淺談液滴撞擊過冷壁面過程中的結冰行為

——基于COMSOL的數(shù)值模擬

作者：極度喜歡上課

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一、引言

? ? ? ? 一般情況下，當溫度低于0攝氏度時，水就會發(fā)生結冰行為?！敖Y冰”存在于生活的方方面面，例如道路運輸、制冷行業(yè)、血漿儲存、航天航空等領域，如果把“結冰”作為一個研究課題，用學術性的眼光來看的話，結冰其實是一個復雜的多相、多尺度、多參數(shù)、多物理場耦合的過程。

? ? ? ? 前人做過的研究表明影響液滴撞擊過冷壁面結冰行為的因素有很多，大致可以分為以下四類：1.環(huán)境因素：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、空氣流速等；2.壁面性質：潤濕角、粗糙度、壁面溫度、形狀等；3.液滴性質：密度、動力粘度、水滴溫度、表面張力等；4.外加力場：電場力、磁場力等。

? ? ? ? 從仿真的角度來說，一個模型如果考慮越多的影響因素那么模型本身肯定會變得越復雜，隨之而來的是計算量會更大，收斂性也更差。本文忽略次要條件，主要關注環(huán)境溫度、潤濕角、壁面溫度等關鍵影響因素，建立了純水液滴自由落體撞擊過冷壁面結冰的模型，并簡要分析純水液滴的結冰過程，希望能給研究相關方向的同學帶來一定的啟發(fā)。

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二、模型的建立

? ? ? ? 本文的模型采用二維軸對稱幾何維度進行建模，如圖1所示建立幾何結構圖，模型整體為長3毫米、高4毫米的矩形，其中半圓為純水液滴，半徑為0.5毫米，圓心坐標為（0[mm]，1.5[mm]）。本文考慮了不同壁面溫度以及潤濕角對壁面結冰行為的影響，建立了四組模型，分別是：第一組壁面溫度為293.15K、潤濕角為120度；第二組壁面溫度為253.15K，潤濕角為120度；第三組壁面溫度為293.15K、潤濕角為45度和第四組壁面溫度為253.15K、潤濕角為45度。

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三、結果分析和討論

? ? ? ? 如圖2所示，為不同工況下液滴不同時刻的輪廓線圖。分別對比293.15K和253.15K不同壁面溫度的工況，可以看到不論接觸角是120度還是45度，液滴撞擊253.15K壁面的變形量要比撞擊293.15K壁面的變形量小，這很可能是因為液滴撞擊253.15K壁面時發(fā)生了結冰，抑制了液滴在撞擊過程中的振蕩。分別對比120度和45度液滴接觸角的工況，可以看到液滴接觸角越小，液滴發(fā)生的變形了越大，在（c）工況下的液滴撞擊過程中，液滴中部甚至出現(xiàn)了完全凹陷的情況。

? ? ? ? 如圖3液滴振蕩圖所示，測量了液滴在撞擊過程中中軸處液滴的高度以及液滴的鋪展半徑隨時間的變化，反映了液滴在不同工況下的振蕩情況。和圖2反映的規(guī)律一致，對比撞擊293.15K壁面的結果，當液滴撞擊253.15K的壁面時，液滴的振蕩過程被抑制，中軸處液滴高度和液滴鋪展半徑的波動減小。

? ? ? ? 如圖4所示，反映了不同工況下液滴的溫度隨時間的變化。計算域在初始時刻設置為293.15K，當液滴撞擊293.15K壁面時候，液滴溫度不發(fā)生變化，但當液滴撞擊253.15K壁面時，液滴從接觸到壁面處開始溫度降低，并逐漸降溫至253.15K左右。

? ? ? ? 如圖5所示為液滴的相變云圖，反映了液滴的相變情況。和溫度云圖對應，當液滴撞擊293.15K壁面的時候，液滴不發(fā)生結冰，當液滴撞擊253.15K壁面時液滴從從接觸到壁面處開始發(fā)生結冰現(xiàn)象。

四、總結

? ? ? ? 本文通過COMSOL Multiphysics軟件建立了純水液滴撞擊過冷壁面結冰的基礎模型。數(shù)值模擬的結果表明，當液滴撞擊過冷壁面時會從撞擊壁面處開始結冰，且“結冰”可以抑制液滴在撞擊過程中的振蕩。

? ? ? ? 如圖6-圖9所示，為四種工況下的液滴形態(tài)變化動圖，如同學們有需要獲取本文的案例，可加本人QQ：2581349746進行聯(lián)系。（案例為本人的原創(chuàng)案例，請大家理性看待。）如需系統(tǒng)學習COMSOL軟件，可報名參加本人于2023年3月25日舉辦的COMSOL網(wǎng)絡課程，詳情請見文末。

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