冷表面上結(jié)霜現(xiàn)象的理論與實驗研究.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)象的理論與實驗研究姓名：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)過一定的過冷時問后才能發(fā)生明顯相變。凍結(jié)時水滴的透明性喪失與水滴溫度迅速回升至三相點附近這一過程同時發(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，呈一個類似桃子尖部的形狀，其根本原因是由于凍結(jié)時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)時伴隨的形狀變化。模擬結(jié)果與實驗結(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。實驗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)所謂的柱狀生長實際上是水滴凍結(jié)時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，通過實驗測定了不同條件下單個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冰柱。通過詳盡的實驗觀察、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