尚宇恒,白博峰,侯予,钟昕

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

液滴撞击固体过冷表面发生结冰现象广泛存在于各个领域,如航空发动机进气口及机翼发生结冰[1-3],高寒地区风机叶片结冰[4-5],冷涂喷层[6]等。因此,对于发展高效除冰技术以及基于冻结背景的工程应用,研究液滴动态撞击结冰机理具有重大意义。

液滴在固体壁面的动力学过程受液滴直径(D0)[7]、撞击速度(v0)[8-9]、液体表面张力(σ)[10]、黏性力(μ)[11]、密度(β)、壁面粗糙度[12]、壁面润湿性[13-14]、温度及压强[15-16]等诸多因素的影响。实验条件的改变会导致液滴动态行为发生巨大的变化。

目前,只有少量文献针对壁面过冷度对液滴铺展、回缩及结冰现象的影响展开研究。Yao等发现壁面温度对液滴铺展过程影响较小[18],而Maitra等则指出壁面温度降低导致的黏性增加会显著减弱液滴铺展程度[19],产生差异的主要原因是Yao等采用的常温液滴,而Maitra等则使用的过冷液滴。另一方面,随着壁面温度的降低,液滴底部会更早地发生结冰,从而阻碍液滴继续铺展。Jin等的研究结果表明由于回缩阶段耗时更久,壁面温度显著影响这一过程[20]。但是,无论液滴的尺寸,壁面的温度如何变化,目前大多数文献中的结冰形态均为中间成尖,其原因可能是近几十年来强调发展疏水及超疏水表面以抑制结冰程度。对于液滴撞击高疏水性表面而言,液滴与壁面的接触面积有限且液滴高度相对较大,从而限制了液滴与基板之间的换热强度,即使表面温度较低也难以改变最终结冰形态。……