超聲波對冷表面霜層生長及凍結(jié)液滴脫除影響的試驗研究.pdf

1、結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于各種航空航天飛行器表面以及制冷空調(diào)系統(tǒng)的換熱器表面。霜層的形成嚴(yán)重影響飛行器飛行安全以及制冷空調(diào)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。因此，探求可靠有效的抑霜以及除霜方法無疑具有重要的工程應(yīng)用價值。
　　目前，國內(nèi)外針對抑/除霜方面的研究主要通過改變冷表面的表面特性，如添加各種親水或疏水表面涂層抑制結(jié)霜，亦有部分文獻(xiàn)研究外加電場對結(jié)霜的影響。這些方法雖然在很大程度上延緩了霜的形成，但并沒有從根本上解決結(jié)霜的問題。因此，尋求更加有效的

2、抑/除霜方法成為國內(nèi)外研究的重點。
　　近年來，超聲波以其頻率高、波長短，傳播方向性強，能量集中的特點在制冷與暖通空調(diào)領(lǐng)域已取得廣泛應(yīng)用，如霧化加濕、換熱器除垢、工業(yè)除塵等。而超聲波在抑/除霜方面的研究幾乎是一個空白。因此，本文嘗試將超聲波引入冷表面抑霜、除霜領(lǐng)域，應(yīng)用超聲波動學(xué)、相變動力學(xué)、熱力學(xué)、界面科學(xué)等相關(guān)理論，系統(tǒng)研究了超聲波對冷表面霜層生長的影響，同時對超聲波去除表面液滴以及凍結(jié)液滴的可行性進(jìn)行了探索性研究。概括起來，

3、本論文主要研究內(nèi)容以及結(jié)論如下:
　　(1)開展了冷表面霜層生長過程的微觀可視化研究，對典型工況下冷表面霜層生長過程進(jìn)行了詳細(xì)觀測。根據(jù)觀測結(jié)果對冷表面霜層生長過程進(jìn)行了有效劃分。從觀測結(jié)果可知，冷表面霜層生長過程可分為初始冷凝液滴形成，冷凝液滴凍結(jié)以及初始霜晶形成，霜層生長，霜層充分生長四個階段。并從相變動力學(xué)的角度對冷表而霜層生長的特點進(jìn)行了理論分析。分析表明，濕空氣中水蒸氣過飽和度越大，相變驅(qū)動力越大，發(fā)生氣液相變，形成活化

4、液核的可能性越大。結(jié)果有助于針對結(jié)霜過程不同階段的特點，結(jié)合超聲波的作用機制，制定有效的超聲波抑、除霜策略。
　　(2)開展了超聲波抑制冷表面霜層生長的顯微可視化研究。采用超聲波與冷平板非接觸的方式，對有無超聲波作用的不同冷表面溫度下結(jié)霜初始冷凝液滴形成、凍結(jié)的形態(tài)以及分布進(jìn)行了對比分析。對超聲波作用對冷表面液滴的凍結(jié)以及后續(xù)凍結(jié)液滴表面霜晶生長的影響進(jìn)行了探索。同時，對有無超聲波作用下冷表而霜層厚度、結(jié)構(gòu)以及分布進(jìn)行了對比可視化

5、觀測。此外，從降低濕空氣過飽和度的角度分析了超聲波與冷平極非接觸條件下超聲波抑霜的作用機理。研究結(jié)果表明，超聲波作用下，結(jié)霜初始冷凝液滴生長緩慢，凍結(jié)后的形態(tài)規(guī)整且接近圓形，凍結(jié)液滴分布較無超聲波作用下明顯稀疏。超聲波作用下霜層生長厚度平均僅為在相同條件下未加超聲波作用時霜層厚度的28％，形成的霜層致密，霜層表面相對平坦光滑，霜層分布相對規(guī)則，沿著超聲波傳播的方向形成“霜線”形狀的霜層結(jié)構(gòu)。同時指出超聲波通過減小濕空氣中水蒸氣的過飽和度

6、，影響濕空氣在冷表面的沉降，從而降低成核速率，有效抑制霜層生長。
　　(3)開展了超聲波去除冷表面熱力除霜后殘留液滴的可行性研究。針對冷表面熱力除霜后存在殘留液滴的特點，采用快速攝像手段，對施加頻率20kHz超聲波作用下豎直以及水平鋁平板表面附著液滴的動態(tài)行為進(jìn)行了可視化觀測，記錄了超聲波作用瞬間表面附著液滴霧化消失的全過程，同時對超聲波去除鋁表面附著液滴的作用機理進(jìn)行了探討。此外，對不同超聲輸入功率以及作用時間對鋁表面附著液滴去

7、除概率的統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:超聲波作用瞬間，可實現(xiàn)鋁表面附著液滴的霧化，液滴從附著表面瞬間去除。超聲機械作用產(chǎn)生的界面剪切力以及超聲空化作用產(chǎn)生的瞬時高壓沖擊分別可能是產(chǎn)生液滴動力變形以及液滴破碎霧化的主要因素。此外，隨著超聲輸入功率的增加，鋁表面液滴霧化概率逐漸增加。功率越低，超聲作用時間對液滴去除概率的影響越顯著。研究發(fā)現(xiàn)，超聲輸入功率以及超聲作用時間的有效組合下，水平鋁表面附著液滴的去除概率均能達(dá)到80％以上。試驗結(jié)

8、果驗證了外加超聲作用去除金屬壁面附著液滴的可行性，為超聲波有效應(yīng)用于熱力除霜后表面殘留液滴的去除提供了可能。
　　(4)開展了超聲波脫除冷表面凍結(jié)液滴的可行性研究。針對冷表面熱力除霜后表面存在殘留液滴，易于形成二次凍結(jié)液滴的特點，采用快速攝像手段，對施加20kHz超聲波作用下冷平板表面凍結(jié)液滴的動態(tài)演化行為進(jìn)行了可視化觀測，分析了超聲作用瞬間冷平板內(nèi)部溫度變化規(guī)律，探討了超聲波脫除冷平板表面凍結(jié)液滴的作用機理。同時，量化分析了不同

9、超聲功率對冷表面凍結(jié)液滴脫除效果的影響，探討了凍結(jié)液滴大小，凍結(jié)時間等因素對冷表面凍結(jié)液滴脫除的作用。研究表明，超聲波作用下，凍結(jié)液滴可以瞬間脫離冷表面并伴有彈開以及破碎現(xiàn)象。平板內(nèi)部存在溫度階躍。超聲機械作用產(chǎn)生的界面剪切力以及聲壓效應(yīng)產(chǎn)生的高壓沖擊力的聯(lián)合作用是凍結(jié)液滴瞬間脫除的主要原因。隨著超聲輸入功率的增加，冷壁面凍結(jié)液滴脫除概率逐漸增加。凍結(jié)液滴粒徑越大，超聲脫除冷表面凍結(jié)液滴所需功率越小。液滴凍結(jié)時間越長，液滴脫除所需超聲功

10、率越大。通過調(diào)整超聲功率均可使冷表面凍結(jié)液滴的脫除概率達(dá)到70％以上。結(jié)果表明，高頻超聲振動能夠瞬間脫除冷平板表面的凍結(jié)液滴，為超聲波有效應(yīng)用于冷表面凍結(jié)液滴的去除提供了數(shù)據(jù)支撐。
　　本文系統(tǒng)研究了超聲波對冷表面霜層生長過程的影響，同時對超聲波去除表面液滴以及凍結(jié)液滴的可行性進(jìn)行了探索性研究。驗證了超聲波抑制霜層生長，去除表面附著液滴以及凍結(jié)液滴的可行性，揭示了超聲波抑制霜層生長，去除表而液滴以及凍結(jié)液滴的作用機理以及影響機制。