液滴撞擊低溫金屬壁面行為特性研究.pdf

1、我國地形復(fù)雜且氣候多樣，寒冬季節(jié)中大部分地區(qū)都存在著高壓輸電線上的覆冰問題，嚴(yán)重的覆冰會給輸電網(wǎng)路造成極大的安全隱患，威脅電網(wǎng)的安全運行，甚至引發(fā)嚴(yán)重的災(zāi)害事故，形成大面積斷電直至電網(wǎng)崩潰，造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，輸電線覆冰所引發(fā)的電網(wǎng)事故越來越多，也使眾多學(xué)者越來越關(guān)注輸電線的覆冰過程。然而高壓輸電線上的覆冰機(jī)理十分復(fù)雜，實際工程中大多是高能耗、高成本消除覆冰的方法，而輸電線自發(fā)除冰等低能耗的除冰方式的研究受到越來越多的學(xué)者們

2、的關(guān)注，進(jìn)而從輸電線上液滴的結(jié)冰機(jī)理出發(fā)探究液滴附著壁面的結(jié)冰行為。
　　為深入探究液滴撞擊壁面的結(jié)冰機(jī)理，揭示液滴在金屬壁面上的結(jié)冰行為，本文對液滴撞擊低溫壁面的動態(tài)行為及結(jié)冰過程進(jìn)行了可視化實驗。通過對單液滴在不同初始工況下撞擊不同壁面結(jié)構(gòu)、不同壁面過冷度和不同壁面浸潤性的金屬圓柱壁面過程的動態(tài)行為及結(jié)冰過程進(jìn)行了拍攝，得到了液滴撞擊金屬壁面鋪展和結(jié)冰過程的動態(tài)特性。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　?、俦疚氖紫葘σ旱巫?/p>

3、擊不同曲率和過冷度的圓柱壁面進(jìn)行了可視化實驗，研究了液滴撞擊速度、壁面過冷度及壁面曲率對單液滴撞擊圓柱壁面鋪展行為的影響。實驗結(jié)果表明，初始撞擊能越大的液滴撞擊壁面時，液滴在圓柱面周向和軸向方向的鋪展越好。隨著圓柱曲面曲率的增加，周向上液膜鋪展更好，軸向上液膜鋪展更差。對于低溫壁面上液滴的鋪展過程，增加表面的過冷度，液滴的鋪展更差，液滴振蕩弛豫時間更短，表層液膜結(jié)冰速率加快。然而，低溫壁面上液滴的鋪展好于常溫壁面上液滴的鋪展，通過分析溫

4、度對液滴表面張力和黏性的影響規(guī)律，文中推論在鋪展過程中，較低的壁面溫度使得液滴底層快速形成了一層冰膜，改變了液固之間的界面能，使得液滴更易于鋪展。在液滴回縮階段，可明顯觀察到底層結(jié)冰的現(xiàn)象。
　?、趯σ旱巫矒舨煌櫺员诿孢M(jìn)行了可視化實驗研究，分析了一系列不同浸潤性壁面上液滴的鋪展行為，對比了常溫和低溫壁面上液滴的動態(tài)行為。實驗結(jié)果表明：壁面浸潤性液滴撞擊鋪展和回縮行為有顯著的影響，隨著壁面表觀接觸角的增大，液滴沿圓柱面周向方向的

5、鋪展越差，達(dá)到最大鋪展的時間越短，當(dāng)壁面為超疏水壁面時，液滴發(fā)生反彈；在液滴鋪展至最大后的回縮過程中，由于周向液膜和軸向液膜回縮速率不一致使得周向上液膜出現(xiàn)圓柱壁面上特有的法向?qū)ΨQ的雙峰液膜現(xiàn)象；低溫壁面上，壁面浸潤性對液滴回縮過程的振蕩行為有顯著的影響，隨著壁面表觀接觸角增大，液滴的振蕩行為越劇烈，持續(xù)時間越長，震蕩周期越短。
　　③為研究液滴結(jié)冰過程內(nèi)部相變特點，實驗中利用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）對液滴撞擊壁面過程內(nèi)部相變行

6、為進(jìn)行觀測。針對水平壁面上不同撞擊能的液滴撞擊壁面過程進(jìn)行了可視化研究，實驗結(jié)果表明：液滴無初速度躺滴表面時，液滴自由液面和周圍進(jìn)行著熱質(zhì)交換，液滴內(nèi)部形成明顯的環(huán)流現(xiàn)象，在無外熱源擾動的條件下，液滴內(nèi)部的環(huán)流強(qiáng)度平穩(wěn)持久；當(dāng)壁面溫度降為-10℃時，在液滴內(nèi)部底層貼近壁面處的液膜結(jié)冰前會出現(xiàn)沿壁面法線軸對稱的環(huán)流現(xiàn)象，即馬蘭格尼對流；當(dāng)液滴具有一定初始撞擊能時，液滴在壁面穩(wěn)定無外形變化時，內(nèi)部環(huán)流明顯強(qiáng)于自然蒸發(fā)過程，壁面為低溫壁面時，