水滴结冰结霜及合成双射流除霜除冰实验研究

李玉杰，罗振兵

水滴结冰结霜及合成双射流除霜除冰实验研究

李玉杰，罗振兵＊

（国防科技大学航天科学与工程学院，长沙 410073）

摘要：对水滴结冰结霜过程及合成双射流除霜除冰过程进行了实验研究。实验中利用半导体制冷片作为实验板将温度从室温降低到－30℃，在水滴凝固结冰结霜后启动合成双射流激励器。采用电子显微镜观测水滴凝固结冰结霜过程及合成双射流除霜除冰过程。结果显示：在合成双射流的作用下，霜的结构迅速由细长针叶状变为短粗的柱状冰晶，霜的厚度变薄；随后，由于合成双射流强迫对流换热作用，凝固水滴上的冰晶及锥形冰尖发生融化，凝固水滴上冰晶高度缓慢下降，锥形冰尖变平滑，融化的液态水在沿凝固水滴向下流动时遇冷再冻结，与下游冰晶结为更加质密的小颗粒状白霜，凝固水滴变矮，与冷平面接触面积增大。
关键词：合成双射流；水滴；结霜；除霜；除冰
中图分类号：V211.71；O358文献标识码：A

0 引 言

结霜是潮湿空气中的水气遇冷凝结的过程，在低温、制冷系统中是一种非常普遍的现象，其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，改变了机翼气动特性，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，研究结霜机理、探索有效的抑霜除霜方法一直受到国内外学者的普遍关注。

Hayashi等人［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了3个阶段，即：霜晶生长期、霜层生长期和霜层充分生长期。其中水滴的结冰结霜过程是结霜过程研究的基础，十分重要，引起了许多研究者的关注。Carte［3］用显微镜研究了水滴在不同表面凝结的过程。许旺发等［4］测量了水平冷面结霜过程中，过冷水珠冻结的时间和冻结直径。Feuillebois等［5］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［6］进行了自然对流条件下平板表面结霜过程的试验和理论研究，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［7］研究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公式。吴晓敏等对强制对流条件下的结霜现象进行了实验研究，得到了冷面温度、空气温度、空气湿度和空气流速等对过冷水珠凝结及结霜特性的影响。

除霜的方法有很多种，如外加电场抑制结霜［810］、磁场抑制结霜［11］、超疏水材料［12－14］或亲水性材料抗结冰结霜［15－16］以及超声波抑制平板表面结霜［17－19］等。Swanson等［8］发现电场影响霜层表面附近水分子的扩散方式。当霜晶生长时，在晶体的周围将会产生一个较强的电场，如果电场有很强的梯度，那么被极化的水分子会被沿着电场方向吸引。Tudor［9］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［11］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［12］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［13］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，形成的霜层稀疏且较易去除。Okoroafor［15］采用高聚物亲水表面进行了2个多小时的结霜实验测量，可使结霜速率和霜厚减少10%～30%，但亲水表面的厚度达到0.7mm。Kazunari［17］对外加超声波振动的冷表面结霜过程进行了实验研究，发现通过超声波振动，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［20－21］，合成射流除冰除霜技术是近年合成射流应用方向的新发展［22］。2013年Jin等人［23］对合成射流影响水滴在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，合成射流除冰除霜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，其由2个腔体和2个出口共享一个振动膜构成，合成双射流激励器除了具有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［24］。鉴于合成双射流激励器的优点，本文重点对合成双射流除霜过程进行实验研究，探索其除霜机理和可行性，以推进其在除霜方面的应用。

1 实验研究

1.1实验设备

1.1.1合成双射流激励器及其控制系统

实验合成双射流激励器如图1所示，采用长宽分别为20和2mm的矩形出口构型，深4mm，2出口间距为8mm，单个腔体体积为14.3×103mm3。

图1 合成双射流激励器Fig.1 The 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540Hz、电压±170V。示波器用来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）施加交流电信号来实现驱动，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。

图2 双射流激励器及其控制系统实物照片Fig.2 The picture of DSJA and its control system

图3为距离激励器出口高度20mm，在激励器出口长边中心线上不同位置激励器一个周期的平均速度曲线，其中X＝±4分别为激励器2个出口的中心。如图3所示，在距离激励器出口20mm处的平均速度曲线有3个峰值，分别是2个出口的附近以及2出口的中心位置。

图3 平均速度分布曲线（Y＝20mm）Fig.3 Distribution of the velocity

实验制冷设备为半导体制冷片，制冷片为边长40mm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等4部分组成。图4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15.2V、电流2.4A。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，实验中温度控制器温度设定为－30℃，即半导体制冷片的工作温度控制在－30±3℃。继电器与制冷片及散热器串联，与温度控制器并联，当热电阻反馈制冷片温度未降到－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，由此控制制冷片的工作温度为－30℃。

图4 半导体制冷片及其控制系统实物照片Fig.4 The picture of semiconductor－cooled－board and its control system

1.2实验过程

图5为实验工作系统示意图。

具体实验步骤如下：

1.2.1准备过程

（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（常温下的普通水），并且标记水滴位置；

（2）调节温度控制器限制温度为－30℃，将热电阻粘结在制冷片表面；

（3）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20mm，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200V，频率450Hz。

1.2.2测试过程

（1）开启可调电源，使半导体制冷片工作，等到工作温度下降到－30℃；

（2）开启电子显微镜自动拍摄功能时间间隔为1s；

（3）在标记处滴落水滴，观测并记录水滴变化；

（4）等到水滴形态不改变时，信号发生器输出信号，合成双射流激励器开始工作，记录水滴变化过程；

（5）待水滴形态不再改变时，关闭电子显微镜，记录环境温度、湿度和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。

图5 实验系统示意图Fig.5 The sketch map of the experimental system

1.3实验现象及分析

实验过程中，环境的相对湿度和温度为62.3±1.5%，20.3±2.0℃，激励器的作用不改变环境大气的温度。实验分为2个过程：（1）先将实验板降温至－30℃，滴下水滴，至水滴完全结冰，并且冰形不再改变；（2）合成双射流激励器周期性的吹吸气体作用于结冰水滴，直至水滴形态不再改变。

（1）水滴凝固及结霜

如图6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，图6（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6（a）～（d）所示，水滴外表面自下而上逐渐凝固，在t＝5s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6（h）所示，在t＝12s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。

图6 水滴凝固过程Fig.6 The 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7），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7（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7（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。

图7 凝固水滴结霜过程Fig.7 The process of restraining frost on the surface of a frozen droplet

（2）合成双射流激励器除霜过程

图8为合成双射流作用下凝固水滴结霜的形态随时间的变化图。合成双射流激励器工作时，热电阻测量制冷片温度为－30.0±2.0℃，如图8（a）～（h）所示，水滴结晶表面的霜逐渐减少。针叶状霜的“针尖”迅速消失，霜的厚度迅速减小，并且在霜表面出现一层闪烁的小冰晶，说明针叶状霜“针尖”的消失不仅是由于射流产生力的吹除作用，而且产生了融化再凝固的相变过程。随着时间的推移，凝固水滴表面的霜在整个凝固水滴表面变得均匀，如图8（h）所示，整个水滴变成白色，表面均匀覆盖了一层的柱状冰晶。

继续利用合成双射流作用于凝固水滴，如图9（a）～（h）所示，凝固水滴和其表面冰晶发生缓慢变化。随着时间的推移，由于合成双射流强迫对流换热的作用，凝固水滴上的冰晶及锥形冰尖逐渐融化，凝固水滴表面的闪光柱状小冰晶逐渐消失，凝固水滴的高度逐渐降低，锥形尖端逐渐变得平坦，融化的液态水在沿凝固水滴向下流动时遇冷再冻结，在下游结为更加质密的小颗粒状白霜，凝固水滴与冷板平面的接触面积增大。

图8 合成双射流除霜过程Fig.8 The process of reducing frost using DSJA

分析整个过程（2），霜的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［19］，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，水蒸气在霜表面凝华沉积的速率小于霜表面升华的速率，所以针叶状霜的“针尖”迅速消失，霜层尤其是冰晶顶部的霜明显变薄。同时，由于合成双射流强化对流换热的作用，使得凝固水滴上端和柱状冰晶融化并向下流动后再凝固，所以如图9（h）所示，凝固水滴表面的闪光柱状小冰晶逐渐消失，凝固水滴的高度逐渐降低，锥形尖端逐渐变得平坦，下游出现更加质密的小颗粒状白霜，凝固水滴与冷板平面的接触面积增大。

图10是水滴结冰结霜及合成双射流除霜除冰过程凝固水滴高度变化曲线。由图6～10可知，水滴在－30℃冷板上结冰结霜速度很快，高度增加，不到30s就完全结冰结霜，尔后高度增加缓慢。合成双射流除霜除冰时，不到2s针叶状霜迅速消失，高度迅速下降，主要是由合成双射流作用力吹除和对流换热融化作用，且吹除作用占主导；尔后由于合成双射流强迫对流换热对冰晶及锥形冰尖的融化作用，凝固水滴的高度降低缓慢，合成双射流除冰作用主要是射流的对流换热融化作用。实验结果表明：合成双射流对于针叶状霜的除霜效果显著，对于冰晶／冰滴的除冰效果较差。

图9 合成双射流除冰过程Fig.9 The process of reducing frost using DSJA

图10 水滴高度变化曲线Fig.10 Height variation of the droplet over time

2 结 论

本文对水滴在低温平板上的结冰过程及合成双射流除霜除冰过程进行了显微可视化实验研究。实验结果表明：

（1）当水滴落至低温平板表面时凝固过程立刻开始，水滴从下部向上逐渐凝固，水滴表面凝固速度快于内部。水滴完全凝固时不再透明，顶端突出，变为锥形。在水滴凝固过程中已凝固部分伴随着微量的结霜。在水滴凝固为冰后，潮湿空气中的水蒸气迅速凝华在水滴表面，并由凝固水滴的顶端开始向下逐渐形成针叶状霜。随着时间的推移，凝固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，主要集中在凝固水滴上部。

（2）在合成双射流作用下，凝固水滴表面上针叶状霜的“针尖”迅速消失，霜的厚度迅速减小，并且在霜表面出现一层闪烁的柱状冰晶，其除霜机理主要是由于合成双射流作用力的吹除作用和射流换热的融化作用，且射流力的作用占主导；在合成双射流持续作用下，由于射流的对流换热，即射流热的作用占主导，凝固水滴和冰晶发生融化，凝固水滴表面的闪光柱状小冰晶消失，凝固水滴的高度缓慢降低，锥形尖端变得平坦，融化的液态水在沿凝固水滴向下流动时遇冷再冻结，与下游冰晶结为更加质密的小颗粒状白霜，与冷平面接触面积增大。

（3）合成双射流对针叶状霜的除霜效果显著，但对冰晶／冰滴的除冰效果较差，其主要原因是合成双射流除霜除冰的“力”“热”机理不同，因此，通过改善合成双射流的热作用有望进一步改进合成双射流除冰技术。

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An experimental investigation on the process of droplet icing／frosting and defrosting／deicing using dual synthetic jet

Li Yujie，Luo Zhenbin＊
（College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

The processes of a droplet icing／frosting and defrosting／deicing using a dual synthetic jet actuator（DSJA）was experimentally studied.The temperature of a semiconductorcooled board was reduced to－30℃，and the DSJA was started after the droplet was frozen.The processes of the droplet icing，frosting，defrosting and deicing were observed by an electron microscope.The experimental results show that the structure of the frost changes quickly from needle to column，and then to granule.Meanwhile，the thickness of the frost attenuates.Later on，because the DSJ can enhance the heat transfer，the cone of the frozen droplet becomes flattish and the height of the frozen droplet decreases slowly.The thawed water flows downwards and freezes again.The interface area between the frozen droplet and the semiconductor－cooled board is increased.

dual synthetic jet；droplet；frosting；defrosting；deicing

（编辑：杨 娟）

1672－9897（2016）03－0027－06

10.11729／syltlx20160004

2015－12－22；

2016－02－24

＊通信作者E－mail：luozhenbing＠163.com

Li Y J，Luo Z B.An experimental investigation on the process of droplet icing／frosting and defrosting／deicing using dual synthetic jet.

Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（3）：27－32.李玉杰，罗振兵.水滴结冰结霜及合成双射流除霜除冰实验研究.实验流体力学，2016，30（3）：27－32.

李玉杰（1991－），男，新疆博乐人，硕士研究生。研究方向：实验流体力学与测试。通信地址：湖南省长沙市开福区国防科学技术大学（410073）。E－mail：13080508742＠163.com