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(xué) 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(duì)比分析冰滴融化時(shí)間、冰滴鋪展直徑、冰滴接觸角、冰滴滑移位移等相關(guān)參數(shù)得到了部分冰滴融化過程中的相關(guān)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在鋁合金壁面上冰滴未發(fā)生滑移時(shí)，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(shí)達(dá)到最大，同時(shí)冰滴在斜面傾角β≥β1時(shí)開始出現(xiàn)較為明顯的滑移形象，其中β0與β1的取值區(qū)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(guān)，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(jié)冰現(xiàn)象是一種不可避免的自然現(xiàn)象，它給許多領(lǐng)域帶來巨大的危害同時(shí)也給國家造成巨大經(jīng)濟(jì)的損失。特別是飛機(jī)結(jié)冰問題，嚴(yán)重影響民航運(yùn)輸?shù)陌踩?。目前，國?nèi)外各研究機(jī)構(gòu)對(duì)水滴在冷表面上結(jié)冰的相關(guān)問題進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[1～2]，并取得了一定成果，這些成果為輔助工程技術(shù)人員開發(fā)更為有效的抑冰方法和技術(shù)手段提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和參考依據(jù)。但水的凍結(jié)過程中受到多因素的影響，同時(shí)空氣中水滴體積小且在低溫條件下的凍結(jié)速度極快不易于實(shí)驗(yàn)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(duì)結(jié)冰問題，主要解決方法是抑冰和化冰；對(duì)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(jié)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(duì)比分析相關(guān)參數(shù)得到了部分冰滴融化過程中的相關(guān)規(guī)律，為工程上解決飛機(jī)結(jié)冰化冰問題提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)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(tái)、鐵架臺(tái)、產(chǎn)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(tài)圖像抓拍裝置，主要包括微距攝像機(jī)、（帶有距離標(biāo)度）、記錄并存儲(chǔ)圖像結(jié)果的計(jì)算機(jī)等。調(diào)節(jié)圖2中恒溫箱溫度至20℃，待其內(nèi)部溫度穩(wěn)定后，按圖1，將鋁合金試片置于流變儀制冷臺(tái)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(jié)冰形成半球形冰滴；對(duì)液滴持續(xù)制冷5min，隨后迅速將其移出至圖2的銅基體斜塊上，調(diào)整氙燈與燈光擴(kuò)散器直至最好拍攝狀態(tài)，通過微距攝像機(jī)連續(xù)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(shí)驗(yàn)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(shè)置有 0°、15°、30°、45°、60°、70°、90°等 7 個(gè)不同角度的實(shí)驗(yàn)組別。采用背光法拍攝冰滴融化與滑移過程，使用計(jì)算機(jī)以銅基體的距離標(biāo)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(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過對(duì)圖片進(jìn)行還原處理測定液滴接觸角θ，液滴處于不同角度位置時(shí)以下滑移點(diǎn)接觸角作為研究對(duì)象，接觸角計(jì)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(shí)間變化圖以及冰滴上側(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間圖，從圖4，冰滴在傾角為0°和15°時(shí)鋪展直徑的d變化較小，當(dāng)傾角增大至30°以后冰滴鋪展直徑d明顯增大，在45°傾角時(shí)冰滴鋪展直徑變化量達(dá)到最大為3.8052mm，結(jié)合圖3，當(dāng)冰滴處于豎直面時(shí)由于重力作用最為顯著冰滴較早發(fā)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(shí)達(dá)到最大，同時(shí)冰滴在斜面傾角β≥β1時(shí)開始出現(xiàn)較為明顯的滑移形象，其中β0與β1的取值區(qū)間均為[45°，60°]。

圖3 接觸角θ計(jì)量方法圖

圖4 冰滴在不同傾角下鋪展直徑d隨時(shí)間變化

圖5 冰滴在不同傾角下上側(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間

4 結(jié)論

（1）在光滑鋁合金壁面上，冰滴未發(fā)生滑移時(shí)，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(shí)達(dá)到最大，同時(shí)冰滴在斜面傾角β≥β1時(shí)開始出現(xiàn)較為明顯的滑移形象，其中 β0與 β1的取值區(qū)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(guān)，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(wèi)英，權(quán)生林，姜遠(yuǎn)新.液滴撞擊水平固體表面的可視化實(shí)驗(yàn)研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2008（7）2：155～160.

[2]呂?？?，劉寶林，李維杰，吳酉芝.納米低溫保護(hù)劑溶液凍結(jié)和融化過程的顯微研究，低溫物理學(xué)報(bào)，35（2013）：156.

[3]陶樂仁.華澤釗，低溫保護(hù)劑溶液結(jié)晶過程的顯微實(shí)驗(yàn)研究，工程物理學(xué)報(bào)，22（2001）：481.

TK124

A

1004-7344（2016）33-0316-02

中國民航大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)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?yàn)橛蜌饧敗?/p>