過冷大水滴相繼撞壁對結(jié)冰影響的實(shí)驗(yàn)研究

徐 弘, 孔維梁, 王福新, 劉 洪

(上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院, 上海 200240)

0 引 言

自FAR 25部修正案的140號文件發(fā)布以來，由過冷大水滴(SLD)引發(fā)的異常結(jié)冰問題引起了廣泛的關(guān)注與研究。SLD撞擊結(jié)冰問題不僅包括傳統(tǒng)的鋪展、飛濺和溢流等動力學(xué)問題[1-7]，還包括復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱相變問題[8]。已開展的冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SLD撞擊結(jié)冰問題的復(fù)雜性，即使碰撞條件發(fā)生微小的改變(如撞擊速度、撞擊角度等的改變)，SLD都會呈現(xiàn)完全不同的凍結(jié)特征[9]。Li用高速相機(jī)捕捉了單個SLD在冰風(fēng)洞中撞擊結(jié)冰的完整過程，指出SLD的大粒徑效應(yīng)是導(dǎo)致其異常結(jié)冰的重要原因[10]。Potapczuk通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SLD具有很強(qiáng)的凍結(jié)特性，任意單個特征參數(shù)并不能決定最終的結(jié)冰形態(tài)[11]。Yang通過SLD撞擊柱狀金屬表面結(jié)冰實(shí)驗(yàn)提出瞬態(tài)結(jié)冰和非瞬態(tài)結(jié)冰2種SLD凍結(jié)模式[12]。這些實(shí)驗(yàn)均在一定程度上加深了對SLD異常結(jié)冰問題的理解，并為深入研究SLD撞擊結(jié)冰問題打下初步理論基礎(chǔ)。

然而，目前關(guān)于SLD間的干擾對撞擊結(jié)冰過程影響的實(shí)驗(yàn)研究十分有限。以FAA發(fā)布的附錄O[13]中所給出的凍毛毛雨環(huán)境作為典型云霧環(huán)境，做一個簡單計(jì)算：平均水含量LWC為0.3g/m3,平均水滴直徑MVD為100μm。SLD的數(shù)量可達(dá)106/m3。當(dāng)大量的SLD相繼撞擊在鄰近區(qū)域內(nèi)時，SLD間的干擾對結(jié)冰過程的影響不可忽略。

目前雖鮮有文獻(xiàn)專門探討SLD間的相互干擾對撞擊結(jié)冰的影響，但在相近領(lǐng)域關(guān)于多液滴撞擊及相變過程的實(shí)驗(yàn)研究早已開展。R. Ghafouri-Azar 研究2個熔融的錫液滴撞擊低溫表面并凝固的物理過程，建立凝固形態(tài)與雙液滴落點(diǎn)間的偏移量的關(guān)系[14]。Fujimoto設(shè)計(jì)雙水滴撞擊實(shí)驗(yàn)并揭示了撞擊參數(shù)與熱流量的關(guān)系[15]。這些研究表明多液滴間的干擾會改變撞擊傳熱過程中原有的動力學(xué)和熱力學(xué)行為。

為探明SLD間的干擾對撞擊結(jié)冰的影響，設(shè)計(jì)雙SLD相繼撞擊金屬壁面結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)。用高速相機(jī)記錄整個結(jié)冰過程，找出雙SLD落點(diǎn)間的位置偏移，相繼撞擊時間間隔和結(jié)冰形態(tài)，結(jié)冰速度的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均與不存在相互干擾的雙SLD撞擊結(jié)冰實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對比。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括SLD制備發(fā)生系統(tǒng)、低溫撞擊平臺及觀測系統(tǒng)等，實(shí)驗(yàn)總體布局如圖1所示。

1,9 循環(huán)冷卻水浴箱; 2 SLD發(fā)生器; 3 螺旋微調(diào)支架; 4 低溫環(huán)境; 5 支架底座; 6 高速相機(jī); 7 平行光源系統(tǒng); 8 撞擊表面; 10～13 水壓調(diào)節(jié)系統(tǒng); 14 溫度監(jiān)控儀; 15 PC終端

其中，SLD制備發(fā)生系統(tǒng)如圖2所示，過冷水是一種亞穩(wěn)定的存在狀態(tài)，大量過冷水難以以液體形式穩(wěn)定存在。在SLD發(fā)生器內(nèi)部腔體預(yù)先裝有少量低溫超純水，腔體內(nèi)部經(jīng)過親水處理，外界氣泡不易混入，不會對后續(xù)SLD的發(fā)生造成干擾。腔體的進(jìn)口管路連接水壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定連續(xù)調(diào)節(jié)水壓以控制SLD的發(fā)生速率。SLD發(fā)生器的出口為用于顯微注射的毛細(xì)玻璃管，其尖端經(jīng)超疏水處理，產(chǎn)生的過冷水滴不會粘滯在尖端出口，多個衛(wèi)星液滴干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)象不會出現(xiàn)。SLD的制備過程需緩慢降溫,冷卻液不斷流入循環(huán)冷卻水浴箱并通過PT1000溫度傳感器監(jiān)控溫度的變化。實(shí)驗(yàn)采用2個SLD發(fā)生器組合控制的方式實(shí)現(xiàn)雙SLD的相繼發(fā)生，并用標(biāo)有刻度的微調(diào)支架實(shí)現(xiàn)雙SLD不同的落點(diǎn)偏移量。

1 SLD發(fā)生器a; 2 SLD發(fā)生器b; 3 溫度監(jiān)控儀; 4 水壓調(diào)節(jié)系統(tǒng); 5 螺旋微調(diào)支架; 6 循環(huán)冷卻水浴箱; 7,8 循環(huán)冷卻水浴箱進(jìn)出口

觀測系統(tǒng)主要由雙向平行LED光源、高速相機(jī)和溫度測量系統(tǒng)構(gòu)成，通過連接至高速相機(jī)的PC端可清晰觀察到SLD撞擊結(jié)冰過程。為盡量排除外界條件變化對SLD結(jié)冰過程的干擾，實(shí)驗(yàn)在密閉的溫控箱中開展，溫控箱內(nèi)的環(huán)境溫度保持恒定低溫。

低溫撞擊平臺主要由撞擊實(shí)驗(yàn)表面和制冷芯片構(gòu)成。撞擊實(shí)驗(yàn)表面為100mm×100mm的經(jīng)砂紙打磨的鋁制表面。鋁表面下面安裝制冷芯片，通過PT1000溫度傳感器讀取實(shí)驗(yàn)表面溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于SLD撞壁結(jié)冰過程在短時間內(nèi)放出大量熱量，僅靠低溫環(huán)境作為冷源難以保證撞擊表面的恒定低溫。對制冷芯片兩極施加恒定電壓以保證鋁撞擊表面恒定低溫。圖3展示了這2個系統(tǒng)主要部件的示意圖。

1 平行光源; 2 撞擊實(shí)驗(yàn)表面及制冷芯片; 3 高速相機(jī)

1.2 實(shí)驗(yàn)參量選擇

SLD撞擊結(jié)冰過程由多個因素共同決定。SLD的直徑大小、撞擊速度、撞擊角度、壁面溫度和過冷度等均會影響最終的結(jié)冰特征。實(shí)驗(yàn)旨在探討雙SLD間的干擾對結(jié)冰的影響，與其無關(guān)的因素，均取做常量：SLD的直徑均為1050±50μm，SLD的撞擊速度為2.2 m/s，SLD的溫度和撞擊壁面的溫度均為-7℃。

實(shí)驗(yàn)變量有2個：(1) 雙SLD落點(diǎn)間的相對偏移量L/D，其中L為落點(diǎn)位置的絕對偏移量，D代表單個SLD的直徑,對應(yīng)空間上的干擾因素；(2) 相繼撞擊壁面的時間間隔Δt，對應(yīng)時間上的干擾因素，Δt反映第2滴SLD撞壁時不同的壁面換熱條件，Δt越大，第1滴SLD的凍結(jié)過程進(jìn)行得越徹底，壁面殘余水量越少。圖4所示為雙SLD相繼撞擊壁面的示意圖。

圖4 雙SLD相繼撞擊壁面實(shí)驗(yàn)示意圖

Bathel[5]和Zhang[16]的碰撞實(shí)驗(yàn)中均揭示了:SLD在撞擊壁面后均有一個短暫的鋪展而后回縮結(jié)冰的過程，SLD最大鋪展率(水滴在壁面最大鋪展直徑與水滴直徑之比)與撞擊速度、撞擊粒徑相關(guān)，大小介于3.2～5.5之間。Yang[12]和Zhang[16]的實(shí)驗(yàn)揭示了SLD凍結(jié)時間與過冷水溫度和壁面溫度等相關(guān)聯(lián)，時間在幾十微秒到數(shù)秒之間。SLD的結(jié)冰呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，需在本實(shí)驗(yàn)條件下預(yù)先標(biāo)定相關(guān)凍結(jié)參數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)的所有無關(guān)變量固定的條件下，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SLD的鋪展率介于2.7～3.0之間，完全結(jié)冰的時間約為0.7s左右(完全結(jié)冰時間的確定標(biāo)準(zhǔn)如下：(1) 壁面上液滴不再流動，外形不再變化；(2) 由于水和冰對光線的折射率不一樣，圖像中心部位的亮度不再變化)。

在本實(shí)驗(yàn)條件下，SLD的鋪展率在2.7～3.0，當(dāng)L/D>1.5時，雙SLD間在壁面結(jié)冰過程中無直接接觸。因此實(shí)驗(yàn)選取L/D的大小在0～1.5內(nèi)變化，對于雙SLD無直接接觸的情況不予以研究。選取3組典型撞擊時間間隔(Δt=0.3、0.6和0.9s) 進(jìn)行后續(xù)的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

表1 實(shí)驗(yàn)變量表Table 1 Experimental variables

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)采用控制變量法進(jìn)行研究：固定雙SLD相繼撞壁的時間間隔，由小至大地改變雙SLD落點(diǎn)位置的偏移量，記錄結(jié)冰過程。改變相繼撞擊的時間間隔，重復(fù)上述過程。

實(shí)驗(yàn)中保證一個SLD發(fā)生器的發(fā)生速率穩(wěn)定，調(diào)節(jié)另一個SLD發(fā)生器的供水壓力使相繼發(fā)生時間間隔為指定要求，待發(fā)生速率穩(wěn)定后，開啟水浴箱底部通道使雙SLD液滴通過并相繼撞擊在壁面。用微調(diào)支架調(diào)節(jié)雙SLD發(fā)生器的相對位置以改變雙SLD落點(diǎn)的偏移量。

實(shí)驗(yàn)需對高速相機(jī)拍攝的原始圖像信息進(jìn)行處理，對原始數(shù)據(jù)的方法分以下2類：

一類是與結(jié)冰相關(guān)的幾何尺寸，主要為撞擊結(jié)冰過程中凍結(jié)形態(tài)的相關(guān)尺寸，處理流程如下：(1) 在特定焦距下對已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行標(biāo)定，得到每個像素點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)際長度；(2) 對結(jié)冰圖片經(jīng)進(jìn)行剪裁、降噪處理后，經(jīng)二值化處理獲取結(jié)冰初始尺寸對應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)目，與已標(biāo)定尺寸對比后，得到包括最終鋪展半徑、凍結(jié)半徑等相關(guān)幾何尺寸的準(zhǔn)確值。另一類原始數(shù)據(jù)與時間相關(guān)，為結(jié)冰進(jìn)程中各狀態(tài)所對應(yīng)的時刻，可從高速相機(jī)的PC端窗口直接讀取。數(shù)據(jù)的初步處理提取如圖5所示。

圖5 原始數(shù)據(jù)處理提取流程

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖6為雙SLD相繼撞壁結(jié)冰的典型過程：實(shí)驗(yàn)工況為L/D=1.1,Δt=0.9s。第1滴SLD撞擊后如常地回縮結(jié)冰，結(jié)冰過程由底部向頂部，由四周向中心推進(jìn)。第2滴SLD最大鋪展直徑dmax2略有增加，如圖6中t=0.908s的圖片所示。經(jīng)標(biāo)定兩者相差不超過5%，可認(rèn)為dmax1≈dmax2。第2滴SLD滴落在積冰部分液滴的回縮現(xiàn)象受到明顯抑制，如t=1.35s的圖片所示，dfinal2明顯大于dfinal1。

已開展的SLD撞擊結(jié)冰實(shí)驗(yàn)通中常采用結(jié)冰回縮率β衡量結(jié)冰形態(tài)的不同[5]。

(1)

式中：dmax代表最大鋪展直徑；dfinal代表SLD最終凍結(jié)直徑，如圖6中t=0.6s的照片所示。

該典型實(shí)驗(yàn)工況下，第2滴SLD的結(jié)冰回縮率β2(0.86) 大于第1滴SLD的結(jié)冰回縮率β1(0.81)。第2滴SLD完全凍結(jié)時間明顯變長，以工況為L/D=10,Δt=0.9s實(shí)驗(yàn)作對比實(shí)驗(yàn)，雙SLD完全結(jié)冰時間是對比實(shí)驗(yàn)的1.15倍。

圖6 雙SLD相繼撞擊壁面結(jié)冰過程圖

3 結(jié)果與討論

3.1 SLD間的干擾對結(jié)冰形態(tài)的影響及分析

SLD的撞壁鋪展耗時極短(約為3ms)，而后的回縮過程是主要的換熱相變過程。SLD最終的結(jié)冰形態(tài)是由這一過程中的熱力學(xué)、動力學(xué)行為共同決定的，結(jié)冰回縮率的大小可直觀反映這一變化。本實(shí)驗(yàn)條件下，單個SLD撞擊結(jié)冰回縮率介于0.76～0.82之間。定義回縮率之比ε來衡量SLD間的干擾對結(jié)冰形態(tài)的影響，表達(dá)式如下：

(2)

式中：dfinal1為第1滴SLD最終成冰直徑；dfinal2為第2滴SLD最終成冰直徑。

ε>1代表SLD間的干擾抑制回縮的進(jìn)行。如圖7所示的4種不同實(shí)驗(yàn)工況：黃線標(biāo)注的長度代表dfinal1，紅線標(biāo)注的長度代表dfinal2。dfinal2均明顯大于dfinal1，ε普遍大于1。這表明不同的實(shí)驗(yàn)工況下SLD的回縮過程均受到抑制，但抑制效應(yīng)的強(qiáng)弱有所不同。

圖7 不同實(shí)驗(yàn)工況對比圖：(a) 單SLD撞擊結(jié)冰 (b) 、(d) L/D為0,Δt分別為 0.6s和0.9s. (c)和(e) L/D分別為0.5和1.2, Δt為 0.6s

計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)的回縮率之比ε，繪制不同的撞擊時間間隔下，不同偏移下的ε曲線如圖8所示。

為分析抑制回縮效應(yīng)變化趨勢，定義回縮抑制效應(yīng)的衰減率η1為：

(3)

式中：εmax代表每一條ε曲線在不同偏移下的最大值。不同撞擊時間間隔Δt下，ε的最大值εmax均在L/D=0時達(dá)到。

圖8表明，抑制回縮效應(yīng)在L/D=0處最強(qiáng)，雙SLD的落點(diǎn)重合，彼此受到干擾的面積最大，空間上的相互干擾最強(qiáng)烈，抑制效應(yīng)隨L/D的增加而迅速減少。當(dāng)L/D>0.9時，抑制回縮效應(yīng)已衰減80%以上，η1<0.2。回縮抑制效應(yīng)隨L/D增加而繼續(xù)下降的空間相當(dāng)有限，抑制效應(yīng)減弱的速度也大大降低，空間上的干擾對結(jié)冰形態(tài)的影響趨于穩(wěn)定(見圖8中所標(biāo)直線右側(cè)區(qū)域)。當(dāng)L/D>1.5，ε趨近于1，這表明SLD間的干擾對撞擊結(jié)冰形態(tài)的影響消失。圖8中不同Δt下的3條實(shí)驗(yàn)曲線在坐標(biāo)軸內(nèi)十分接近：當(dāng)L/D相同時，ε隨Δt的增大略有增大，但變化很小。這表明時間上的相互干擾對回縮抑制效應(yīng)的影響有限?？臻g上的相互干擾是抑制回縮行為的主要因素，并影響最終的結(jié)冰形態(tài)。

圖8 SLD間的干擾和回縮率之比的關(guān)系

SLD的回縮受到抑制是由于當(dāng)?shù)?滴SLD撞擊發(fā)生時撞擊表面的性質(zhì)已改變：第1滴SLD形成的冰層是一個親水性的基底，已有實(shí)驗(yàn)證明[17-18]，親水性基底會使得導(dǎo)致固液界面的接觸角變小，如圖9所示，θ2<θ1，回縮行為受到抑制；第2滴SLD在壁面以更大的面積結(jié)冰。

(a) 第1滴SLD撞擊結(jié)冰接觸角 (b) 第2滴SLD撞擊結(jié)冰接觸角

第2滴SLD的撞擊會打亂第1滴SLD的結(jié)冰進(jìn)程，并與壁面上尚未結(jié)冰的水融合后繼續(xù)結(jié)冰。Δt越小，當(dāng)后續(xù)撞擊發(fā)生時，壁面殘余水量越大，融合后回縮受到的表面張力越大，回縮效應(yīng)有所增強(qiáng)。但由于SLD結(jié)冰迅速，固液接觸面的冰層在很短的時間內(nèi)已形成，抑制回縮條件已經(jīng)滿足，ε的大小與Δt的聯(lián)系并不緊密。

3.2 SLD間的干擾對結(jié)冰速度的影響及分析

實(shí)驗(yàn)中常用SLD撞擊結(jié)冰時間量化結(jié)冰速度，Zhang的實(shí)驗(yàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)了單個粒徑尺度下，SLD的過冷擴(kuò)散率與凍結(jié)時間呈現(xiàn)反比的關(guān)系，Yang的實(shí)驗(yàn)[12]也用結(jié)冰時間定義瞬態(tài)結(jié)冰和非瞬態(tài)結(jié)冰這2種SLD撞擊結(jié)冰模式。

不同實(shí)驗(yàn)工況下，雙SLD的結(jié)冰速度呈現(xiàn)較大差異。以圖10中2個典型的實(shí)驗(yàn)工況為例，工況 (a)和工況 (b) 的Δt分別為0.9和0.6s，L/D均為0,以第1滴SLD撞壁時刻作為記時起點(diǎn)，經(jīng)過2.1s后，工況 (a) 尚未完成結(jié)冰, 工況 (b) 已經(jīng)完成結(jié)冰。

(a) L/D=0,Δt=0.9s (b) L/D=0, Δt=0.6s

通過對比發(fā)現(xiàn)，僅比較雙SLD完全凍結(jié)時間的長短，忽略相繼撞擊時間間隔的不同，難以準(zhǔn)確反映結(jié)冰速度的變化。引入結(jié)冰時間變化率τ衡量SLD間的相互干擾對結(jié)冰速度的影響。

(4)

T1=Δt+t

(5)

式中：T1為相距很遠(yuǎn)的雙SLD相繼撞擊壁面的完全結(jié)冰時間，Δt為相繼撞擊的時間間隔，t為單SLD平均完全凍結(jié)時間。T2為實(shí)驗(yàn)中得到的雙SLD完全結(jié)冰時間。

提取計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)的結(jié)冰時間變化率τ，繪制不同的撞擊時間間隔下，不同偏移下的τ曲線如圖11所示。

同理采用η2量化反映結(jié)冰速率變化趨勢：

(6)

式中：τmax和τfinal分別代表每一條實(shí)驗(yàn)曲線的結(jié)冰時間變化率τ的最大值和最終穩(wěn)定值。

圖11表明，雙SLD間的干擾會降低結(jié)冰速度，延長雙SLD完全結(jié)冰時間，使τ>1。在小偏移的情況下(L/D<0.5)，L/D的變化對結(jié)冰速度的影響很大，結(jié)冰速度隨L/D的增大而不斷加快，τ的值迅速減小。當(dāng)L/D>0.5，結(jié)冰速度大幅上升，η2<0.2，結(jié)冰時間變化率τ隨L/D增加繼續(xù)變化的空間相當(dāng)有限(見圖11所標(biāo)注的直線右邊區(qū)域)，L/D的變化對結(jié)冰速度影響逐漸減弱并趨于穩(wěn)定。

當(dāng)相繼撞擊時間間隔Δt不同，結(jié)冰速率也大不相同。如圖11標(biāo)注，Δτ是在相同偏移下，不同時間間隔下τ的差值。Δτ隨L/D的變化如圖12所示。

圖11 結(jié)冰時間變化率與雙SLD間的干擾的關(guān)系

圖12 Δτ 隨L/D變化圖

圖11中3條不同結(jié)冰時間變化率的實(shí)驗(yàn)曲線隨L/D變化的趨勢相同，但相差較大。如圖12所示，當(dāng)L/D增大時，空間上的干擾對結(jié)冰的影響逐漸減小，相繼撞擊的時間間隔不同對結(jié)冰速度的影響更加明顯：Δτ雖有所減小，但仍保持在較大數(shù)值，這表明相繼的撞擊會穩(wěn)定地延長雙SLD的整體結(jié)冰時間。相繼撞擊時間間隔越短，SLD之間的相對偏移越小，雙SLD撞擊結(jié)冰速度越慢，結(jié)冰時間延長程度越大。

結(jié)冰時間的延長主要是由于壁面積冰的存在，固液接觸界面處的換熱強(qiáng)度被削弱。L/D越大，空間上的相互干擾越小，整個凍結(jié)過程進(jìn)行的越快。Δt越大，當(dāng)?shù)?滴SLD撞擊壁面時，壁面上未結(jié)冰的液體越少，壁面積冰量越大，由于冰的導(dǎo)熱率大于水的導(dǎo)熱率，第2滴SLD結(jié)冰時換熱增強(qiáng)，結(jié)冰時間變短，τ隨之變小。

3.3 SLD間的干擾對撞擊結(jié)冰影響的綜合分析

SLD間的干擾(包括空間、時間上的干擾)對結(jié)冰形態(tài)和結(jié)冰速度的影響已在3.1和3.2小節(jié)詳細(xì)敘述，本小節(jié)將干擾因素對結(jié)冰的影響范圍進(jìn)行簡單的劃分，以求直觀地反映出在不同范圍內(nèi)，相繼撞擊的干擾對SLD結(jié)冰過程的不同影響。圖13列出本實(shí)驗(yàn)所有工況點(diǎn)，橫軸和縱軸分別代表雙SLD間落點(diǎn)偏移大小L/D和相繼撞擊時間間隔 Δt。

圖13 實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)及區(qū)域劃分

直線A、B分別為結(jié)冰時間變化率τ、結(jié)冰回縮率之比ε在不同撞擊時間間隔下隨L/D變化區(qū)域的分界線；虛線C為當(dāng)?shù)?滴SLD撞擊壁面時，第1滴SLD是否完全凍結(jié)的分界線。

直線A左側(cè)區(qū)域內(nèi)，L/D<0.5，τ隨L/D的增大而迅速減小，結(jié)冰速度迅速加快；直線A右側(cè)區(qū)域內(nèi)，L/D>0.5，τ隨L/D的增大減小的速度明顯減小。L/D的增大對結(jié)冰速率的減緩作用趨于穩(wěn)定并逐漸消失。在L/D由小變大整個過程中，時間上的干擾對結(jié)冰速率的延緩效應(yīng)穩(wěn)定存在，不可忽略。

直線B左側(cè)區(qū)域內(nèi)，L/D<0.9, 結(jié)冰回縮率之比ε隨L/D的增大而迅速減小，B右側(cè)區(qū)域內(nèi)，ε隨L/D的增加而減小的速度顯著減小。時間上的干擾對于抑制回縮的影響不大，空間上的相互干擾是影響結(jié)冰形態(tài)的主因。

虛線C與縱軸的交點(diǎn)對應(yīng)單個SLD的平均完全凍結(jié)時間。在C下方區(qū)域內(nèi)，Δt<0.7s時，第2滴 SLD撞壁時第1滴SLD尚未完全凍結(jié)，彼此融合后繼續(xù)結(jié)冰。C上方區(qū)域內(nèi)，Δt>0.7s時，第2滴SLD撞擊在完全凍結(jié)的冰層并完成結(jié)冰過程。實(shí)驗(yàn)證明，撞擊時壁面性質(zhì)的不同會影響SLD的凍結(jié)速度，Δt越小，SLD結(jié)冰時間變化率τ越大，結(jié)冰速度有所減慢。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)雙SLD相繼撞擊低溫鋁金屬表面結(jié)冰實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：雙SLD間的干擾會阻礙第2滴SLD撞壁后的回縮過程進(jìn)而影響結(jié)冰形態(tài)，降低結(jié)冰速度，延長雙SLD結(jié)冰時間，具體影響如下：

(1) 空間上的干擾對結(jié)冰速度和結(jié)冰形態(tài)均有影響：對回縮行為的抑制效應(yīng)和對結(jié)冰速率的減緩效應(yīng)隨著L/D的增大急劇減小，并趨于穩(wěn)定逐步消失。

(2) 時間上的干擾對結(jié)冰形態(tài)的影響不大，但對結(jié)冰速率有著明顯且穩(wěn)定的延遲作用，結(jié)冰速率隨相繼撞擊時間間隔的增大而加快。

本實(shí)驗(yàn)沒有細(xì)致考慮雙SLD受到彼此干擾后各點(diǎn)凍結(jié)順序的變化，這也是下一步實(shí)驗(yàn)開展的方向。

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