過冷大水滴撞擊結(jié)冰特性實驗研究

唐揚剛 吳敬濤 鄧文亮

(中國飛機強度研究所 西安 710065)

1 引言

1994 年美國鷹航的一架ATR72 飛機因機翼結(jié)冰而墜毀,空難調(diào)查結(jié)果表明ATR72 飛機遭遇了超出FAR 25 Appendix C 規(guī)定的結(jié)冰環(huán)境,達到了過冷大水滴(supercooled large droplets,SLD)的結(jié)冰條件[1]。隨后FAA 開展了大量的SLD 結(jié)冰的研究,并在2014年公布的適航條例中補充了SLD 結(jié)冰氣象規(guī)范,即FAR 25 Appendix O。

SLD 在撞擊結(jié)冰過程中具有獨特的動力學特性,如變形、破碎、飛濺和反彈等。國外Luxford[2]等將高速成像技術(shù)應用到實驗中,分析了不同直徑水滴的變形和破碎過程。Mundo[3]等通過實驗研究了粒徑在60 μm 到150 μm 的水滴的飛濺現(xiàn)象,建立了Mundo液滴飛濺模型。Tan[4-5]在Mundo 模型的基礎(chǔ)上,通過實驗研究構(gòu)建了單個水滴飛濺損失的模型。Thoroddsen[6]等開展了單個水滴撞擊翼型表面的實驗,分析了水滴撞擊翼型表面時產(chǎn)生的噴射狀水滴飛濺的過程。Chaudhary[7]等研究了親水及疏水表面靜止液滴的凍結(jié)過程,表明水滴凍結(jié)時間與水滴溫度及固體表面特性有關(guān)。

上述研究主要聚焦于常溫下SLD 的變形、破碎、飛濺等動力學特性,未就這些動力學特性對SLD 撞擊結(jié)冰特性的影響開展進一步研究。

國內(nèi)王橋[8-9]等開展了溫度對單個大水滴變形及阻力特性影響的實驗研究,揭示了水滴變形特征和阻力特性變化的3 個階段,并分析了粗糙度對大水滴飛濺特性的影響。郭龍[10]等對水滴加速運動過程中的變形現(xiàn)象進行了實驗研究,分析了變形對其阻力特性的影響。文獻[8—10]仍是對常溫下SLD 動力學特性的實驗分析,未考慮其對撞擊結(jié)冰特性的影響。孫金絹[11]等通過實驗分析了冷板上的靜止液滴的凍結(jié)過程,并研究了冷板溫度、液滴體積、空氣相對濕度和空氣流速對液滴凍結(jié)時間的影響;劉鑫[12]等對壁面上20 μL 靜止水滴進行了凍結(jié)實驗,記錄了水滴三相點高度的演化過程。文獻[11—12]僅對靜止液滴的凍結(jié)機理開展了深入的分析,但是SLD 撞擊結(jié)冰需要同時考慮水滴的過冷狀態(tài)及運動特性對結(jié)冰的影響。文獻[13]雖然研究了SLD 碰撞結(jié)冰機理,但水滴粒徑僅考慮了500 μm 和800 μm,缺乏對更大直徑的SLD 撞擊結(jié)冰特性的研究。

本文開展了更大粒徑SLD 撞擊結(jié)冰特性實驗研究,設(shè)計了一套SLD 生成及撞擊結(jié)冰的實驗裝置,對水滴直徑、水滴過冷度、水滴撞擊速度和壁面溫度進行了標定,通過改變實驗參數(shù)分析了各因素對SLD撞擊結(jié)冰過程及凍結(jié)時間的影響。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示,主要包括水滴發(fā)生器、水滴預冷裝置、壁面制冷裝置、圖像采集系統(tǒng)等。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experiment devices

2.1 水滴發(fā)生器

圖2 為水滴發(fā)生器示意圖,利用注射泵進行吸液和排液,控制排液量,進而控制水滴體積大小,同時更換不同孔徑的針頭,達到精確控制水滴體積大小的目的。

圖2 水滴發(fā)生器示意圖Fig.2 Schematic of droplet generator

為了使水滴更容易達到過冷狀態(tài),應保證進入預冷裝置之前的水滴溫度越接近0 ℃越好。采用如圖3 所示的裝置對水滴的初始溫度進行調(diào)節(jié),半導體制冷片冷端與針頭固定裝置間涂滿導熱硅脂,加強導熱效果,熱端采用水冷換熱方式帶走熱量。通過調(diào)節(jié)半導體制冷片兩端的電壓大小來控制冷端表面溫度,從而調(diào)節(jié)水滴初始溫度。

圖3 水滴初始溫度控制裝置示意圖Fig.3 Schematic of droplet initial temperature control device

2.2 水滴預冷裝置

水滴預冷裝置如圖4 所示,用不銹鋼管套在銅管外面,銅管內(nèi)徑為1 cm,不銹鋼管內(nèi)徑為10 cm,高60 cm,外層包裹保溫棉。銅管與不銹鋼管通過上下端蓋連接,上端蓋留有出/入口各一個,打開液氮罐閥門,液氮流入不銹鋼管中,使銅管內(nèi)環(huán)境迅速冷卻,水滴穿過低溫環(huán)境下的銅管,從而達到過冷狀態(tài)。

圖4 預冷裝置示意圖Fig.4 Schematic of pre-cooling device

2.3 壁面制冷裝置

圖5 為壁面表面制冷裝置的示意圖,用半導體制冷方法冷卻實驗板,調(diào)節(jié)半導體制冷片兩端的電壓大小,控制實驗板表面溫度,并用熱電偶測量試驗板表面溫度。

圖5 壁面制冷裝置示意圖Fig.5 Schematic of wall refrigeration device

2.4 圖像采集系統(tǒng)

采用高速攝像機和微距鏡頭記錄水滴撞擊及凍結(jié)過程,再通過圖像處理技術(shù)對比每幀圖片的區(qū)別,當兩張圖片一致時即認為水滴凍結(jié)完成,從而得到水滴凍結(jié)時間。

3 水滴撞擊結(jié)冰實驗方法和項目

3.1 水滴直徑標定

通過調(diào)節(jié)注射泵的排液量來控制水滴體積的大小,同時更換不同孔徑的針頭,標定得到3 種不同直徑的水滴,如表1 所示。

表1 水滴直徑標定結(jié)果Table 1 Calibration results of droplets diameter

3.2 水滴溫度標定

通過調(diào)節(jié)水滴溫度控制裝置上半導體制冷片的電壓來控制水滴初始溫度,經(jīng)調(diào)節(jié),當電壓為4.02 V時,能保證進入預冷裝置的水滴溫度基本保持在1 ℃左右。

3.3 水滴撞擊速度標定

水滴撞擊速度通過水滴自由釋放的高度來調(diào)節(jié),根據(jù)水滴自由下落過程中的能量守恒計算得到不同下落高度對應的水滴撞擊速度,如表2 所示。

表2 水滴撞擊速度標定結(jié)果Table 2 Calibration results of droplets impacting velocity

3.4 水滴過冷度計算

采用水滴預冷裝置對水滴進行換熱冷卻,使其達到過冷狀態(tài)。為了確定水滴在經(jīng)過預冷裝置后的溫度(即過冷度),需要對水滴進行受力分析,以及對水滴和低溫環(huán)境之間的傳熱傳質(zhì)過程進行分析。文獻[14]建立了描述單個水滴運動過程中的傳熱傳質(zhì)模型,本文參考該模型,計算得到了不同環(huán)境下不同直徑的水滴在經(jīng)過水滴預冷裝置后的溫度,如圖6 所示。實驗中只要給定需要的水滴過冷度,即可從圖6中查詢確定需要的預冷裝置設(shè)定溫度。

圖6 水滴過冷度與預冷裝置設(shè)定溫度關(guān)系Fig.6 Relation between supercooling degree and pre-cooling device at set temperature

3.5 水滴預冷裝置溫度標定

通過向水滴預冷裝置中通入液氮來降低其內(nèi)部溫度,當達到某一最低溫度后關(guān)閉液氮罐閥門,預冷裝置逐漸升溫,采用熱電偶測得預冷裝置銅管內(nèi)部溫度隨時間的變化,如圖7 所示。液氮罐閥門關(guān)閉時,預冷裝置內(nèi)的溫度為最低溫度,之后溫度逐漸升高,升溫的速率的逐漸減小,當升溫速率小于1 ℃/min時,認為預冷裝置內(nèi)的溫度達到穩(wěn)定的設(shè)定溫度,即可開始進行實驗。

圖7 預冷裝置溫度隨時間變化趨勢Fig.7 Variation trend of temperature of precooling device at different time

采用上述方法,經(jīng)過多次實驗后,得到預冷裝置設(shè)定溫度和最低溫度的關(guān)系,如圖8 所示。實驗過程中根據(jù)所需的預冷裝置設(shè)定溫度,從圖8 中查詢確定對應的最低溫度。

圖8 預冷裝置設(shè)定溫度與最低溫度關(guān)系Fig.8 Relation between set temperature and minimum temperature of pre-cooling device

3.6 實驗項目

實驗中改變水滴直徑、水滴過冷度、水滴撞擊速度和撞擊壁面表面溫度來研究不同因素對SLD 撞擊結(jié)冰特性的影響,實驗工況見表3。

表3 實驗工況Table 3 Experiment conditions

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 SLD 撞擊結(jié)冰特性

SLD 在撞擊的過程中會出現(xiàn)變形、破碎和飛濺等現(xiàn)象,其結(jié)冰特性與一般尺寸水滴有較大的差異。從本文的實驗結(jié)果來看,SLD 撞擊后呈現(xiàn)3 種典型的撞擊結(jié)冰特性。

圖9 給出了單個SLD 撞擊結(jié)冰的整個過程,水滴直徑為2.13 mm,過冷度為0 ℃,撞擊速度為3.7 m/s,壁面溫度為-20 ℃。從圖9 中可看出,水滴在撞擊到壁面后,由于受到壁面的阻擋,水滴的動能向其表面張力能轉(zhuǎn)化,進而在壁面上攤開,同時出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象,當攤開到最大尺寸時,水滴又在其表面能的作用下回縮,在回縮完成后完全凍結(jié)。該過程與文獻[13]描述的SLD 第一類回縮-結(jié)冰過程相似。

圖9 水滴攤開-回縮完成后凍結(jié)Fig.9 Droplet freezing after spreading-retraction

隨著過冷度或壁面溫度的降低,水滴與壁面的換熱速率增大,水滴在回縮的過程中就可能完成凍結(jié),從而出現(xiàn)環(huán)形的回縮痕跡,如圖10 所示。而隨著過冷度或壁面溫度的進一步降低,水滴在攤開的過程就完全凍結(jié),不會出現(xiàn)回縮的現(xiàn)象,如圖11 所示。

圖10 水滴在回縮時完成凍結(jié)(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)

圖11 水滴在攤開時完成凍結(jié)(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 水滴直徑對SLD 結(jié)冰特性的影響分析

水滴直徑對SLD 撞擊飛機表面的范圍、撞擊量等有重要影響。表3 中的工況1—9 研究了不同過冷度下不同水滴直徑對結(jié)冰特性的影響,得到水滴的凍結(jié)時間,如圖12 所示。從圖12 中可以看出,對于同一過冷度的水滴,水滴直徑從2.13 mm 增加到3.06 mm,水滴的凍結(jié)時間急劇增大。從熱力學過程來看,水滴凍結(jié)首先是水滴溫度下降到一定過冷度并形成冰核,然后從水滴底部自下而上開始凍結(jié),直至整個水滴完全凍結(jié)[11]。水滴體積隨著水滴直徑的增大而成倍增加,在外部冷源基本不變的情況下,水滴需要更多的換熱時間才能達到凍結(jié)需要的過冷度,從而導致凍結(jié)時間增大。從宏觀表現(xiàn)來看,水滴體積的增大使得水滴撞擊后的攤開面積更大,水滴撞擊后攤開的時間或回縮時間相應增加,從而表現(xiàn)出水滴整體的凍結(jié)時間增大。

圖12 不同水滴直徑下的凍結(jié)時間Fig.12 Freezing time of different droplet diameters

4.3 過冷度對SLD 結(jié)冰特性的影響分析

從圖12 可以看出,對于同一直徑的水滴,當過冷度從0 ℃下降到-6 ℃時,水滴的凍結(jié)時間逐漸減少。這是由于水滴的過冷度越大,水滴越接近凍結(jié)需要的過冷程度,且水滴與壁面的接觸面能更快達到形成冰核所需的溫度,從而增大了水滴的結(jié)冰速率。

4.4 撞擊速度對SLD 結(jié)冰特性的影響分析

保持水滴的過冷度以及壁面溫度不變,改變水滴撞擊速度,得到水滴凍結(jié)時間,如圖13 所示。從圖13可知,隨著水滴撞擊速度的增加,水滴凍結(jié)時間顯著減小,且變化幅度越來越小。一方面,隨著水滴撞擊速度的增大,水滴在壁面上的最大鋪展尺寸也隨之增大,導致水滴與壁面接觸面積增大,從而提高了水滴的結(jié)冰速率,導致凍結(jié)時間減小。另一方面,撞擊速度是影響冰核形成的一個重要因素,一定速度運動的水滴撞擊壁面后被滯止,其動能會部分轉(zhuǎn)化為形成冰核的能量,且速度越大形成的冰核數(shù)量越多,從而加快了水滴的凍結(jié)過程。

圖13 不同水滴撞擊速度下的凍結(jié)時間Fig.13 Freezing time of different droplet impacting velocities

4.5 壁面溫度對SLD 結(jié)冰特性的影響分析

SLD 結(jié)冰是由具有一定速度的過冷大水滴撞擊壁面所引起的動態(tài)凍結(jié)過程。除了水滴特性(直徑、過冷度和撞擊速度)以外,壁面溫度同樣對凍結(jié)過程具有重要影響。本文保持水滴尺寸、水滴過冷度和水滴撞擊速度不變,讓水滴撞擊不同溫度的壁面來分析其凍結(jié)過程的變化,實驗結(jié)果如圖14 所示。

圖14 不同壁面溫度下的凍結(jié)時間Fig.14 Freezing time of different wall temperatures

從圖14 可知,隨著壁面溫度的升高,水滴的凍結(jié)時間呈增大的趨勢,且變化幅度越來越大,如壁面溫度為-10 ℃時水滴的凍結(jié)時間是-30 ℃時的4.81倍。這是由于壁面溫度越低,水滴底部冰核能更快形成,且水滴與壁面的大溫差有助于熱量交換,提高了水滴的冷卻速度,更快得達到相變溫度,從而縮短了凍結(jié)時間。圖15 給出了不同壁面溫度下水滴凍結(jié)完成后的圖像,當壁面溫度較高時,水滴凍結(jié)速度較慢,出現(xiàn)了環(huán)形的回縮痕跡,隨著壁面溫度的不斷降低,水滴凍結(jié)速度加快,回縮現(xiàn)象越來越不明顯,直至撞擊后立即凍結(jié)。

圖15 不同壁面溫度下水滴凍結(jié)后圖像Fig.15 Image of droplet freezing of different wall temperatures

5 結(jié)論

開展了SLD 撞擊結(jié)冰特性實驗研究,設(shè)計了一套水滴發(fā)生與實驗裝置,分析了SLD 撞擊結(jié)冰的過程,探究了水滴直徑、過冷度、撞擊速度和壁面溫度對SLD 撞擊結(jié)冰特性的影響,得到如下結(jié)論:

(1)SLD 撞擊壁面后呈現(xiàn)3 種典型結(jié)冰過程,分別為攤開-回縮后結(jié)冰、攤開-回縮時結(jié)冰和攤開的過程中結(jié)冰,水滴的過冷度及壁面溫度對結(jié)冰過程具有顯著的影響;

(2)SLD 的直徑越小、過冷度越低、撞擊速度越快、壁面溫度越低,其撞擊壁面后的凍結(jié)時間越短。