过冷大水滴撞击结冰特性实验研究

唐扬刚 吴敬涛 邓文亮

(中国飞机强度研究所 西安 710065)

1 引言

1994 年美国鹰航的一架ATR72 飞机因机翼结冰而坠毁,空难调查结果表明ATR72 飞机遭遇了超出FAR 25 Appendix C 规定的结冰环境,达到了过冷大水滴(supercooled large droplets,SLD)的结冰条件[1]。随后FAA 开展了大量的SLD 结冰的研究,并在2014年公布的适航条例中补充了SLD 结冰气象规范,即FAR 25 Appendix O。

SLD 在撞击结冰过程中具有独特的动力学特性,如变形、破碎、飞溅和反弹等。国外Luxford[2]等将高速成像技术应用到实验中,分析了不同直径水滴的变形和破碎过程。Mundo[3]等通过实验研究了粒径在60 μm 到150 μm 的水滴的飞溅现象,建立了Mundo液滴飞溅模型。Tan[4-5]在Mundo 模型的基础上,通过实验研究构建了单个水滴飞溅损失的模型。Thoroddsen[6]等开展了单个水滴撞击翼型表面的实验,分析了水滴撞击翼型表面时产生的喷射状水滴飞溅的过程。Chaudhary[7]等研究了亲水及疏水表面静止液滴的冻结过程,表明水滴冻结时间与水滴温度及固体表面特性有关。

上述研究主要聚焦于常温下SLD 的变形、破碎、飞溅等动力学特性,未就这些动力学特性对SLD 撞击结冰特性的影响开展进一步研究。

国内王桥[8-9]等开展了温度对单个大水滴变形及阻力特性影响的实验研究,揭示了水滴变形特征和阻力特性变化的3 个阶段,并分析了粗糙度对大水滴飞溅特性的影响。郭龙[10]等对水滴加速运动过程中的变形现象进行了实验研究,分析了变形对其阻力特性的影响。文献[8—10]仍是对常温下SLD 动力学特性的实验分析,未考虑其对撞击结冰特性的影响。孙金绢[11]等通过实验分析了冷板上的静止液滴的冻结过程,并研究了冷板温度、液滴体积、空气相对湿度和空气流速对液滴冻结时间的影响;刘鑫[12]等对壁面上20 μL 静止水滴进行了冻结实验,记录了水滴三相点高度的演化过程。文献[11—12]仅对静止液滴的冻结机理开展了深入的分析,但是SLD 撞击结冰需要同时考虑水滴的过冷状态及运动特性对结冰的影响。文献[13]虽然研究了SLD 碰撞结冰机理,但水滴粒径仅考虑了500 μm 和800 μm,缺乏对更大直径的SLD 撞击结冰特性的研究。

本文开展了更大粒径SLD 撞击结冰特性实验研究,设计了一套SLD 生成及撞击结冰的实验装置,对水滴直径、水滴过冷度、水滴撞击速度和壁面温度进行了标定,通过改变实验参数分析了各因素对SLD撞击结冰过程及冻结时间的影响。

2 实验装置

实验装置如图1 所示,主要包括水滴发生器、水滴预冷装置、壁面制冷装置、图像采集系统等。

图1 实验装置Fig.1 Experiment devices

2.1 水滴发生器

图2 为水滴发生器示意图,利用注射泵进行吸液和排液,控制排液量,进而控制水滴体积大小,同时更换不同孔径的针头,达到精确控制水滴体积大小的目的。

图2 水滴发生器示意图Fig.2 Schematic of droplet generator

为了使水滴更容易达到过冷状态,应保证进入预冷装置之前的水滴温度越接近0 ℃越好。采用如图3 所示的装置对水滴的初始温度进行调节,半导体制冷片冷端与针头固定装置间涂满导热硅脂,加强导热效果,热端采用水冷换热方式带走热量。通过调节半导体制冷片两端的电压大小来控制冷端表面温度,从而调节水滴初始温度。

图3 水滴初始温度控制装置示意图Fig.3 Schematic of droplet initial temperature control device

2.2 水滴预冷装置

水滴预冷装置如图4 所示,用不锈钢管套在铜管外面,铜管内径为1 cm,不锈钢管内径为10 cm,高60 cm,外层包裹保温棉。铜管与不锈钢管通过上下端盖连接,上端盖留有出/入口各一个,打开液氮罐阀门,液氮流入不锈钢管中,使铜管内环境迅速冷却,水滴穿过低温环境下的铜管,从而达到过冷状态。

图4 预冷装置示意图Fig.4 Schematic of pre-cooling device

2.3 壁面制冷装置

图5 为壁面表面制冷装置的示意图,用半导体制冷方法冷却实验板,调节半导体制冷片两端的电压大小,控制实验板表面温度,并用热电偶测量试验板表面温度。

图5 壁面制冷装置示意图Fig.5 Schematic of wall refrigeration device

2.4 图像采集系统

采用高速摄像机和微距镜头记录水滴撞击及冻结过程,再通过图像处理技术对比每帧图片的区别,当两张图片一致时即认为水滴冻结完成,从而得到水滴冻结时间。

3 水滴撞击结冰实验方法和项目

3.1 水滴直径标定

通过调节注射泵的排液量来控制水滴体积的大小,同时更换不同孔径的针头,标定得到3 种不同直径的水滴,如表1 所示。

表1 水滴直径标定结果Table 1 Calibration results of droplets diameter

3.2 水滴温度标定

通过调节水滴温度控制装置上半导体制冷片的电压来控制水滴初始温度,经调节,当电压为4.02 V时,能保证进入预冷装置的水滴温度基本保持在1 ℃左右。

3.3 水滴撞击速度标定

水滴撞击速度通过水滴自由释放的高度来调节,根据水滴自由下落过程中的能量守恒计算得到不同下落高度对应的水滴撞击速度,如表2 所示。

表2 水滴撞击速度标定结果Table 2 Calibration results of droplets impacting velocity

3.4 水滴过冷度计算

采用水滴预冷装置对水滴进行换热冷却,使其达到过冷状态。为了确定水滴在经过预冷装置后的温度(即过冷度),需要对水滴进行受力分析,以及对水滴和低温环境之间的传热传质过程进行分析。文献[14]建立了描述单个水滴运动过程中的传热传质模型,本文参考该模型,计算得到了不同环境下不同直径的水滴在经过水滴预冷装置后的温度,如图6 所示。实验中只要给定需要的水滴过冷度,即可从图6中查询确定需要的预冷装置设定温度。

图6 水滴过冷度与预冷装置设定温度关系Fig.6 Relation between supercooling degree and pre-cooling device at set temperature

3.5 水滴预冷装置温度标定

通过向水滴预冷装置中通入液氮来降低其内部温度,当达到某一最低温度后关闭液氮罐阀门,预冷装置逐渐升温,采用热电偶测得预冷装置铜管内部温度随时间的变化,如图7 所示。液氮罐阀门关闭时,预冷装置内的温度为最低温度,之后温度逐渐升高,升温的速率的逐渐减小,当升温速率小于1 ℃/min时,认为预冷装置内的温度达到稳定的设定温度,即可开始进行实验。

图7 预冷装置温度随时间变化趋势Fig.7 Variation trend of temperature of precooling device at different time

采用上述方法,经过多次实验后,得到预冷装置设定温度和最低温度的关系,如图8 所示。实验过程中根据所需的预冷装置设定温度,从图8 中查询确定对应的最低温度。

图8 预冷装置设定温度与最低温度关系Fig.8 Relation between set temperature and minimum temperature of pre-cooling device

3.6 实验项目

实验中改变水滴直径、水滴过冷度、水滴撞击速度和撞击壁面表面温度来研究不同因素对SLD 撞击结冰特性的影响,实验工况见表3。

表3 实验工况Table 3 Experiment conditions

4 实验结果及分析

4.1 SLD 撞击结冰特性

SLD 在撞击的过程中会出现变形、破碎和飞溅等现象,其结冰特性与一般尺寸水滴有较大的差异。从本文的实验结果来看,SLD 撞击后呈现3 种典型的撞击结冰特性。

图9 给出了单个SLD 撞击结冰的整个过程,水滴直径为2.13 mm,过冷度为0 ℃,撞击速度为3.7 m/s,壁面温度为-20 ℃。从图9 中可看出,水滴在撞击到壁面后,由于受到壁面的阻挡,水滴的动能向其表面张力能转化,进而在壁面上摊开,同时出现飞溅现象,当摊开到最大尺寸时,水滴又在其表面能的作用下回缩,在回缩完成后完全冻结。该过程与文献[13]描述的SLD 第一类回缩-结冰过程相似。

图9 水滴摊开-回缩完成后冻结Fig.9 Droplet freezing after spreading-retraction

随着过冷度或壁面温度的降低,水滴与壁面的换热速率增大,水滴在回缩的过程中就可能完成冻结,从而出现环形的回缩痕迹,如图10 所示。而随着过冷度或壁面温度的进一步降低,水滴在摊开的过程就完全冻结,不会出现回缩的现象,如图11 所示。

图10 水滴在回缩时完成冻结(D=2.13 mm,Tsc=-3 ℃,Twall=-20 ℃,V=3.96 m/s)Fig.10 Droplet freezing in spreading-retraction(D=2.13 mm,Tsc=-3 ℃,Twall=-20 ℃,V=3.96 m/s)

图11 水滴在摊开时完成冻结(D=2.68 mm,Tsc=-3 ℃,Twall=-30 ℃,V=3.96 m/s)Fig.11 Droplet freezing in spreading(D=2.68 mm,Tsc=-3 ℃,Twall=-30 ℃,V=3.96 m/s)

4.2 水滴直径对SLD 结冰特性的影响分析

水滴直径对SLD 撞击飞机表面的范围、撞击量等有重要影响。表3 中的工况1—9 研究了不同过冷度下不同水滴直径对结冰特性的影响,得到水滴的冻结时间,如图12 所示。从图12 中可以看出,对于同一过冷度的水滴,水滴直径从2.13 mm 增加到3.06 mm,水滴的冻结时间急剧增大。从热力学过程来看,水滴冻结首先是水滴温度下降到一定过冷度并形成冰核,然后从水滴底部自下而上开始冻结,直至整个水滴完全冻结[11]。水滴体积随着水滴直径的增大而成倍增加,在外部冷源基本不变的情况下,水滴需要更多的换热时间才能达到冻结需要的过冷度,从而导致冻结时间增大。从宏观表现来看,水滴体积的增大使得水滴撞击后的摊开面积更大,水滴撞击后摊开的时间或回缩时间相应增加,从而表现出水滴整体的冻结时间增大。

图12 不同水滴直径下的冻结时间Fig.12 Freezing time of different droplet diameters

4.3 过冷度对SLD 结冰特性的影响分析

从图12 可以看出,对于同一直径的水滴,当过冷度从0 ℃下降到-6 ℃时,水滴的冻结时间逐渐减少。这是由于水滴的过冷度越大,水滴越接近冻结需要的过冷程度,且水滴与壁面的接触面能更快达到形成冰核所需的温度,从而增大了水滴的结冰速率。

4.4 撞击速度对SLD 结冰特性的影响分析

保持水滴的过冷度以及壁面温度不变,改变水滴撞击速度,得到水滴冻结时间,如图13 所示。从图13可知,随着水滴撞击速度的增加,水滴冻结时间显著减小,且变化幅度越来越小。一方面,随着水滴撞击速度的增大,水滴在壁面上的最大铺展尺寸也随之增大,导致水滴与壁面接触面积增大,从而提高了水滴的结冰速率,导致冻结时间减小。另一方面,撞击速度是影响冰核形成的一个重要因素,一定速度运动的水滴撞击壁面后被滞止,其动能会部分转化为形成冰核的能量,且速度越大形成的冰核数量越多,从而加快了水滴的冻结过程。

图13 不同水滴撞击速度下的冻结时间Fig.13 Freezing time of different droplet impacting velocities

4.5 壁面温度对SLD 结冰特性的影响分析

SLD 结冰是由具有一定速度的过冷大水滴撞击壁面所引起的动态冻结过程。除了水滴特性(直径、过冷度和撞击速度)以外,壁面温度同样对冻结过程具有重要影响。本文保持水滴尺寸、水滴过冷度和水滴撞击速度不变,让水滴撞击不同温度的壁面来分析其冻结过程的变化,实验结果如图14 所示。

图14 不同壁面温度下的冻结时间Fig.14 Freezing time of different wall temperatures

从图14 可知,随着壁面温度的升高,水滴的冻结时间呈增大的趋势,且变化幅度越来越大,如壁面温度为-10 ℃时水滴的冻结时间是-30 ℃时的4.81倍。这是由于壁面温度越低,水滴底部冰核能更快形成,且水滴与壁面的大温差有助于热量交换,提高了水滴的冷却速度,更快得达到相变温度,从而缩短了冻结时间。图15 给出了不同壁面温度下水滴冻结完成后的图像,当壁面温度较高时,水滴冻结速度较慢,出现了环形的回缩痕迹,随着壁面温度的不断降低,水滴冻结速度加快,回缩现象越来越不明显,直至撞击后立即冻结。

图15 不同壁面温度下水滴冻结后图像Fig.15 Image of droplet freezing of different wall temperatures

5 结论

开展了SLD 撞击结冰特性实验研究,设计了一套水滴发生与实验装置,分析了SLD 撞击结冰的过程,探究了水滴直径、过冷度、撞击速度和壁面温度对SLD 撞击结冰特性的影响,得到如下结论:

(1)SLD 撞击壁面后呈现3 种典型结冰过程,分别为摊开-回缩后结冰、摊开-回缩时结冰和摊开的过程中结冰,水滴的过冷度及壁面温度对结冰过程具有显著的影响;

(2)SLD 的直径越小、过冷度越低、撞击速度越快、壁面温度越低,其撞击壁面后的冻结时间越短。