过冷水滴的结冰与碰撞及其耦合特性研究

过冷水滴的碰撞结冰现象广泛存在于电力通信、气象、航空航海及低温制冷等生产生活领域。大多数的结冰会带来不利影响甚至导致危害。例如，电线、铁塔、风机叶片等的结冰会影响电力设备的正常运行，飞机结冰则会威胁飞行安全。冰雹/冻雨等气象灾害、食品/生物等低温冷藏也都与过冷水结冰密切相关。
近年来，随着航空/天/海、特高压输电、5G通信等国家重大战略的制定，气象预测、低温存储、高效节能等经济与环保的发展，过冷水滴碰撞结冰的机理研究变得更为迫切。一方面，过冷水处于亚稳态，其相变结冰过程有别于常规的稳态结冰； 另一方面，宏观结冰现象实际上始于单个微观过冷水滴碰撞结冰并逐渐积累的过程。为了准确预测和有效控制过冷水滴碰撞结冰过程，以降低乃至消除结冰导致的危害，需要结合流体力学、传热传质学、热力学等多学科，深入认识和掌握过冷水滴的碰撞结冰机理。
本研究采用实验测量、数值模拟和理论分析相结合的方法，系统研究过冷水滴的结冰与碰撞机理及其耦合特性。物理过程上，先解耦研究过冷水滴的相变结冰和常温水滴的流体碰撞过程，进而分析过冷水滴碰撞结冰的耦合特性； 物理尺度上，从单个微观过冷水滴碰撞结冰出发，并以此为基础拓展到宏观积冰过程。主要创新性工作包括： 揭示了过冷水滴成核的体积效应和时间效应，建立了考虑过冷效应及成核再辉的过冷水滴冻结模型，提出了过冷水滴冻结时间的计算关联式； 引入动态接触角模型，并考虑椭球水滴的初始形状，改进了水滴碰撞铺展系数计算关系式； 获得了不同润湿性表面上水滴碰撞结冰的统一终形态分布图； 构建了单个微观过冷水滴的碰撞结冰现象与宏观积冰过程之间的联系，建立了变物性宏观积冰模型，并给出了不同来流参数下积冰模型选择的建议。综上，本研究分析了过冷水滴结冰与碰撞的耦合机理，阐明了过冷水滴碰撞结冰过程中的传热与流动机制，改进和完善了微/宏观结冰模型，提高了结冰预测准确度，对结/防/除冰相关应用的设计和优化有重要的指导意义。
本书作者张旋博士，2019年7月博士毕业于清华大学能源与动力工程系，同年获评北京市优秀毕业生，其学位论文被评为清华大学优秀博士论文，现被邀将该论文内容凝练成专著，作为导师甚感欣慰。希望本书的出版能够促进和加深读者对于过冷水滴结冰与碰撞的理解，并为相关研究人员提供一些参考。

吴晓敏

2020年8月于清华园

。生产生活中的宏观结冰/霜等实际上是单个过冷小水滴与壁面作用而结冰并逐渐积累形成宏观冰层的过程。为了减小结冰/霜导致的危害，本书对过冷水滴的结冰与碰撞特性开展研究，首先解耦研究静置过冷水滴的结冰和常温水滴的碰撞特性，然后耦合研究过冷水滴的碰撞结冰过程，后基于单个过来水滴碰撞结冰的研究建立宏观积冰模型。本书旨在阐明过冷水滴结冰与碰撞的耦合机理，理解过冷水滴碰撞结冰过程中的传热与流动机制，为改善结/防/除冰相关的工程应用提供理论基础和技术参考。

张旋，男，1991年出生于湖北随州，2019年7月于清华大学能源与动力工程系（原热能工程系）获得工博士学位，现为南洋理工大学（新加坡）博士后（国家博士后国际交流计划派出项目资助）。主要研究方向包括非平衡相变、过冷水结冰、液滴动力学等。已发表SCI/EI论文20余篇，曾获得清华大学优秀博士论文、吴仲华优秀优秀研究生奖（中国工程热物理学会）等。

第1章引言

1.1研究背景与意义

1.1.1过冷现象

1.1.2结冰与结霜

1.1.3问题的提出

1.2研究现状

1.2.1壁面静置过冷水滴的结冰

1.2.2水滴的碰撞动力学特性

1.2.3过冷水滴的碰撞结冰

1.2.4宏观积冰模型

1.2.5研究现状小结

1.3研究内容

第2章实验系统与数值模拟方法

2.1实验系统及数据处理

2.1.1实验系统介绍

2.1.2数据处理方法简介

2.1.3误差分析

2.2表面制备与表征

2.2.1不同接触角表面的制备方法

2.2.2表面表征与润湿性测量

2.3数值模拟方法

2.3.1VOF多相流模型

2.3.2凝固/融化相变模型

2.3.3动态接触角模型

2.4本章小结

第3章壁面静置过冷水滴的成核再辉特性

3.1水滴结冰与融化的实验

3.1.1水滴的结冰过程

3.1.2已冻结水滴的融化过程

3.2成核实验与结果分析

3.2.1降温速率对成核实验的影响

3.2.2系统误差与成核随机性分析

3.2.3成核温度与成核率

3.3成核特性的影响因素

3.3.1体积效应

3.3.2时间效应

3.4再辉阶段的理论分析

3.5本章小结

第4章壁面静置过冷水滴的冻结特性

4.1冻结轮廓的理论模型

4.1.1初始阶段

4.1.2成核再辉阶段

4.1.3冻结阶段

4.1.4模型验证

4.1.5冷面温度对水滴冻结的影响

4.2冻结阶段的数值模拟

4.2.1几何条件

4.2.2物理模型与边界条件

4.2.3模拟参数选择

4.2.4模拟结果与讨论

4.3冻结时间

4.3.1影响因素分析

4.3.2冻结时间关系式

4.4本章小结

第5章常温表面上水滴碰撞的实验与模拟

5.1水滴碰撞的实验

5.1.1实验工况

5.1.2碰撞特性

5.1.3We数和接触角对铺展系数的影响

5.1.4We数和接触角对高度系数的影响

5.1.5水滴振荡

5.2水滴碰撞的铺展系数及其对应时间

5.3椭球水滴碰撞的模拟

5.3.1物理模型与边界条件

5.3.2网格无关性验证

5.3.3模拟验证

5.3.4碰撞参数的影响

5.4椭球水滴碰撞的铺展系数

5.5本章小结

第6章冷面上过冷水滴碰撞结冰的实验与模拟

6.1过冷水滴的碰撞结冰实验

6.1.1实验工况

6.1.2碰撞与结冰特征

6.2过冷水滴的碰撞结冰模拟

6.2.1过冷效应的引入

6.2.2物理模型与边界条件

6.2.3网格无关性验证

6.2.4模拟验证

6.3模拟结果分析

6.3.1过冷效应的影响

6.3.2碰撞参数的影响

6.3.3碰撞结冰的形态

6.4本章小结

第7章宏观变物性积冰模型

7.1物理模型

7.1.1霜冰物性参数

7.1.2控制方程与边界条件

7.1.3模型求解

7.1.4不同模型的比较

7.1.5模型验证

7.2结果与讨论

7.2.1积冰特性

7.2.2来流参数对临界状态的影响

7.2.3来流参数对积冰特性的影响

7.3模型选择

7.4本章小结

第8章总结与展望

8.1主要结论

8.2创新点

8.3后续工作展望

附录冰、水与空气的物性参数

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢

。生产生活中的宏观结冰/霜等实际上是单个过冷小水滴与壁面作用而结冰并逐渐积累形成宏观冰层的过程。为了减小结冰/霜导致的危害，本书对过冷水滴的结冰与碰撞特性开展研究，首先解耦研究静置过冷水滴的结冰和常温水滴的碰撞特性，然后耦合研究过冷水滴的碰撞结冰过程，后基于单个过来水滴碰撞结冰的研究建立宏观积冰模型。本书旨在阐明过冷水滴结冰与碰撞的耦合机理，理解过冷水滴碰撞结冰过程中的传热与流动机制，为改善结/防/除冰相关的工程应用提供理论基础和技术参考。

张旋，男，1991年出生于湖北随州，2019年7月于清华大学能源与动力工程系（原热能工程系）获得工博士学位，现为南洋理工大学（新加坡）博士后（国家博士后国际交流计划派出项目资助）。主要研究方向包括非平衡相变、过冷水结冰、液滴动力学等。已发表SCI/EI论文20余篇，曾获得清华大学优秀博士论文、吴仲华优秀优秀研究生奖（中国工程热物理学会）等。