铝合金壁面液滴融化特性研究

危金卓 李虎林 杨梦雅 聂锋锟 张弛 管婷

铝合金壁面液滴融化特性研究

危金卓 李虎林 杨梦雅 聂锋锟 张弛 管婷

（中国民航大学 300000）

本文利用微距摄像装置研究了半球状冰滴在不同倾角（0°、15°、30°、45°、60°、70°、90°）的金属面上融化与滑移过程，对比分析冰滴融化时间、冰滴铺展直径、冰滴接触角、冰滴滑移位移等相关参数得到了部分冰滴融化过程中的相关规律。实验结果表明：在铝合金壁面上冰滴未发生滑移时，冰滴铺展直径变化量与冰滴滑移速度随倾角增加而增大，冰滴铺展直径变化量在斜面倾角为β0时达到最大，同时冰滴在斜面倾角β≥β1时开始出现较为明显的滑移形象，其中β0与β1的取值区间均为[45°，60°]；冰滴融化过程中接触角的大小与冰块融化速率、冰滴所处表面倾角有关，冰块融化速率越快、冰滴所处表面倾角越大接触角变化率越大，该接触面下冰滴接触角始终小于 90°。

微距摄影；融化；倾角；铺展；滑移

1 引言

结冰现象是一种不可避免的自然现象，它给许多领域带来巨大的危害同时也给国家造成巨大经济的损失。特别是飞机结冰问题，严重影响民航运输的安全。目前，国内外各研究机构对水滴在冷表面上结冰的相关问题进行了大量的实验研究[1～2]，并取得了一定成果，这些成果为辅助工程技术人员开发更为有效的抑冰方法和技术手段提供了实验基础和参考依据。但水的冻结过程中受到多因素的影响，同时空气中水滴体积小且在低温条件下的冻结速度极快不易于实验观察研究[3]，所以目前仍未形成一套较为有效的抑冰化冰方案。

针对结冰问题，主要解决方法是抑冰和化冰；对于冰滴融化过程的研究较少。本文利用微距摄像装置研究冰滴（本文中冰滴指的是融化过程中由液滴结冰形成的冰水混合物）在不同倾角的光滑铝合金表面融化与滑移过程，对比分析相关参数得到了部分冰滴融化过程中的相关规律，为工程上解决飞机结冰化冰问题提供一定的实验基础和参考依据。

2 实验装置与方法

实验装置分为两部分，图1所示为液滴制冷装置，主要包括流变仪制冷台、铁架台、产生液滴移液枪和平头针管、光滑的铝合金试片（试片厚度为2mm，长为6cm，宽为3cm）；图2所示为冰滴融化瞬态图像抓拍装置，主要包括微距摄像机、（带有距离标度）、记录并存储图像结果的计算机等。调节图2中恒温箱温度至20℃，待其内部温度稳定后，按图1，将铝合金试片置于流变仪制冷台上，控制制冷温度为-25℃，通过控制移液枪，移取体积为0.2ml蒸馏水使之缓慢流出并在针尖处形成液滴（针尖试片表面距离为1cm），由于重力作用液滴自然下落至低温光滑铝合金壁面并迅速结冰形成半球形冰滴；对液滴持续制冷5min，随后迅速将其移出至图2的铜基体斜块上，调整氙灯与灯光扩散器直至最好拍摄状态，通过微距摄像机连续拍摄冰滴融化与滑移过程。

图1 液滴制冷装置

图2 冰滴融化图像微距拍摄装置图

本实验采用不同倾角的铜基体改变冰滴在融化与滑移过程中所处的角度，设置有 0°、15°、30°、45°、60°、70°、90°等 7 个不同角度的实验组别。采用背光法拍摄冰滴融化与滑移过程，使用计算机以铜基体的距离标度测量冰滴融化与滑移过程中铺展直径、滑移距离、接触角等参数。

3 实验结果及分析

通过对图片进行还原处理测定液滴接触角θ，液滴处于不同角度位置时以下滑移点接触角作为研究对象，接触角计量方法见图3，图4～5分别为冰滴在不同倾角下铺展直径d随时间变化图以及冰滴上侧点位移-时间图，从图4，冰滴在倾角为0°和15°时铺展直径的d变化较小，当倾角增大至30°以后冰滴铺展直径d明显增大，在45°倾角时冰滴铺展直径变化量达到最大为3.8052mm，结合图3，当冰滴处于竖直面时由于重力作用最为显著冰滴较早发生明显的滑移，从图5冰滴在60°随着倾角增大冰滴滑移速度随之增加；冰滴滑移速度随接触面倾角增加而增大，在光滑铝合金试片上，冰滴铺展直径变化量在斜面倾角为β0时达到最大，同时冰滴在斜面倾角β≥β1时开始出现较为明显的滑移形象，其中β0与β1的取值区间均为[45°，60°]。

图3 接触角θ计量方法图

图4 冰滴在不同倾角下铺展直径d随时间变化

图5 冰滴在不同倾角下上侧点位移-时间

4 结论

（1）在光滑铝合金壁面上，冰滴未发生滑移时，冰滴铺展直径变化量与冰滴滑移速度随倾角增加而增大，冰滴铺展直径变化量在斜面倾角为β0时达到最大，同时冰滴在斜面倾角β≥β1时开始出现较为明显的滑移形象，其中 β0与 β1的取值区间均为[45°，60°]。

（2）在光滑铝合金壁面，冰滴融化过程中接触角的大小与冰块融化速率、冰滴所处表面倾角有关，冰块融化速率越快、冰滴所处表面倾角越大接触角变化率越大。

[1]李维仲，朱卫英，权生林，姜远新.液滴撞击水平固体表面的可视化实验研究[J].热科学与技术，2008（7）2：155～160.

[2]吕福扣，刘宝林，李维杰，吴酉芝.纳米低温保护剂溶液冻结和融化过程的显微研究，低温物理学报，35（2013）：156.

[3]陶乐仁.华泽钊，低温保护剂溶液结晶过程的显微实验研究，工程物理学报，22（2001）：481.

TK124

A

1004-7344（2016）33-0316-02

中国民航大学研究生科技创新基金项目（Y16-21）。

2016-11-13

危金卓（1992-），男，湖北咸宁人，硕士研究生，师从陈世一教授，研究方向为油气集输。