冷表面上結(jié)霜現(xiàn)象的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文冷表面上結(jié)霜現(xiàn)象的理論與實(shí)驗(yàn)研究姓名：王皆騰申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：熱能工程指導(dǎo)教師：劉中良20080501北京T業(yè)大學(xué)丁L學(xué)博七學(xué)位論文而是以過冷態(tài)繼續(xù)保持液態(tài)的形式，只有達(dá)到一定的過冷度且經(jīng)過一定的過冷時(shí)問后才能發(fā)生明顯相變。凍結(jié)時(shí)水滴的透明性喪失與水滴溫度迅速回升至三相點(diǎn)附近這一過程同時(shí)發(fā)生。黏附于熱電偶上并置于冷空氣中的水滴凍結(jié)前最大過冷度可達(dá)到了一17。C，凍結(jié)會使水滴向溫度較高的地方凸起。冷銅表面上水

2、滴相變前的最低溫度約為一5～一10。C，水滴凍結(jié)時(shí)底表面形狀不發(fā)生變化，而在垂直于底表面方向上發(fā)生明顯生長，水滴凍結(jié)末期在水滴頂部形成明顯的乳狀凸起，呈一個(gè)類似桃子尖部的形狀，其根本原因是由于凍結(jié)時(shí)的體積膨脹和凹形的等溫面共同作用所致。建立了基于相變動力學(xué)的描述水滴凍結(jié)過程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬該模型綜合相變動力學(xué)、傳熱學(xué)理論，首次將化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論引入水滴凍結(jié)的相變過程，建立了水滴凍結(jié)的相變動力學(xué)模型，不僅可以描述水滴的凍結(jié)，而

3、且能夠描述冷表面上水滴凍結(jié)時(shí)伴隨的形狀變化。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合。以模擬結(jié)果為基礎(chǔ)研究了水滴凍結(jié)后的表面曲率。實(shí)驗(yàn)研究了霜晶體初始階段的生長規(guī)律以及冷表面溫度和空氣濕度的影響，觀察發(fā)現(xiàn)所謂的柱狀生長實(shí)際上是水滴凍結(jié)時(shí)所形成的凸起上的霜晶生長，低倍顯微鏡下觀察其外形類似一個(gè)冰柱本文從霜層的基本單元——霜晶體著手，研究霜的生長規(guī)律，分析了不同形態(tài)霜晶體的成因，通過實(shí)驗(yàn)測定了不同條件下單個(gè)霜晶體的尖端生長速度，由于凍結(jié)水滴凸起處具有很大

4、的表面曲率，因此在霜生長初期，這一位置上霜晶體生長速度明顯快于其它位置，從而在該處形成一個(gè)冰柱。通過詳盡的實(shí)驗(yàn)觀察、深入的相變動力學(xué)分析及凍結(jié)水滴表面的曲率變化，證實(shí)造成這一現(xiàn)象的原因是表面凸起的尺寸非常小，接近成核的臨界尺寸，使得這一表面凸起成為事實(shí)上的核化中心，從而大大降低了相變能量勢壘，冷表面其它位置也有細(xì)小的冰柱產(chǎn)生，只是其大小遠(yuǎn)小于水滴頂部。建立了霜晶體生長的相場法模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬本文以液／固晶體生長的相場法理論為基礎(chǔ)，適