鋁合金壁面液滴融化特性研究

危金卓 李虎林 楊夢雅 聶鋒錕 張弛 管婷

鋁合金壁面液滴融化特性研究

危金卓 李虎林 楊夢雅 聶鋒錕 張弛 管婷

（中國民航大學 300000）

本文利用微距攝像裝置研究了半球狀冰滴在不同傾角（0°、15°、30°、45°、60°、70°、90°）的金屬面上融化與滑移過程，對比分析冰滴融化時間、冰滴鋪展直徑、冰滴接觸角、冰滴滑移位移等相關參數得到了部分冰滴融化過程中的相關規律。實驗結果表明：在鋁合金壁面上冰滴未發生滑移時，冰滴鋪展直徑變化量與冰滴滑移速度隨傾角增加而增大，冰滴鋪展直徑變化量在斜面傾角為β0時達到最大，同時冰滴在斜面傾角β≥β1時開始出現較為明顯的滑移形象，其中β0與β1的取值區間均為[45°，60°]；冰滴融化過程中接觸角的大小與冰塊融化速率、冰滴所處表面傾角有關，冰塊融化速率越快、冰滴所處表面傾角越大接觸角變化率越大，該接觸面下冰滴接觸角始終小于 90°。

微距攝影；融化；傾角；鋪展；滑移

1 引言

結冰現象是一種不可避免的自然現象，它給許多領域帶來巨大的危害同時也給國家造成巨大經濟的損失。特別是飛機結冰問題，嚴重影響民航運輸的安全。目前，國內外各研究機構對水滴在冷表面上結冰的相關問題進行了大量的實驗研究[1～2]，并取得了一定成果，這些成果為輔助工程技術人員開發更為有效的抑冰方法和技術手段提供了實驗基礎和參考依據。但水的凍結過程中受到多因素的影響，同時空氣中水滴體積小且在低溫條件下的凍結速度極快不易于實驗觀察研究[3]，所以目前仍未形成一套較為有效的抑冰化冰方案。

針對結冰問題，主要解決方法是抑冰和化冰；對于冰滴融化過程的研究較少。本文利用微距攝像裝置研究冰滴（本文中冰滴指的是融化過程中由液滴結冰形成的冰水混合物）在不同傾角的光滑鋁合金表面融化與滑移過程，對比分析相關參數得到了部分冰滴融化過程中的相關規律，為工程上解決飛機結冰化冰問題提供一定的實驗基礎和參考依據。

2 實驗裝置與方法

實驗裝置分為兩部分，圖1所示為液滴制冷裝置，主要包括流變儀制冷臺、鐵架臺、產生液滴移液槍和平頭針管、光滑的鋁合金試片（試片厚度為2mm，長為6cm，寬為3cm）；圖2所示為冰滴融化瞬態圖像抓拍裝置，主要包括微距攝像機、（帶有距離標度）、記錄并存儲圖像結果的計算機等。調節圖2中恒溫箱溫度至20℃，待其內部溫度穩定后，按圖1，將鋁合金試片置于流變儀制冷臺上，控制制冷溫度為-25℃，通過控制移液槍，移取體積為0.2ml蒸餾水使之緩慢流出并在針尖處形成液滴（針尖試片表面距離為1cm），由于重力作用液滴自然下落至低溫光滑鋁合金壁面并迅速結冰形成半球形冰滴；對液滴持續制冷5min，隨后迅速將其移出至圖2的銅基體斜塊上，調整氙燈與燈光擴散器直至最好拍攝狀態，通過微距攝像機連續拍攝冰滴融化與滑移過程。

圖1 液滴制冷裝置

圖2 冰滴融化圖像微距拍攝裝置圖

本實驗采用不同傾角的銅基體改變冰滴在融化與滑移過程中所處的角度，設置有 0°、15°、30°、45°、60°、70°、90°等 7 個不同角度的實驗組別。采用背光法拍攝冰滴融化與滑移過程，使用計算機以銅基體的距離標度測量冰滴融化與滑移過程中鋪展直徑、滑移距離、接觸角等參數。

3 實驗結果及分析

通過對圖片進行還原處理測定液滴接觸角θ，液滴處于不同角度位置時以下滑移點接觸角作為研究對象，接觸角計量方法見圖3，圖4～5分別為冰滴在不同傾角下鋪展直徑d隨時間變化圖以及冰滴上側點位移-時間圖，從圖4，冰滴在傾角為0°和15°時鋪展直徑的d變化較小，當傾角增大至30°以后冰滴鋪展直徑d明顯增大，在45°傾角時冰滴鋪展直徑變化量達到最大為3.8052mm，結合圖3，當冰滴處于豎直面時由于重力作用最為顯著冰滴較早發生明顯的滑移，從圖5冰滴在60°隨著傾角增大冰滴滑移速度隨之增加；冰滴滑移速度隨接觸面傾角增加而增大，在光滑鋁合金試片上，冰滴鋪展直徑變化量在斜面傾角為β0時達到最大，同時冰滴在斜面傾角β≥β1時開始出現較為明顯的滑移形象，其中β0與β1的取值區間均為[45°，60°]。

圖3 接觸角θ計量方法圖

圖4 冰滴在不同傾角下鋪展直徑d隨時間變化

圖5 冰滴在不同傾角下上側點位移-時間

4 結論

（1）在光滑鋁合金壁面上，冰滴未發生滑移時，冰滴鋪展直徑變化量與冰滴滑移速度隨傾角增加而增大，冰滴鋪展直徑變化量在斜面傾角為β0時達到最大，同時冰滴在斜面傾角β≥β1時開始出現較為明顯的滑移形象，其中 β0與 β1的取值區間均為[45°，60°]。

（2）在光滑鋁合金壁面，冰滴融化過程中接觸角的大小與冰塊融化速率、冰滴所處表面傾角有關，冰塊融化速率越快、冰滴所處表面傾角越大接觸角變化率越大。

[1]李維仲，朱衛英，權生林，姜遠新.液滴撞擊水平固體表面的可視化實驗研究[J].熱科學與技術，2008（7）2：155～160.

[2]呂福扣，劉寶林，李維杰，吳酉芝.納米低溫保護劑溶液凍結和融化過程的顯微研究，低溫物理學報，35（2013）：156.

[3]陶樂仁.華澤釗，低溫保護劑溶液結晶過程的顯微實驗研究，工程物理學報，22（2001）：481.

TK124

A

1004-7344（2016）33-0316-02

中國民航大學研究生科技創新基金項目（Y16-21）。

2016-11-13

危金卓（1992-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，師從陳世一教授，研究方向為油氣集輸。