水平陣列方微柱表面自然對流的結(jié)霜特性研究

張?zhí)炖?趙彥杰

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300350)

結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于日常生產(chǎn)生活中，對制冷空調(diào)、低溫工程、航天航空等領(lǐng)域產(chǎn)生很大影響。當(dāng)濕空氣流經(jīng)的冷表面溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，濕空氣中的水蒸氣會在冷表面凝結(jié)，若冷表面溫度低于水的三相點(diǎn)溫度，水蒸氣會發(fā)生相變形成霜[1-2]。在許多工業(yè)應(yīng)用中，環(huán)境條件和物體表面特性使得冷凝結(jié)霜更易發(fā)生。熱交換器、機(jī)翼、電線、路面和管道等工程設(shè)備或系統(tǒng)，都可能會受到結(jié)霜的影響。霜層的存在對傳熱面危害極大。因此國內(nèi)外學(xué)者一直致力于尋求有效的除霜方法。

除霜方法可以分為主動(dòng)除霜和被動(dòng)除霜，傳統(tǒng)的主動(dòng)除霜方法通常需要耗費(fèi)大量的資源，而具有特定紋理表面和界面能量的被動(dòng)除霜方法通常更有效、更經(jīng)濟(jì)[3]。研究表明，超疏水表面具有優(yōu)異的抗凝露抗結(jié)霜性能，因此是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[4]。超疏水表面的制備方法有：溶膠-凝膠法[5-7]、蝕刻法[8-10]、浸涂法[11]、旋涂法[12-13]、陽極氧化法[14-15]、電化學(xué)沉積法[16-17]等。Liu Zhongliang等[18]在超疏水表面上觀察到非常特殊的霜層結(jié)構(gòu)。在接觸角為162°的超疏水表面上，霜晶沿水平方向(平行于表面)圍繞中心生長，并最終顯示出菊花狀的圖案。徐文驥等[19]通過電化學(xué)加工技術(shù)及氟化處理方法制備出鋁基體超疏水表面，其接觸角達(dá)160°，滾動(dòng)角小于5°，與普通鋁表面相比，鋁基體超疏水表面具有明顯的抗結(jié)冰結(jié)霜性能。S.Farhadi等[20]通過旋涂和浸涂方法制備了有機(jī)硅烷、含氟化合物及硅橡膠超疏水涂層，進(jìn)行了12次結(jié)冰/除冰循環(huán)，并測試了黏附力的變化。結(jié)果表明，表面結(jié)構(gòu)會隨著結(jié)冰/除冰的循環(huán)進(jìn)行而受到損壞，導(dǎo)致超疏水表面冰層的黏附喪失疏冰性能。

超疏水表面存在機(jī)械穩(wěn)定性及抗沖擊性差、在低溫高濕環(huán)境下的適應(yīng)性較弱、壽命周期短、易失效和成本較高等問題。因此，許多學(xué)者對其防冰性能提出了質(zhì)疑[21]。本文提出的使用常規(guī)工藝加工得到的陣列方微柱表面具有很好的抑制結(jié)霜性能，采用由成熟的電火花切割技術(shù)(WEDM)加工制備的陣列方微柱金屬表面作為有效的抗結(jié)霜表面，實(shí)驗(yàn)研究了其在自然對流下的結(jié)霜特性，分析了表面溫度和持續(xù)時(shí)間對霜層厚度和霜重量的影響，提出了陣列方微柱表面的抗結(jié)霜機(jī)理，并通過仿真模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 表面制備與實(shí)驗(yàn)

1.1 制備陣列方微柱結(jié)構(gòu)表面

實(shí)驗(yàn)采用50 mm×50 mm的紫銅作為加工的基材，使用工藝簡單成熟的電火花線切割技術(shù)來加工陣列方微柱結(jié)構(gòu)表面。陣列方微柱結(jié)構(gòu)表面示意圖如圖1所示，具體的尺寸為：柱寬D=0.5 mm，柱間距L=1 mm，柱高H=2 mm。

圖1 陣列方微柱結(jié)構(gòu)表面示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)建立了低溫恒溫系統(tǒng)，用于觀察陣列方微柱結(jié)構(gòu)表面的結(jié)霜過程。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括3D顯微鏡、恒溫槽、數(shù)據(jù)采集儀、結(jié)霜觀察單元和顯示器等。其中，結(jié)霜觀察單元示意圖如圖2(b)所示，該單元包含紫銅導(dǎo)熱基板和留有方形孔的樹脂長方體腔體。將導(dǎo)熱基板固定在腔體的方形孔處，并在縫隙涂抹膠水以達(dá)到密封效果。腔體內(nèi)部是循環(huán)流動(dòng)的載冷劑，與導(dǎo)熱基板直接接觸。采用T型熱電偶測量實(shí)驗(yàn)表面溫度，修正后測量誤差為±0.1 ℃。在基板底部加工寬為5 mm、深為1 mm的通槽，用來焊接熱電偶，熱電偶焊接位置如圖3所示，冷表面溫度取3個(gè)熱電偶的平均值。涂抹導(dǎo)熱硅膠覆蓋熱電偶并粘合導(dǎo)熱基板，從而最大限度地減少由于接觸熱阻造成的熱損失。

圖2 低溫恒溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 熱電偶位置(單位:mm)

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)前，將基板置于酒精溶液中漂洗1 min，以避免由于灰塵引起的異質(zhì)成核。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將顯微鏡調(diào)焦，將恒溫槽溫度調(diào)至所需溫度，再將制冷劑循環(huán)打開。通過改變制冷劑的溫度來調(diào)節(jié)樣本基板的溫度。實(shí)驗(yàn)為自然對流條件下樣本基板上的結(jié)霜，結(jié)霜過程通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，樣本表面的霜晶形貌通過3D顯微鏡拍攝，霜層厚度通過處理由CCD工業(yè)相機(jī)拍攝的霜層的側(cè)視圖得到。通過與平表面結(jié)霜的對比和對不同樣本基板溫度的影響的研究，來研究陣列方微柱表面的結(jié)霜特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 陣列方微柱表面霜晶形貌的變化

結(jié)霜可以描述為兩個(gè)過程相互競爭的結(jié)果：1)水蒸氣直接沉積為霜；2)水蒸氣先凝結(jié)為液滴，再凍結(jié)，隨后在凍結(jié)液滴上生長霜晶。第一個(gè)過程被稱為沉積或去升華結(jié)霜，而第二個(gè)過程通常被稱為冷凝結(jié)霜。

圖4所示為陣列方微柱表面上的霜晶形貌隨時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度Tatm=24 ℃，冷表面溫度Tw=-17.5 ℃，相對濕度RH=17%。通過實(shí)驗(yàn)記錄霜晶形貌的變化，觀測到結(jié)霜過程經(jīng)歷了液滴生成、液滴合并、液滴凍結(jié)和霜晶生長4個(gè)過程。如圖4前兩行紅框內(nèi)的銅柱表面所示，t=24 min時(shí)，冷面上出現(xiàn)大量液滴，液滴直徑較小；t=33 min時(shí)，部分小液滴合并成直徑較大的液滴；t=44 min時(shí)，所有小液滴合并為一個(gè)覆蓋整根柱表面的大液滴；t=49 min時(shí)，液滴透明度降低，凍結(jié)成冰；t=53 min時(shí)，冰層上出現(xiàn)霜晶，隨著時(shí)間的推移霜晶不斷生長。此外，冷凝液滴僅出現(xiàn)在微柱表面的頂部，微柱之間的凹槽內(nèi)沒有觀察到結(jié)霜現(xiàn)象。

圖4 陣列方微柱表面霜晶形貌

綜上所述，陣列方微柱表面的結(jié)霜過程可分為3個(gè)階段：結(jié)露過程、液滴凍結(jié)、霜晶生長。其中，結(jié)露過程是水蒸氣液化為液滴和液滴合并的過程，為氣液相變；液滴凍結(jié)是液態(tài)液滴凍結(jié)成固態(tài)冰，為液固相變；霜晶生長是水蒸氣在冰層上凝華成霜，為氣固相變。

2.2 冷表面溫度對陣列方微柱表面結(jié)霜的影響

陣列方微柱表面霜層厚度與冷表面溫度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)環(huán)境溫度和濕度不變時(shí)，冷表面溫度越低，同一時(shí)刻陣列方微柱表面邊緣處的霜層厚度越大。結(jié)露過程和液滴凍結(jié)階段霜層厚度增幅很小，霜層厚度出現(xiàn)明顯變化是在霜晶生長階段。當(dāng)冷表面溫度為-5、-10、-15 ℃時(shí)，霜層厚度發(fā)生明顯變化的時(shí)間分別為10 min、2 min、20 s。即冷表面溫度越低，霜晶生長階段開始的時(shí)間越早，結(jié)露過程和液滴凍結(jié)階段所需的時(shí)間越短。霜晶生長階段開始時(shí)霜層厚度的增長速度分別為3.6、15.7、22.8 μm/min。這主要是由于當(dāng)環(huán)境溫度和濕度不變時(shí)，冷表面溫度越低，則與空氣的溫差越大，熱量的傳遞速度越快，所以霜晶生長階段開始的時(shí)間就越早，霜層厚度的增長速度越快，導(dǎo)致同一時(shí)刻陣列方微柱表面邊緣處的霜層厚度越大。

圖5 陣列方微柱表面霜層厚度與冷表面溫度的關(guān)系

2.3 陣列方微柱表面與平表面上霜層厚度的對比

圖6所示為在環(huán)境溫度Tatm=25 ℃±1 ℃，相對濕度RH=23%±1%，冷表面溫度Tw分別為-5.2、-10.1、-15.2 ℃時(shí)測得的陣列方微柱表面和平表面邊緣處霜層厚度隨時(shí)間的變化。由圖6可知，隨著時(shí)間的推移，霜層的厚度逐漸增加，霜層厚度的增長速度逐漸降低。對比陣列方微柱表面和平表面邊緣處霜層厚度變化情況可得，霜晶生長階段，陣列方微柱表面邊緣處的霜層厚度總大于平表面。

圖6 陣列方微柱表面和平表面邊緣處霜層厚度隨時(shí)間的變化

由于實(shí)驗(yàn)裝置水平放置，空氣中較重的難冷凝氣體會沉積在樣本表面中間處，導(dǎo)致中間處的水蒸氣分壓力小于邊緣處，這就使得樣本表面中間處比邊緣處更難結(jié)霜，所以樣本表面邊緣處的霜層厚度大于中間處。因此，對比樣本表面邊緣處霜層的厚度無法正確反映樣本表面的結(jié)霜效果，本實(shí)驗(yàn)采用對比霜的質(zhì)量來度量樣本表面的結(jié)霜效果。

2.4 陣列方微柱表面和平表面結(jié)霜質(zhì)量的對比

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立即將實(shí)驗(yàn)表面取下置于電子天平上，稱重m1，待霜融化且完全干燥后稱重m2。電子天平的測量精度為±0.001 g。

霜層質(zhì)量：

M=m1-m2

(1)

單位有效結(jié)霜面積上霜的質(zhì)量：

mf=M/S×10-3

(2)

式中：m1為樣本結(jié)霜后的質(zhì)量，g；m2為霜融化干燥后的質(zhì)量，g；S為樣本有效結(jié)霜面積，m2；mf為單位有效結(jié)霜面積上霜的質(zhì)量,kg/m2。

圖7所示為環(huán)境溫度Tatm=25 ℃±1 ℃，相對濕度RH=23%±1%，冷表面溫度Tw分別為-5、-10、-15 ℃，結(jié)霜時(shí)間為2 h時(shí)測得的陣列方微柱表面和平表面的霜重。由圖7可知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，冷表面溫度越低，樣本表面單位有效結(jié)霜面積的霜重越大；陣列方微柱表面的霜重始終小于平表面，當(dāng)Tw=-10 ℃時(shí)，陣列方微柱表面的霜重比平表面降低約32%。

圖7 陣列方微柱表面與平表面在不同冷表面溫度時(shí)結(jié)霜質(zhì)量的對比

2.5 不同尺寸陣列方微柱表面結(jié)霜特性的對比

實(shí)驗(yàn)對5種不同尺寸的陣列微柱表面進(jìn)行了結(jié)霜實(shí)驗(yàn)，命名及具體尺寸如表1所示。實(shí)驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度Tatm=31 ℃±1 ℃，相對濕度RH=39%±1%，冷表面溫度Tw=-20 ℃，結(jié)霜時(shí)間為20 min。實(shí)驗(yàn)得到霜重與結(jié)霜面積之間的關(guān)系，如圖8所示。橫坐標(biāo)k為每個(gè)表面的微柱垂直投影面積與垂直投影總面積之比。由圖8可知，5種不同尺寸的陣列方微柱表面的霜重均小于平表面。表面1、表面2(k=24.4%，D=0.5 mm，L=1.0 mm)上的霜層質(zhì)量最小，而不是表面3(k=10.6%，D=0.5 mm，L=1.5 mm)，說明存在臨界尺寸。當(dāng)柱間距L過大時(shí)，凹槽內(nèi)會形成冷凝液滴并結(jié)霜。當(dāng)k相同時(shí)，霜重相差不大。

圖8 霜重與結(jié)霜面積之間的關(guān)系

表1 陣列微住表面的5種尺寸

3 結(jié)霜機(jī)理及Fluent模擬

3.1 陣列方微柱表面的結(jié)霜機(jī)理

基于前文實(shí)驗(yàn)本文提出一種結(jié)霜機(jī)理以闡明陣列方微柱表面上霜晶的生長過程。圖9所示為陣列方微柱表面的結(jié)霜過程。當(dāng)?shù)蜏仃嚵蟹轿⒅砻嫣幱谧匀粚α鳝h(huán)境中時(shí)，由于微柱邊緣處的相變驅(qū)動(dòng)力大，空氣中的水蒸氣會先在方微柱的邊緣冷凝，再向中心傳播，形成大量小液滴，小液滴積聚形成覆蓋整根方微柱表面的大液滴。隨著時(shí)間的推移，大液滴凍結(jié)成冰層，樹杈狀的霜晶在冰層上方生長。自然對流使微柱之間產(chǎn)生了空氣渦旋，水蒸氣會隨著空氣渦旋流動(dòng)而無法在微柱間凹槽內(nèi)停留，冷凝液滴僅出現(xiàn)在微柱頂部，凹槽內(nèi)不結(jié)霜。

圖9 陣列方微柱表面結(jié)霜過程

3.2 陣列方微柱表面的Fluent模擬

為了驗(yàn)證微柱間凹槽內(nèi)空氣渦旋的存在，采用Fluent對陣列方微柱表面近壁處的空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬。自然對流換熱較為復(fù)雜，故進(jìn)行如下簡化：只考慮溫度引起的自然對流，認(rèn)為空氣中無水蒸氣，不考慮實(shí)際結(jié)霜過程，得到的控制方程式為：

質(zhì)量守恒方程：

(3)

動(dòng)量守恒方程：

(4)

(5)

能量守恒方程：

(6)

得到的密度隨溫度變化公式為：

ρ=10-5T2-0.012 1T+3.638 7

R2=0.998 4

(7)

結(jié)合圖1的側(cè)視圖尺寸建立了如圖10(a)所示的二維模型，邊界條件及初始條件為：

1)左/右/上邊界：恒溫恒壓條件，T=300 K，p=0.1 MPa；

2)下邊界：恒溫條件，T=300 K；

3)初始條件：整個(gè)區(qū)域的初始溫度為300 K。

圖10(b)、圖10(c)所示分別為局部放大的空氣速度矢量圖和跡線圖。由圖10(b)和圖10(c)可知，自然對流條件時(shí)，微柱之間產(chǎn)生了明顯的空氣渦漩。圖11所示為局部網(wǎng)格劃分及其跡線圖，網(wǎng)格數(shù)量依次為217 563、56 500、25 899，相應(yīng)的跡線圖均有明顯的渦旋存在，網(wǎng)格的獨(dú)立性得到驗(yàn)證。

圖10 模擬結(jié)果

圖11 局部網(wǎng)格劃分及其跡線圖

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了自然對流條件下，水平陣列方微柱表面與平表面的結(jié)霜特性，對比分析了不同尺寸表面上的結(jié)霜過程，得到如下結(jié)論：

1)通過實(shí)驗(yàn)記錄霜晶形貌的變化，觀測到水平陣列方微柱表面的結(jié)霜過程可分為結(jié)露過程、液滴凍結(jié)和霜晶生長3個(gè)階段。霜層厚度在霜晶生長階段發(fā)生明顯變化，而結(jié)露過程和液滴凍結(jié)階段霜層厚度增長的幅度非常小。

2)冷表面溫度對水平陣列方微柱表面的霜晶生長產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)冷表面溫度分別為-5、-10、-15 ℃時(shí)，霜層厚度發(fā)生顯著變化的時(shí)間分別為10 min、2 min、20 s，霜層厚度的增長速度分別為3.6、15.7、22.8 μm/min。隨著時(shí)間的推移，霜層的厚度逐漸增加，霜層厚度的增長速度逐漸降低。

3)水平陣列方微柱表面近壁處的空氣流動(dòng)模擬結(jié)果顯示，自然對流時(shí)微柱間凹槽內(nèi)存在空氣渦旋。水蒸氣會隨著空氣渦旋流動(dòng)而無法在凹槽內(nèi)停留，冷凝液滴僅出現(xiàn)在微柱頂部，凹槽內(nèi)不結(jié)霜。因此，相比于平表面，水平陣列方微柱表面的結(jié)霜面積較小。當(dāng)冷表面溫度為-10 ℃時(shí)，水平陣列方微柱表面的霜層質(zhì)量比平表面降低約32%。

4)對比5種不同尺寸水平陣列方微柱表面的霜層質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷表面溫度為-20 ℃時(shí)，表面1、表面2(k=24.4%，D=0.5 mm，L=1.0 mm)上的霜層質(zhì)量最小。存在臨界柱間距L：當(dāng)L過大時(shí)，凹槽內(nèi)會形成冷凝液滴并結(jié)霜；當(dāng)L相同時(shí)，霜層質(zhì)量相差較小。