液滴過冷時間，液滴過冷時間受冷表面溫度的影響較大;液滴體積對液滴過冷時間的影響并不是單調(diào)的。

液滴凍結(jié)過程的演變規(guī)律

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

根據(jù)晶體生長理論可知，晶體的生長過程實際上就是晶體-流體界面向流體中的推進(jìn)過程，可以看作是固-液相界面向液相區(qū)中推進(jìn)的過程，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(jié)過程如圖1所示。隨著固-液相界面的推進(jìn)，液相區(qū)的質(zhì)量不斷減小，相變過程中密度變化引起體積增大的效果在未凍結(jié)的液相區(qū)不斷累積，導(dǎo)致液滴發(fā)生變形，最終在液滴頂部形成一個明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)過程中，早期液滴形狀的變化僅體現(xiàn)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(jié)的演變過程

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

圖2液滴凍結(jié)過程中的形狀變化過程

圖3液滴固相體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化曲線

為探究液滴凍結(jié)過程所遵循的動力學(xué)規(guī)律，即固-液相界面推進(jìn)的動力學(xué)規(guī)律，擬采用固相體積分?jǐn)?shù)的變化來模擬固-液相界面的推進(jìn)過程。為了便于液滴固相體積分?jǐn)?shù)的計算，假定液滴始終保持半球狀，通過測量液滴的高度和寬度來確定液滴不同時刻時的固相體積分?jǐn)?shù)，液滴固相體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化曲線如圖3所示。在不同冷表面(預(yù)設(shè))溫度的條件下，伴隨著液滴的凍結(jié)，初期固相體積分?jǐn)?shù)增長迅速，幾乎呈現(xiàn)線性增長趨勢，但隨著時間的推移，增長速率逐漸變緩;通過縱向?qū)Ρ瓤芍?，冷表?預(yù)設(shè))溫度越低，固相體積分?jǐn)?shù)的增長速率越快，液滴凍結(jié)所需的時間越短。液滴凍結(jié)初期固-液相界面推進(jìn)速度較快一方面是因為銅板的導(dǎo)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，但是隨著時間的推移，冰晶的形成在增加了傳熱熱阻的同時也減小了液相與低溫固相的接觸面積，導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差，固-液相界面推進(jìn)速度減慢。隨著冷表面(預(yù)設(shè))溫度的降低，固-液相界面的推進(jìn)速度增加，液滴的凍結(jié)時間縮短。這是由于冷表面與過冷液滴之間的溫差增大，液滴單位時間內(nèi)的換熱量增加，導(dǎo)致固-液相界面推進(jìn)速度增加，液滴凍結(jié)時間縮短。

基于液滴凍結(jié)可視化實驗平臺，本文對冷銅表面液滴的凍結(jié)過程進(jìn)行了可視化實驗研究，利用固相體積分?jǐn)?shù)的變化來描述液滴凍結(jié)的演變過程，獲得了液滴內(nèi)部固-液相界面的動態(tài)變化特性和液滴形變的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上分析了液滴過冷度和液滴凍結(jié)時間的變化規(guī)律。得到如下主要結(jié)論。

液滴凍結(jié)過程中，液滴內(nèi)部固-液相界面呈現(xiàn)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(xiàn)為液滴高度的增加，在表面張力的作用下，液滴頂部會形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結(jié)前期，凍結(jié)速度較快，而后隨著時間的推移凍結(jié)速度逐漸減小;冷表面溫度越低，液滴凍結(jié)越快。