不同環(huán)境溫度下水滴結冰問題的試驗研究綜述*

□ 焦明順 □ 金哲巖 □ 楊志剛

1.同濟大學航空航天與力學學院 上海 200092

2.上海地面交通工具風洞中心 上海 201804

1 水滴結冰概述

水結冰是自然界中的一種常見現(xiàn)象，結冰會造成十分嚴重的危害。當?shù)缆方Y冰時，由于剎車失靈會造成嚴重的交通事故，行人也會因為道路結冰而摔倒。積冰會改變飛機的質心，增加結構負重。機翼和安定面積冰則會改變氣動外形，使升阻比急劇降低。發(fā)動機進氣道結冰會導致發(fā)動機效率急劇下降。輸電線路覆冰會引起線路跳閘、斷電、倒桿、導線舞動、絕緣子閃絡和通信中斷等事故[1-3]。風力發(fā)電機葉片結冰不僅會造成葉片氣動性能的變化，導致風力發(fā)電機葉片過載，機組輸出功率減小，而且如果覆冰嚴重，還會使風力發(fā)電機組非計劃停機，影響電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

對單個水滴結冰進行試驗研究時，試驗裝置的設計思路可分為三種：水滴自由飛行，水滴懸浮空中和水滴靜置在測試表面上。水滴自由飛行指水滴自由落下，監(jiān)視測量與時間有關的變量或者捕捉不同高度下的液滴[4]。水滴懸浮指水滴靜止在空中，水滴懸浮技術包含非入侵式和入侵式兩種。非入侵式通過不同形式的物理力使液滴自由懸浮，這些力可以是超聲、電磁[5]、靜電[6]或者氣動力[7]。非入侵式?jīng)]有外物接觸液滴，試驗更接近實際狀況，但試驗裝置設計更為復雜，設計成本非常大。入侵式指水滴懸浮在細小網(wǎng)絲和薄片的末端，如把水滴懸浮在熱電偶絲的末端，Hallet[8]曾成功地將液滴懸浮在熱電偶絲的末端。水滴靜置在試驗表面上是現(xiàn)階段最常用的設計思路，通過注射器等工具把水滴滴落在經(jīng)過表面處理的板上，觀測水滴在試驗表面上的結冰現(xiàn)象。

影響水滴結冰的因素可以分為四類[9]。

（1）空氣參數(shù)。包括環(huán)境溫度、相對濕度、空氣流速等。

（2）表面性質。包括材料種類、表面溫度、表面特性、表面曲率等。

（3）水滴性質。包括水滴大小、水滴溫度等。

（4）外加力場。包括電場、磁場等。

筆者先從環(huán)境溫度入手，簡單總結常溫環(huán)境下水滴結冰問題的試驗研究，隨后著重論述低溫環(huán)境中水滴結冰問題的試驗研究，最后提出展望。

2 室溫環(huán)境下水滴結冰問題研究現(xiàn)狀

室溫環(huán)境下，研究者主要通過改變表面溫度和表面材質來研究水滴結冰問題。20世紀70年代，波恩大學的植物學家巴特洛特發(fā)現(xiàn)了蓮花效應，隨后研究者進行了很多水滴在超疏水表面上的運動和結冰研究。考慮到水滴滴落在表面的實際情況，研究者也大量研究不同曲率表面對水滴結冰的影響。

2005年，吳曉敏等[10]研究了20℃環(huán)境溫度下，水珠在冷表面上的凍結過程。水珠在冷表面上凍結時，水珠的溫度降到0℃以下后并未立刻凍結，而是保持一定時間段的過冷形態(tài)，隨后開始結冰，水珠凍結過程如圖1所示。圖1中，體積為3 μL的水珠在冷表面溫度為-8℃的未處理銅片上凍結，影響水珠結冰的主要因素是冷表面溫度，同時冷表面粗糙度、表面接觸角和水珠體積也會對水珠的凍結有影響。

▲圖1 水珠凍結過程

2010年，Mishchenko等[11]研究了液滴撞擊微納結構冷表面的結冰現(xiàn)象，試驗表明高級超疏水材料在-30～-25℃仍然可以保持不結冰狀態(tài)，因為超疏水表面可以在冰核形成前將撞擊而來的水滴反彈走，同時也發(fā)現(xiàn)，即使低于這個溫度，冰也很容易被移除。2011年，Jung等[12]調(diào)查研究了未處理表面和涂層表面的延遲結冰性能，表面從親水性到超疏水性，結果表明，表面的抑冰特性不僅受表面潤濕性的影響，而且受表面粗糙度的影響。

2016年，文獻[13]研究了多個水滴在冰層表面上的連續(xù)結冰過程，結果表明：當水滴的初始高度較小時，后續(xù)液滴只能覆蓋之前滴落液滴所形成冰錐的一部分；當水滴的初始高度較大時，后續(xù)液滴可以覆蓋之前滴落液滴所形成冰錐的全部。圖2和圖3顯示了不同滴落高度下連續(xù)液滴在冰層上的結冰過程。2016年，文獻[14]研究了單個水滴在冰層上的撞擊及結冰過程，研究顯示：水滴撞擊冰層表面時，水滴鋪展到最大接觸直徑后不會發(fā)生回縮現(xiàn)象；當冰層表面的初始溫度相同時，液滴初始高度的增大會導致水滴結冰時間的縮短。

2016年，Zhang等[15]通過試驗和數(shù)值模擬的方法研究了水滴結冰問題，選用普通鋁板為基板，鋁板的表面有經(jīng)過處理和沒有處理兩種，處理后的鋁板表面為超疏水表面，通過試驗得到了水滴在這兩種表面的結冰過程，并以試驗數(shù)據(jù)為參考點，對比了數(shù)值模擬的結果。由于水滴結冰是一種復雜的相變傳質傳熱現(xiàn)象，試驗時簡化了模型，不考慮水滴結冰后密度發(fā)生變化，采用等效熱熔法，使用COMSOL數(shù)值模擬軟件得到一系列結果，并以液滴三相點的位移變化對比試驗和模擬結果。結果顯示，結冰過程的前半段模擬效果與試驗數(shù)據(jù)較吻合，但結冰快要結束時試驗產(chǎn)生冰錐，而模擬無法產(chǎn)生冰錐，所以偏差很大。

▲圖2 冰層溫度為-9.5℃、液滴高度為12 mm時連續(xù)液滴結冰過程

▲圖3 冰層溫度為-9.5℃、液滴高度為52 mm時連續(xù)液滴結冰過程

3 低溫環(huán)境下水滴結冰問題研究現(xiàn)狀

研究者們也進行了低溫環(huán)境下水滴結冰問題的研究，發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下水滴結冰與室溫環(huán)境下有很大不同。室溫環(huán)境下，水滴從水滴與基板的接觸面開始結冰，一層一層向上生長，最后形成一個尖端。而低溫環(huán)境下，水滴的外表面會最先生成一個冰殼，隨后水滴由外向內(nèi)結冰，如果結冰過程中水滴內(nèi)部的壓強足夠大，那么整個液滴會發(fā)生破裂。

1958年，Langham等[16]觀察了不同直徑去離子水的凍結過程。試驗中的液滴懸浮在兩種不混溶液體的界面上，試驗結果表明，如果液滴的直徑超過50 μm，液滴在凝固過程中就會出現(xiàn)冰的破裂，并釋放出大量小冰碎片。

1960年，Mason等[17]將液滴懸掛在溫度和空氣濕度可控的冷藏庫中心位置，觀測液滴的凍結過程。當液滴的過冷度大約為-15℃，液滴直徑為1 mm時，液滴的外表面會形成一層冰殼，冰殼內(nèi)部含有大量小氣泡，同時溫度迅速升到0℃，伴隨著潛熱的釋放，液滴內(nèi)部也逐漸凍結。當液滴的形核溫度為-1℃或-2℃時，結冰初始階段，一層薄且透明的冰層會在液滴表面形成。當冰殼變厚時，冰殼表面凸起膨脹，形成較長的冰針。形核溫度為1℃、環(huán)境溫度為-10℃時，液滴結冰序列如圖4所示。

▲圖4 液滴結冰序列

1967年，Dye等[18]討論了各種因素對水滴凍結和碎片化的影響，這些因素包括環(huán)境氣體的性質。如果溫度低于-9℃，液滴在氫氣中結冰時會頻繁破裂。在溫度為-13～-10℃時，液滴在氦氣中結冰時會偶爾發(fā)生破裂。液滴在空氣和二氧化碳混合氣體中結冰時，液滴的破裂取決于二氧化碳的濃度。1968年，Hobbs等[19]研究了與自然云層環(huán)境接近試驗環(huán)境下的液滴結冰現(xiàn)象，試驗結果表明，當液滴的直徑在 50～500 μm范圍內(nèi)時，液滴結冰過程會發(fā)生液滴破裂現(xiàn)象，而液滴的直徑在20～50 μm范圍內(nèi)時，未觀測到結冰液滴的破裂現(xiàn)象。

1969年，Visagie[20]用一個小的石英玻璃布爾頓管（圖5）測量了直徑7～10 mm結冰液滴的內(nèi)部壓強。試驗結果顯示，結冰液滴的內(nèi)部壓強重復升高和降低，當?shù)我和獠康谋鶜て屏褧r，液滴內(nèi)部的壓強降低。破裂時的壓強隨著冰殼厚度的增大而升高，同時也與結冰的速率有關。

1999年，Tagami等[21]將液滴懸浮在磁場中，研究了液滴在低溫環(huán)境中的結冰過程。試驗中液滴的直徑約為6 mm，當液滴的溫度為0℃時，以一個接近-0.3℃/min的速度給液滴降溫，液滴的溫度可以降到-10℃而不結冰?？紤]到液滴結冰釋放的潛熱為79.7 cal/g（1 cal=4.184 J），液滴開始結冰時，整個液滴不可能瞬間結冰，并會在液滴的表面形成一個冰殼。假設在理想絕熱狀態(tài)下，冰殼的質量大約為整個液滴的12%。

1999年，Gao等[22]設計了一個特殊的垂直式風洞，研究了自由懸浮廢水液滴的結冰行為。整個結冰過程用相機記錄下來。他們還研究了不同環(huán)境溫度下的液滴結冰行為，結果顯示：在不同的溫度條件下，結冰都從液滴的底部開始，然后蔓延至整個液滴表面，形成一個冰殼；液滴表面的結冰速度是一個與環(huán)境溫度和液滴化學性質有關的函數(shù)。

▲圖5 石英玻璃布爾頓管

2003年，Hindmarsh等[23]分別從模擬和試驗的角度研究了液滴結冰時的溫度轉變。他們將液滴懸浮在熱電偶的末端，通過熱電偶記錄了液滴結冰時的溫度變化。他們同時應用一個簡單的熱平衡模型，精確地預測了液滴的結冰時間。關于數(shù)值模擬時模型的建立，他們提出水滴結冰時可能出現(xiàn)的兩種狀態(tài)：①水滴開始結冰的位置為熱電偶的末端，即液滴由內(nèi)向外開始結冰；②液滴開始在表面形成一層冰殼，然后向內(nèi)結冰，即液滴由外向內(nèi)結冰。當然，大部分試驗觀測到的都是液滴由外向內(nèi)結冰。

2010年，張志勁等[24]研究了不同覆冰環(huán)境參數(shù)下LXP-160玻璃絕緣子表面覆冰增長的影響，結果表明水滴顆粒直徑與風速越大或溫度越低，絕緣子表面覆冰增長越快，其冰棱越長且越粗。溫度對絕緣子覆冰的類型有影響：當風速小于0.5 m/s，液態(tài)水質量濃度為110 g/m3，水滴顆粒直徑為 130 μm，溫度小于-8℃時，絕緣子表面覆冰類型為雨??；當溫度為-11℃時，絕緣子表面覆冰類型為硬霧凇。

2015年，Mcdonald等[25]研究了水滴在超疏水表面上的結冰過程，并測量了冰的粘附力強度。水滴結冰現(xiàn)象有兩個明顯的轉變階段：液滴外表面會形成一層冰殼，在水滴的頂部會形成一個向上的尖端。同時他們發(fā)現(xiàn)，表面微納米結構的圖形排列會加速水滴結冰的轉變，但同時由于水滴與表面的接觸面積減小，降低了冰與表面的粘附力。

2016年，Buttersack等[26]用超聲的方法將液滴懸浮在人工氣候室中，研究了液滴的結冰過程。他們把試驗結果代入有限元分析，得到了很好的模擬結果。2017年，Wildeman等[27]利用高速相機記錄下水滴從外向內(nèi)結冰的動力學過程，他們提出一個基本的模型來闡明液滴內(nèi)部壓力與壓力釋放的關系。這一模型表明：對于毫米級液滴，爆炸的碎片速度與液滴的大小無關，只取決于材料的性質；當液滴的直徑小于50 μm時，液滴根本不會爆炸。

4 結束語

筆者從環(huán)境溫度考慮，分析了國內(nèi)外研究水滴結冰問題所得到的成果。雖然研究人員對于水滴結冰問題已經(jīng)做了大量研究，對設計防冰除冰系統(tǒng)有一定幫助，但這還遠遠不夠，仍需研究者們繼續(xù)努力。

考慮到水滴覆冰的實際情況，水滴的覆冰可以看成兩個階段。第一階段是水滴在冷表面上的結冰過程。針對這一階段的研究，主要從表面材料、表面溫度、表面粗糙度和表面潤濕性考慮，為設計防冰除冰的工作人員提供了大量理論和試驗基礎。隨著覆冰的發(fā)生，第二階段可認為是水滴在冰層上的結冰問題。

針對第一階段的研究，雖然已有很多，但是大部分試驗的環(huán)境溫度為室溫，這與結冰的實際環(huán)境并不相同。針對第二階段，仍然有很大空間供研究者探索。因此，希望有更多的研究者從考慮液滴結冰時的實際溫度出發(fā)，模擬水滴結冰時的空氣環(huán)境狀態(tài)，設計試驗繼續(xù)研究水滴結冰問題，為設計防冰除冰的工作者們提供充分的試驗依據(jù)。