2. 国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073
2. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
积冰结霜在低温、制冷系统中是一种非常普遍的现象, 广泛存在于航空航天、输电线缆、风力发电及低温器械等领域[1], 并在大多数情况下带来一定的危害, 例如:冰箱空调等结霜会增大换热热阻, 增加能耗; 飞机机翼结霜, 会改变机翼气动特性, 增加飞行阻力, 减小飞行升力; 风力机叶片结霜会降低风力发电效率, 产生安全隐患.因此, 研究冷表面上的结霜机理、探索有效的防霜抑冰方法, 一直受到国内外学者的普遍关注.
Hayashi等[2]用显微摄像的方法拍摄了霜的生长过程, 将霜层生长过程分为霜晶生长期、霜层生长期、霜层充分生长期3个阶段. Carte[3]用显微镜研究了水滴在不同表面凝结的过程. Feuillebois等[4]忽略了凝结过程质量密度改变的综合影响, 利用数值模拟研究了过冷水滴的凝结过程. Cheng等[5]实验和理论研究了自然对流条件下平板表面结霜过程, 考察了冷面温度、湿空气温度、相对湿度和速度对霜层生长的影响. Lee等[6]研究了多种环境因素对霜层生长的影响, 并且推导了霜层生长计算式.
防霜的方法有很多种, 如外加电场抑制结霜[7-9]、磁场抑制结霜[10]、超疏水材料[11-13]或亲水性材料抗结冰结霜[14-15]和超声波抑制平板表面结霜[16-18]等. Swanson等[7]发现了电场影响霜层表面附近水分子的扩散方式.当霜晶生长时, 在晶体的周围会产生较强的电场, 如果电场有很强的梯度, 那么被极化的水分子会沿着电场方向被吸引. Tudor[8]通过实验研究了直流电场作用下霜层的生长特性, 发现连续施加电场时, 有非常细长的针状霜晶形成; 当突然撤去电场时, 霜晶会从冷板上脱落.勾昱君等[10]首次对磁场条件下的结霜现象进行了研究, 实验证明了磁场具有一定的抑霜作用. Wu等[11]通过实验观察发现疏水表面上的水珠分布稀疏, 冻结较晚, 初始霜晶较迟出现. Liu[12]等观察了涂有石蜡的疏水表面和普通铜表面上的水珠冻结和初始霜晶生长过程, 结果表明疏水表面上的水珠较小且更接近圆球形, 形成的霜层稀疏较易去除. Okoroafor等[14]采用高聚物亲水表面进行了两个多小时的结霜实验测量, 可以使结霜速率和霜厚减少10%~30%, 但亲水表面的厚度达到0.7 mm. Adachi等[16]对外加超声波振动的冷表面结霜过程进行了实验观察, 发现通过超声波振动, 在相同时间内, 冷表面霜的沉积量减少了大约60%.
合成射流是一种零质量射流, 因其与常规普通射流相比, 无需流体供应系统, 且易于小型化和电参数控制, 在流动控制领域备受关注和广泛研究[19-22], 合成射流防冰防霜技术是近年合成射流应用方向的新发展[23-25]. Jin等[26]对合成射流影响水滴冷板上的结冰过程做了实验研究, 结果表明:合成射流不仅提升了测试冷板的温度, 而且推迟了水滴的冻结时间.此外, 合成射流对水滴凝结密度以及水滴表面的不规则霜晶有明显影响.目前, 应用合成射流除霜的研究仍处于探索阶段.
合成双射流激励器是在合成射流激励器基础上发展的一种高性能新型零质量射流激励器, 其两个腔体和两个出口共享一个振动膜.合成双射流激励器除了合成射流激励器无需流体供应系统和易于小型化等特点外, 还具有能量效率和射流频率倍增以及低噪声的优点[27-30].本文重点进行合成双射流防霜抑冰的实验研究, 探索其防霜防冰机理和可行性, 推进了合成射流技术在防霜抑冰方面的应用.
1 实验设备 1.1 合成双射流激励器及其控制系统如图 1所示, 实验中合成双射流激励器采用长宽分别为20 mm和2 mm的矩形出口构型, 深4 mm, 两出口间距为8 mm, 单个腔体体积为14.3×103 mm3.
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| 图 1 合成双射流激励器 Fig.1 Dual synthetic jet actuator |
合成双射流激励器及其控制系统主要由合成双射流激励器、信号发生器、示波器、压电陶瓷驱动电源等4部分组成.信号发生器产生波形、幅值及频率可调的电压信号, 实验中采用正弦波、频率540 Hz、电压±170 V.示波器用于观测信号发生器产生的电压信号.压电陶瓷驱动电源为合成双射流激励器提供工作所需的能源. 图 2为实验连接示意图, 实验过程中对压电片(振动膜)施加交流电信号以实现驱动, 变频信号由信号函数发生器产生, 经过陶瓷驱动电源放大后加载于压电片上, 压电片在交流电压下伸缩变形使得振动膜上下振动.
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| 图 2 合成双射流激励器及其控制系统实物图 Fig.2 Picture of DSJA and its control system |
实验制冷设备为半导体制冷片, 制冷片为边长40 mm×40 mm的正方形.半导体制冷片及其控制系统主要由半导体制冷片及散热器、继电器、可调电源、温度控制器及热电偶4部分组成. 图 3为制冷片工作及控制系统实物照片及连接示意图, 可调电源为制冷片及散热器提供能量, 实验中可调电源电压15.2 V, 电流2.4 A, 在环境温度为20±2 ℃, 湿度为(59±3.2%)时, 可以使半导体制冷片的温度最低下降到-33 ℃.温度控制器通过热电阻监测制冷片工作温度, 并通过继电器控制制冷片的工作温度, 实验中温度设定为-30 ℃, 即半导体制冷片的工作温度控制在-30±3 ℃.继电器一端作为开关与半导体制冷片及散热器串联, 另一端作为电阻与温度控制器并联.当热电阻反馈制冷片温度高于-30 ℃时, 继电器保持连接, 制冷片继续工作; 当热电阻反馈制冷片温度达到-30 ℃时, 继电器断开连接, 制冷片停止工作; 当热电阻反馈半导体制冷片温度高于-30 ℃时, 继电器连接, 制冷片重新工作, 由此控制制冷片的工作温度为-30 ℃.
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| 图 3 半导体制冷片及其控制系统实物图 Fig.3 Picture of semiconductor-cooled-board and its control system |
图 4为实验工作系统连接示意图.实验分为准备过程和测试过程两个步骤.
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| 图 4 实验系统示意图 Fig.4 Sketch map of experimental system |
(1)调节电子显微镜放大率, 至能清晰观察到制冷片上的水滴, 并且标记水滴位置, 记录电子显微镜放大率; (2)在DinoCapture2.0软件中输入电子显微镜的倍率值以及单位, 则对拍摄图像进行标定, 方便数据处理；(3)调节温度控制器限制温度为-30 ℃, 将热电阻利用导热胶黏结在制冷片表面；(4)将激励器安置在水滴位置正上方、激励器出口与制冷片上表面距离20 mm处, 设置信号发生器、示波器及压电陶瓷驱动电源参数, 控制合成双射流激励器正常工作, 工作电压±170 V, 频率540 Hz.
1.3.2 测试过程(1)开启可调电源, 使半导体制冷片工作, 将工作温度稳定在-30 ℃; (2)开启电子显微镜自动拍摄功能(时间间隔为1 s); (3)分别不开启和开启合成双射流激励器后, 在标记处滴落水滴, 观察并记录实验变化过程；(4)待水滴形态不再改变时, 关闭电子显微镜, 记录环境温度、湿度、温度控制器测量温度(制冷片温度), 然后关闭激励器以及制冷片电源.
2 实验现象及分析 2.1 无合成双射流作用水滴的结冰结霜过程实验过程中, 环境的相对湿度和温度分别为(62.3±1.5)%, 20.3±2.0 ℃.实验分为水滴凝固和凝固水滴结霜两个过程.
2.1.1 水滴凝固过程如图 5所示, 当水滴落至温度为-30 ℃的平板时，凝固过程立刻开始, 水滴从下部向上逐渐凝固, 从图 5(a)~(h)能够清晰地看到水冰的分界面.水滴表面凝固速度大于内部凝固速度, 如图 5(a)~(d), 水滴外表面自下而上逐渐凝固, 在t=5 s时水滴外表面已经全部凝固, 此时仍然可以看到内部的冰水交接面.随着时间推移, 水滴内部的冰水交接面逐渐上升, 如图 5(h), 在t=10 s时水滴内部也完全凝固, 不再透明.由于水凝固为冰, 密度减小、体积增大, 使水滴形态改变, 顶端突出, 变成锥形.水滴凝固过程中在已凝固部分伴有微量结霜.
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| 图 5 水滴凝固过程 Fig.5 Freezing process of a droplet |
在水滴完全凝固为冰后, 潮湿空气中的水蒸气很快凝华在水滴冰面上, 并形成霜, 见图 6.霜由凝固水滴的顶端开始向下逐渐形成, 起初在凝固水滴的尖端出现针叶状的冰晶, 如图 6(a)所示.随着时间的推移, 结晶水滴上的结霜面积逐渐增加, 结霜的厚度以及密度也逐渐增加, 但主要集中在凝固水滴上部.一段时间后, 如图 6(h)所示, 当水蒸气的凝华和升华达到平衡, 凝固水滴形态不再发生改变, 结晶水滴上半部分表面覆盖了一层细密的针叶状霜.初始低温区域为制冷片平面, 故凝固水滴附近的水蒸气由于浓度梯度向冷表面产生竖直向下的迁移[1], 由于水滴侧面的弧度, 使得其下部接触的水蒸气很少, 凝固水滴下表面基本没有结霜.
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| 图 6 凝固水滴结霜过程 Fig.6 Process of restraining frost on the surface of a frozen droplet |
实验过程中, 环境的相对湿度和温度分别为(62.3±1.5)%, 20.3±2.0 ℃.实验过程中, 首先将实验板降温至-30 ℃, 开启合成双射流激励器; 然后滴下水滴, 直至水滴形态不再改变.
图 7为合成双射流作用下水滴形态随时间的变化图.热电阻测量制冷片温度为-30.0±1.4 ℃.如图 7(a)~(l)所示, 当水滴落至温度为-30 ℃的平板时凝固过程立刻开始, 水滴从下部向上逐渐凝固, 从图 7(a)~(i)能够清晰地看到水冰的分界面.水滴表面凝固速度大于内部凝固速度, 从图 7(a)~(f), 水滴外表面自下而上逐渐凝固.在t=8 s时水滴外表面已经全部凝固.随着时间推移, 水滴内部的冰水交接面逐渐上升, 如图 7(l), 在t=14 s时水滴内部也完全凝固.变得不再透明.由于水凝固为冰, 密度减小、体积增大, 使得水滴形态改变, 顶端突出, 变成锥形.水滴凝固过程中在已凝固部分伴有微量结霜.
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| 图 7 合成双射流作用下水滴的结冰过程 Fig.7 Process of a droplet icing using DSJA |
分析合成双射流防冰过程, 由于合成双射流的强制对流换热作用, 水滴与空气的换热速率加快, 与无激励器作用时相比, 水滴的凝结速度减缓, 但是并不能阻止水滴的凝结.
2.2.2 合成双射流防霜实验由于在防冰实验中只是推迟了结冰的速度, 并不能有效防止结冰, 且对水滴外形的改变不大, 为了方便实验, 后续的防霜实验, 在防冰实验的基础上继续进行, 即采用一直开启合成双射流激励器的方法, 这与水滴完全结冰后开启激励器观察防霜情况相同.观察并记录实验结果, 直至结冰水滴形态不再改变.
图 8为合成双射流激励器作用下, 凝固水滴的结霜过程.凝固水滴不会像无激励器作用时在表面生成针叶状的霜, 而是在水滴表面均匀地形成一层白色的颗粒状霜.随着时间推移, 霜的厚度并没有增加, 并且水滴的高度降低, 凝固水滴的锥形尖端逐渐变得平坦, 水滴与冷板平面的接触面积增加.
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| 图 8 合成双射流作用下水滴的结霜过程 Fig.8 Process of a droplet frosting using DSJA |
图 9为合成双射流作用及无合成双射流作用时水滴高度随时间的变化曲线.其中A点和B点分别为无/有合成双射流作用时水滴结冰与结霜的分界点, 即可以理解为在A, B点水滴完全结冰并且开始结霜.如图 9所示, 在水滴结冰过程中, 两条曲线的变化趋势相同, 合成双射流的作用仅仅推迟了水滴完全结冰的时间(B点在A点约4 s之后), 并且使结冰水滴略微变矮, 总的来说对结冰过程影响不大.而在结霜过程中, 无合成双射流作用的水滴高度迅速增加, 在70 s后趋于平缓, 有合成双射流作用的水滴高度不增反减, 在55 s左右趋于平缓, 并且水滴的高度甚至低于原来水滴的高度.
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| 图 9 有/无合成双射流作用下水滴的高度变化曲线 Fig.9 Height variations of droplet |
分析合成双射流防霜过程, 没有形成针叶状的霜, 并且霜的量大大减少, 首先是由于射流引起水滴表面附近局部空气中水蒸气周期性的剧烈振荡, 水蒸气振动的加速度很大, 是重力加速度的104数量级[18], 如此大的加速度使得沿着射流方向上冷表面附近的水蒸气扰动剧烈, 冷表面附近的水蒸气由于浓度梯度向冷表面产生定向迁移的作用被破坏, 使得进入霜晶界面的水蒸气分子数显著减少, 水蒸气在冰表面凝华沉积的速率大大减少, 所以, 相对于没有合成双射流作用, 凝结水滴表面的霜大量减少, 且没有形成针叶状的霜.
3 结论本文对水滴在低温平板上的结冰过程及合成双射流防霜防冰过程进行了显微拍摄.实验结果表明:
(1) 当水滴落至冷板时凝固过程立刻开始, 水滴从下部向上逐渐凝固, 且水滴表面凝固速度大于内部凝固速度.当水滴完全凝固时变得不再透明, 顶端突出, 变成锥形.在水滴完全凝固为冰后, 潮湿空气中的水蒸气很快凝华在水滴冰面上, 并从顶端开始逐渐形成针叶状的霜, 随着时间的推移, 结晶水滴上的结霜面积逐渐增加, 结霜的厚度以及密度也逐渐增加, 但主要集中在凝固水滴上部.
(2) 在合成双射流作用下, 与无合成双射流作用相同, 当水滴落至冷板时凝固过程立刻开始, 水滴从下部向上逐渐凝固, 且水滴表面凝固速度大于内部凝固速度.当水滴完全凝固时变得不再透明, 顶端突出, 变成锥形.但由于合成双射流的强制对流换热作用, 水滴与空气的换热速率加快, 使得与无激励器作用时相比, 水滴的凝结速度减缓, 但是并不能阻止水滴的凝结.
(3) 合成双射流防霜效果显著, 凝固水滴不会像无激励器作用时在表面生成针叶状的霜, 而是在水滴表面均匀地形成一层白色的颗粒状霜.
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