固體冷表面上液滴凝結(jié)過程分析

張哲，趙恩惠，嚴(yán)雷，楊文哲，袁暉，張秋梅，田津津

（1 天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300134；2 維克(天津)有限公司，天津，301700）

在固體冷表面上發(fā)生的液滴凝結(jié)是日常生活中常見的一種現(xiàn)象，比如自來水管壁上凝結(jié)的水珠、鏡片起霧、清晨的露珠、冬天的大霧等；在工業(yè)領(lǐng)域中也能時(shí)常發(fā)現(xiàn)，例如，低溫狀態(tài)下管道外壁上或換熱設(shè)備外側(cè)附著的冷凝水等。液滴凝結(jié)有膜狀凝結(jié)和滴狀凝結(jié)兩種狀態(tài)，如果冷凝壁疏水性強(qiáng)，則凝結(jié)液在壁面不易鋪展成膜，而是形成許多隨機(jī)分布大小不一的液體，這種冷凝形態(tài)稱為滴狀凝結(jié)[1]。滴狀冷凝具有很高的傳熱系數(shù)，比常見的膜狀冷凝傳熱系數(shù)高幾十倍，液滴冷凝傳熱的換熱方式在航空航天工程、蒸汽動(dòng)力工程、化學(xué)工程等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，在這些設(shè)備中更多實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝，換熱設(shè)備的面積及尺寸將會(huì)大大減少，不僅能降低能耗，且?guī)盹@著的經(jīng)濟(jì)效益[2]，所以眾多學(xué)者對液滴凝結(jié)過程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與研究。由于工業(yè)上的傳熱表面通常都是高表面能的普通金屬材料[3]，通常水蒸氣只以膜狀冷凝形式出現(xiàn)，本文選用為疏水材料的四氟乙烯平板，在其表面液滴凝結(jié)為滴狀凝結(jié)，同時(shí)四氟乙烯是一種高分子塑料，因其防腐蝕、成本低且結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)在換熱器里已廣泛使用[4]。

Parin等[5]對不同涂層下凝結(jié)液滴的參數(shù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在凝結(jié)試驗(yàn)條件下鋁基板上沉積的優(yōu)化溶膠-凝膠涂層可以維持珠狀凝結(jié)超過100h，而不會(huì)過渡到膜狀凝結(jié)。于經(jīng)偉[6]在天然氣煙氣凝結(jié)換熱研究中通過對換熱器表面鍍層進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)添加鍍層的換熱器換熱能力提升了1.09～1.67倍，凝結(jié)趨向于珠狀凝結(jié)。林玉才等[7]研究了表面不同的特殊浸潤性對液滴凝結(jié)的影響，其中浸潤性指液體保持與固體表面接觸的能力，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)所用材料中親水超潤滑結(jié)構(gòu)表面的霧氣收集效率最高，超疏水表面霧氣收集效率最低。Park 等[8]提出了一種使液滴快速生長和盡可能快地脫落的表面設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化曲面的曲率半徑和截面形狀實(shí)現(xiàn)毫米級液滴凸起頂端的優(yōu)化，使生長速率指數(shù)高了6 倍。Birbarah 等[9]設(shè)置了一個(gè)在恒熱流邊界條件下超疏水平板外對流跳躍-液滴凝結(jié)的綜合模型，發(fā)現(xiàn)液滴沿平板跳躍的總距離從毫米到米不等，而對所考慮的參數(shù)，跳躍高度被限制在小于1cm內(nèi)。徐俊超等[10]通過試驗(yàn)測量了水在不同燃煤細(xì)顆粒表面的接觸角，得出了在不同接觸角范圍中液滴長大速度隨著燃煤細(xì)顆粒的大小以及液滴半徑的變化規(guī)律。

周慧[11]采用數(shù)值模擬的方法對影響水蒸氣珠狀凝結(jié)的換熱因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)凝結(jié)壁面冷凝側(cè)換熱系數(shù)基本不受基底熱導(dǎo)率的影響，接觸角滯后隨表觀平衡接觸角和表面粗糙度的增大而增大，液滴脫落速度隨接觸角的增大而加快。江鑫[12]研究了基底硬度和相對濕度對液滴珠狀凝結(jié)的影響，得到基底越軟、濕度越大的情況下，液滴增長速度越快。Wang 等[13]研究了乙醇水混合物液滴在水平表面上的生長，發(fā)現(xiàn)在快速增長階段，液滴最大半徑隨氣相至表面溫差的增大而明顯增大，隨氣相速度和壓力的增大而略有增大，隨乙醇?xì)庀酀舛鹊脑龃蠖鴾p小，在隨后的波動(dòng)期間里這些效應(yīng)減弱。Gabyshev等[14]用數(shù)學(xué)模型研究了電場中球形水滴的冷凝生長過程，推測周圍空氣中的水分子會(huì)由于電場的存在而加速，并提出了一種預(yù)測凝析生長加速的動(dòng)力學(xué)模型。趙崇巖等[15]借助數(shù)值模擬方法研究液滴凝結(jié)核密度和脫落尺寸對液滴尺寸分布的影響，結(jié)果表明，隨著凝結(jié)核密度增大，液滴平均半徑及尺寸范圍減少，從而液滴尺寸分布整體升高。Somwanshi 等[16]模擬了在亞低溫疏水表面上鉍蒸氣的液滴冷凝過程，發(fā)現(xiàn)珠狀凝結(jié)的過程是成核、生長和聚合，液滴的閉合是一個(gè)瞬態(tài)的過程，也分析了熱流通量和壁面剪切力對速度的敏感性。

大多研究專注于單個(gè)液滴凝結(jié)過程的研究，但工程實(shí)際中液滴狀態(tài)多以凝結(jié)群的狀態(tài)出現(xiàn)，并且各液滴在凝結(jié)過程中相互影響。所以本文對液滴凝結(jié)群的性狀特征進(jìn)行研究，以疏水材料四氟乙烯平板為基底對液滴凝結(jié)數(shù)量、凝結(jié)面積規(guī)律進(jìn)行探究。通過改變基底冷表面上附近環(huán)境的溫濕度條件進(jìn)而獲取液滴凝結(jié)圖像，分析不同過冷度（22K、24K）、相對濕度（50%、60%、70%、80%、90%）影響下液滴特征隨時(shí)間變化的相關(guān)性，以期為工程實(shí)際中該環(huán)境條件下?lián)Q熱設(shè)備的設(shè)計(jì)和制備中液滴群凝結(jié)狀態(tài)的探索提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)所選擇冷凝底板的材料是四氟乙烯，規(guī)格為80mm×80mm×2mm。四氟乙烯平板冷表面上液滴凝結(jié)試驗(yàn)裝置布置如圖1所示，該試驗(yàn)裝置主要由凝結(jié)圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫濕度控制系統(tǒng)組成，凝結(jié)圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括操作主機(jī)和RH-2000 3D 視頻顯微鏡；溫濕度控制系統(tǒng)包括控制腔、濕度控制裝置、溫度控制裝置、低溫恒溫水槽（由溫控器、水槽和制冷系統(tǒng)組成）、溫濕度記錄儀（HIOKI 公司3641-20型溫濕度記錄儀）、溫度記錄儀（橫河公司GP10 型便攜式無紙記錄儀）組成。每次冷凝完成一個(gè)過程后，底板材料需使用超聲波清洗儀（LIFECODE，型號為SU-761）處理。所用儀器相關(guān)參數(shù)見表1～表4。

圖1 四氟乙烯平板冷表面上液滴凝結(jié)試驗(yàn)裝置

表1 RH-2000 3D視頻顯微鏡

表2 溫濕度記錄儀的相關(guān)參數(shù)

表3 溫度記錄儀的相關(guān)參數(shù)

表4 超聲波記錄儀的相關(guān)參數(shù)

在液滴凝結(jié)試驗(yàn)開始前對四氟乙烯平板的表面進(jìn)行清潔，首先用酒精棉球擦拭四氟乙烯平板表面去除表面上的雜質(zhì)，接著將之浸沒在裝有適量蒸餾水的超聲波清洗儀中清洗5～8min，清洗后取出平板晾干、待用。隨后將四氟乙烯平板放入控制腔內(nèi)，利用溫濕度控制裝置調(diào)節(jié)控制腔內(nèi)溫度和濕度，同時(shí)用溫濕度記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)測控制腔內(nèi)溫濕度的變化；低溫恒溫水槽與基板之間通過兩根軟管相連，低溫恒溫水槽通載冷劑在管道內(nèi)進(jìn)出基板下部對其換熱降溫，載冷劑回到低溫水槽內(nèi)繼續(xù)制冷，持續(xù)為基板提供冷量，從而調(diào)節(jié)控制基板溫度，用溫度記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)測平板表面溫度，當(dāng)控制腔內(nèi)溫濕度及平板冷表面溫度達(dá)到試驗(yàn)工況時(shí)，接著進(jìn)入觀察冷表面液滴凝結(jié)的過程。采用RH-2000 3D視頻顯微鏡的高倍鏡觀察整個(gè)凝結(jié)過程此顯微鏡在1s內(nèi)捕捉10張平面圖像后合成并顯示高質(zhì)量的3D模型，捕捉到清晰的視野范圍為352μm2的液滴凝結(jié)圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)傳到電腦端以便之后的圖像分析、處理。本試驗(yàn)中，控制不同過冷度?T為24K 和22K，冷凝表面的溫度控制在0℃和2℃，控制腔內(nèi)環(huán)境溫度（26℃）恒定不變，相對濕度區(qū)間為50%RH～90%RH。最后，在視頻顯微鏡上自帶軟件中測得所觀測液滴的直徑，在Photoshop 軟件上對液滴凝結(jié)隨時(shí)間變化的圖像使用計(jì)數(shù)工具，利用相似原理估算獲得1m2區(qū)域內(nèi)不同時(shí)段第1 代與第2 代液滴數(shù)量，對圖片首先進(jìn)行二值化處理（使用平均值法對圖像進(jìn)行灰度化，再使用閾值法對灰度圖進(jìn)行二值化處理），接著利用直方圖工具算出液滴的面積率，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

液滴凝結(jié)試驗(yàn)的過程中四氟乙烯平板冷表面的溫度為0℃和2℃，周圍環(huán)境溫度為24℃和22℃，在不同濕度（50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH）條件下冷表面上的液滴不斷成核、生長、合并，最后趨于穩(wěn)定，液滴形狀特征持續(xù)變化。通過視頻顯微鏡獲得不同溫濕度條件下液滴隨時(shí)間在凝結(jié)不同階段過程中的變化圖像，在此僅列舉過冷度24K 及22K 時(shí)濕度50%RH 環(huán)境與22K 時(shí)濕度90%RH環(huán)境下的液滴凝結(jié)狀況，如圖2與圖3所示。

圖2 ?T=24K時(shí)濕度為50%時(shí)的凝結(jié)過程

圖3 ?T=22K時(shí)濕度為50%時(shí)的凝結(jié)過程

隨著凝結(jié)時(shí)間的進(jìn)行，液滴凝結(jié)經(jīng)歷成核、生長、合并、穩(wěn)定過程，在冷凝表面上存在著隨機(jī)分布的凝結(jié)核心，將顯微鏡中液滴成核階段中最先觀測到的液滴作為觀察對象，箭頭所指液滴為50%RH 時(shí)過冷度24K 與22K 條件下選定的觀測液滴，在所拍攝圖片中清晰可見。試驗(yàn)中獲得不同過冷 度（24K、 22K） 與 相 對 濕 度（50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH）條件下液滴凝結(jié)圖像，觀測可知，在濕度較大時(shí)最早成核形成的初始液滴并且達(dá)到穩(wěn)定時(shí)液滴較飽滿，液滴凝結(jié)進(jìn)程快；而在濕度較小時(shí)，凝結(jié)液滴不飽滿且視野中的液滴大多呈現(xiàn)橢圓狀的外形；高過冷度時(shí)，液滴凝結(jié)直徑大且密度小，較低過冷度下凝結(jié)生成的小液滴數(shù)量越多。

2.1 不同溫濕度條件下液滴的凝結(jié)進(jìn)程

圖4 所示為四氟乙烯平板冷表面溫度維持在0℃、2℃（即過冷度為24K、22K），不同濕度（50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH）條件下液滴凝結(jié)各過程的時(shí)間分布。

圖4 不同溫濕度條件下的液滴成核、生長、合并各過程時(shí)間分布

從圖4(a)可以看出，在過冷度24K 條件下，隨著相對濕度的增大，液滴成核、生長過程時(shí)間縮短，在高相對濕度下漸趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)檩^高濕度下相對濕度增加導(dǎo)致水蒸氣分壓力增大，此時(shí)水蒸氣遇冷表面更易達(dá)到凝結(jié)時(shí)所需露點(diǎn)溫度，致使液滴凝結(jié)初期的成核、生長階段最快進(jìn)行，在達(dá)到高濕度80%RH、90%RH 時(shí)由于濕空氣含量過高，環(huán)境逐漸達(dá)到飽和，所以液滴成核、生長過程時(shí)間趨于穩(wěn)定。而合并時(shí)間于50%RH條件下的720s降至80%RH時(shí)的360s，同時(shí)在80%RH時(shí)最快進(jìn)入液滴凝結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)過程。

從圖4(b)可以看出，在過冷度22K 條件下，液滴成核時(shí)間最高時(shí)為50%RH 條件下的480s，最低時(shí)為90%RH條件下的120s，且在90%RH時(shí)最快進(jìn)入液滴凝結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)過程。隨著相對濕度的增大，液滴成核時(shí)間呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。與之對應(yīng)的液滴生長與合并過程也呈相似趨勢。

對比圖4(a)、(b)，合并所需時(shí)間都隨著濕度的增大呈現(xiàn)先增長后減小再增長的趨勢。這是由于相對濕度越大，臨界凝結(jié)核的半徑越?。ㄅR界凝結(jié)核半徑為最小成核半徑rmin，當(dāng)成核半徑大于rmin時(shí)，液滴就會(huì)繼續(xù)吸收濕空氣繼續(xù)生長），液滴成核半徑范圍更大，所以相對濕度越大情況下液滴開始凝結(jié)時(shí)密度大，液滴在成長過程中更易與鄰近的液滴進(jìn)行合并進(jìn)入合并狀態(tài)，同時(shí)液滴的生長速率也受相對濕度的影響，在液滴成核初始密度與生長速率的雙重影響下，合并時(shí)間呈現(xiàn)如此規(guī)律。對比不同過冷度下的液滴凝結(jié)階段的時(shí)間分布，發(fā)現(xiàn)50%RH、80%RH 液滴達(dá)到穩(wěn)定前凝結(jié)所需時(shí)間24K 與22K 相差較大，60%RH、70%RH、90%RH所需時(shí)間大體持平，這是因?yàn)椴煌^冷度隨相對濕度增大凝結(jié)過程的各個(gè)階段有不同的變化規(guī)律?？傮w來看，高濕度80%RH、90%RH 時(shí)凝結(jié)時(shí)間越短，低濕度50%RH、60%RH時(shí)凝結(jié)時(shí)間越長。

2.2 不同溫濕度條件下液滴直徑

水蒸氣初始冷凝時(shí)，液滴僅在平板的某些位置處開始成核，隨著凝結(jié)各過程的進(jìn)行，液核數(shù)不斷增多，液滴直徑也發(fā)生著變化，將顯微鏡中液滴成核階段中最先觀測到的液核作為觀察對象，使用顯微鏡自帶軟件測量顯示不同凝結(jié)時(shí)間下液滴大小直徑，觀察記錄液滴凝結(jié)變化特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖5 是過冷度24K 與22K 時(shí)不同濕度（50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH）在同一種線性擬合方式下的液滴凝結(jié)直徑規(guī)律的對比。圖中將相應(yīng)數(shù)據(jù)并擬合進(jìn)行相關(guān)性分析，其中每組的相關(guān)系數(shù)均可達(dá)到0.9 以上，液滴直徑隨時(shí)間的變化規(guī)律與擬合線呈高度相關(guān)性。

從圖5 可以看到在過冷度24K、22K 條件下，按照二者穩(wěn)定后，將不同相對濕度下液滴直徑D進(jìn)行比較為D90%>D80%>D60%>D70%>D50%。過冷度24K 條件下的液滴直徑明顯大于22K，這是因?yàn)楦哌^冷度下，驅(qū)動(dòng)力大更利于液滴凝結(jié)；濕度50%RH 條件下液滴凝結(jié)直徑最小，大液滴直徑出現(xiàn)在高相對濕度條件下，由于在高相對濕度條件下被觀測的液滴極易與相鄰大液滴合并進(jìn)而形成更大液滴。液滴的尺寸分布對傳熱計(jì)算有重要意義。

從圖5(a)可以看出，在過冷度24K 條件下，將不同相對濕度下液滴直徑增長速度V進(jìn)行比較為V90%>V80%>V60%>V70%>V50%。從圖5(b)可以看出，在過冷度22K條件下，將不同相對濕度下液滴直徑增長速度V進(jìn)行比較為V90%>V80%>V70%>V60%>V50%。擬合線斜率隨相對濕度增大而增大，凝結(jié)速率與相對濕度呈正相關(guān)。在凝結(jié)前期，液滴依靠吸收周邊濕空氣中的水分子凝結(jié)長大，液滴直徑隨凝結(jié)時(shí)間持續(xù)增長，待冷表面上鋪滿液滴時(shí)，液滴相鄰之間距離足夠小時(shí)發(fā)生合并現(xiàn)象，合并完成后，因表面張力的存在致使液滴發(fā)生輕微收縮[17-18]，收縮后液滴達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在圖中可以觀察到，由于表面張力的存在，液滴的直徑并不是呈直線增大的，而是存在一定的波動(dòng)性。

圖5 不同相對濕度下液滴直徑變化規(guī)律

對比兩種過冷度條件下擬合直線的斜率發(fā)現(xiàn)，在50%RH與90%RH條件下過冷度22K時(shí)的直線斜率小于24K，在60%RH～80%RH區(qū)間條件下過冷度22K時(shí)的斜率不斷高于24K。最高濕度90%RH時(shí)擬合凝結(jié)速率在高過冷度24K條件下為低濕度50%RH的3.2倍增至在低過冷度22K條件下的4.6倍；濕度50%RH 時(shí)擬合凝結(jié)速率在過冷度24K 條件下的為22K的1.5倍，濕度90%RH時(shí)擬合凝結(jié)速率在兩種過冷度條件中相差不大。高相對濕度及高過冷度條件下的凝結(jié)速率進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，其中高相對濕度液滴凝結(jié)速率影響最大，更利于液滴凝結(jié)快速進(jìn)行。

2.3 不同溫濕度條件下液滴數(shù)量

隨著凝結(jié)時(shí)間的進(jìn)行，液滴凝結(jié)速率的改變會(huì)導(dǎo)致液滴在底板上的凝結(jié)數(shù)量不斷變化。圖6是過冷度24K 與22K 時(shí)不同濕度（50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH）在同一種線性擬合方式下的液滴凝結(jié)數(shù)量規(guī)律的對比。

圖6 不同溫濕度下第1代、第2代液滴凝結(jié)數(shù)量的分布

從圖6(a)、(c)對比可以看出，在不同濕度條件下，第1代液滴凝結(jié)數(shù)量峰值在過冷度24K時(shí)出現(xiàn)在180～240s之間，過冷度22K時(shí)出現(xiàn)在180～480s之間，峰值均在1.0×1012～1.6×1012間波動(dòng)，且發(fā)現(xiàn)高相對濕度下峰值出現(xiàn)較早，這是由于高相對濕度下水蒸氣分壓力增大，水蒸氣遇冷表面更容易達(dá)到凝結(jié)時(shí)的露點(diǎn)溫度，液滴數(shù)量越早出現(xiàn)峰值。在過冷度24K下，液滴數(shù)量在凝結(jié)時(shí)間1080～1800s內(nèi)趨于穩(wěn)定，而在過冷度22K 時(shí)則于720～1200s內(nèi)趨于穩(wěn)定，24K時(shí)液滴數(shù)量達(dá)穩(wěn)定時(shí)間要長于22K時(shí)，因?yàn)?4K時(shí)過冷度驅(qū)動(dòng)力大，液滴生長與合并過程活躍，所以液滴穩(wěn)定時(shí)間長。液滴數(shù)量達(dá)到峰值在24K過冷度下則要快于22K過冷度條件下。高過冷度下液滴數(shù)量合并過程所用時(shí)間較長，這是由于液核數(shù)目都隨著過冷度和冷凝時(shí)間的增加而增加，高過冷度條件下驅(qū)動(dòng)力大，容易形成大液滴，所以合并所用時(shí)間長。相對濕度越大，第1代液滴的數(shù)量在峰值后，于穩(wěn)定前所需時(shí)間越短，液滴生長速度于峰值點(diǎn)后開始小于合并速度，液滴數(shù)量開始下降。

從圖6(b)、(d)對比可以看出，液滴凝結(jié)數(shù)量在合并完成后，會(huì)出現(xiàn)新的裸露的成核點(diǎn)，第2代液滴于第1 代液滴形成間隙開始成核。低相對濕度時(shí)，第2 代液滴凝結(jié)并不能形成較明顯的規(guī)律變化，隨著濕度增大，第2代液滴凝結(jié)數(shù)量會(huì)產(chǎn)生峰值點(diǎn)且逐漸趨于穩(wěn)定。過冷度24K條件下，將不同相對濕度下液滴數(shù)量峰值P進(jìn)行對比為P90%>P80%>P50%>P60%>P70%；過冷度22K 條件下，將不同相對濕度下液滴數(shù)量峰值P進(jìn)行對比為P70%>P90%>P60%>P80%>P50%。各相對濕度下，液滴數(shù)量峰值于24K 時(shí)均高于22K時(shí)，且沒有較為明顯的數(shù)值關(guān)系，只有在80%相對濕度下，液滴數(shù)量峰值在24K時(shí)是22K的1.96倍。根據(jù)以上數(shù)據(jù)推論，第2代液滴開始凝結(jié)時(shí)間不但受過冷度的影響，也受第1代液滴凝結(jié)速率等多方面的影響，具有隨機(jī)性，很難有明確的規(guī)律。

第1 代液滴數(shù)量隨凝結(jié)時(shí)間變化呈正態(tài)分布，第2代液滴因受多方面的影響，很難出現(xiàn)有規(guī)律的變化，但兩代液滴都有峰值出現(xiàn)，所以試驗(yàn)中在同一過冷度條件下會(huì)出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。

2.4 不同溫濕度條件下液滴面積率

液滴面積率是液固接觸面積與冷凝表面的比值。隨著液滴凝結(jié)的進(jìn)行，液滴在底板上的凝結(jié)數(shù)量發(fā)生變化，液滴群面積率也隨之改變。圖7是過冷度24K 與22K、不同相對濕度下（50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH）下所選液滴群的面積率隨所觀測液滴直徑增長的變化規(guī)律。

圖7 不同過冷度相對濕度下時(shí)液滴面積率的分布

從圖7中可以看出，液滴群的面積率呈現(xiàn)隨液滴直徑的增長而快速增長并最后趨于穩(wěn)定的趨勢。不論在22K還是24K過冷度時(shí)，不同相對濕度下達(dá)液滴面積率的增長速度V均為V80%>V70%>V90%>V60%>V50%。這是因?yàn)楦鞣N傳熱溫差下，液滴分布基本一致[19]，在高相對濕度90%時(shí)，液滴成核生長過程更快進(jìn)行，液滴成核密度更大，在還沒有達(dá)到液滴最大直徑時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了不明顯的合并過程，合并過程中觀察范圍內(nèi)的面積率減小，面積率達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間長，所以90%增長慢于80%RH、70%RH的情況。在不同濕度條件下，面積率峰值在過冷度24K時(shí)出現(xiàn)在液滴直徑50～100μm 之間，過冷度22K時(shí)出現(xiàn)在液滴直徑90～130μm 之間，峰值均在75%～82%間波動(dòng)，且發(fā)現(xiàn)高過冷度下與面積率峰值出現(xiàn)較早，這是由于過冷度驅(qū)動(dòng)力越大，越易形成大液滴，與周圍小液滴合并后出現(xiàn)更大的裸露表面，面積率越低。在不同濕度條件下，穩(wěn)定階段的面積率在過冷度24K時(shí)在65%～82%內(nèi)波動(dòng)，過冷度為22K時(shí)在70%～83%內(nèi)波動(dòng)且發(fā)現(xiàn)液滴直徑達(dá)150μm 左右，面積率進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段，不論在22K還是24K過冷度時(shí)，不同相對濕度下的面積率S進(jìn)行對比為S50%>S60%>S70%>S80%>S90%，且22K 時(shí)的面積率高于24K時(shí)，這是由于液滴的合并和再成核現(xiàn)象，高相對濕度下的冷表面上容易形成大液滴，大液滴經(jīng)過合并后液滴密度要小于低相對濕度條件下，同時(shí)液滴更容易受表面張力的影響在合并后發(fā)生回縮。

3 結(jié)論

在不同過冷度（24K、22K）以及不同濕度（50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH）情況下，經(jīng)可視化的試驗(yàn)設(shè)備來觀察四氟乙烯平板冷表面上的液滴凝結(jié)過程，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下液滴凝結(jié)變化規(guī)律。

（1）過冷度24K 時(shí)80%RH 凝結(jié)各階段最快進(jìn)行，過冷度22K 時(shí)90%RH 凝結(jié)各階段最快進(jìn)行，且合并所需時(shí)間都隨著濕度的增大呈現(xiàn)先增長后減小再增長的趨勢。

（2）相對于高過冷度，高相對濕度對液滴凝結(jié)速率影響最大，凝結(jié)速率與相對濕度呈正相關(guān)。不同過冷度下，凝結(jié)速率在高濕度90%RH 為低濕度50%RH的3～5倍。

（3）第1 代液滴形成過程中，相對濕度越大，液滴數(shù)量過峰值后達(dá)到穩(wěn)定前所需時(shí)間越短，液滴數(shù)量隨凝結(jié)時(shí)間呈正態(tài)分布。峰值出現(xiàn)時(shí)間為180～480s，峰值范圍均為1.0×1012～1.6×1012，過冷度24K 在凝結(jié)時(shí)間1080～1800s 趨于穩(wěn)定，過冷度22K在720～1200s趨于穩(wěn)定。

（4）第2代液滴形成過程中，高相對濕度下液滴開始凝結(jié)時(shí)間較早，且在不同相對濕度下高過冷度中液滴數(shù)量峰值均高于低過冷度。在高相對濕度90%時(shí)，液滴凝結(jié)開始時(shí)間在24K 時(shí)早于22K 時(shí)360s，80%RH 時(shí)液滴數(shù)量峰值在過冷度24K 時(shí)是22K的1.97倍。

（5）不論在22K還是24K過冷度時(shí)，液滴面積率的增長速度V均為V80%>V70%>V90%>V60%>V50%，峰值出現(xiàn)在液滴直徑50～130μm之間，峰值均在75%～82%區(qū)間波動(dòng)。穩(wěn)定后，相對濕度與面積率大小呈負(fù)相關(guān)，液滴直徑達(dá)150μm 進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段，穩(wěn)定后面積率在65%～85%之間波動(dòng)。

本文進(jìn)行了水平放置的四氟乙烯平板上濕空氣掠過冷表面液滴凝結(jié)在不同溫濕條件下的試驗(yàn)研究，在工程實(shí)際中在對液滴狀態(tài)特定需求下進(jìn)行環(huán)境條件的選取以及對應(yīng)環(huán)境條件下對液滴特性的預(yù)測判斷具有指導(dǎo)意義。實(shí)際工程技術(shù)中四氟乙烯的應(yīng)用尚未普及，其他金屬材料下的液體凝結(jié)規(guī)律、豎直壁面上的液滴凝結(jié)特性及水平壁面上液滴高度變化都有待進(jìn)一步探究。