隋冬雨金哲巖楊志剛

(1同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院 上海 200092;2同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院 上海 201804; 3上海地面交通工具風(fēng)洞中心 上海 201804)

冷表面上水滴結(jié)冰問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

隋冬雨1金哲巖1楊志剛2，3

(1同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院 上海 200092;2同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院 上海 201804; 3上海地面交通工具風(fēng)洞中心 上海 201804)

文章對(duì)冷表面上水滴沉積結(jié)冰和撞擊結(jié)冰微物理過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。提出影響水滴結(jié)冰的因素主要有冷表面、環(huán)境條件、水滴自身和附加力/場(chǎng)，重點(diǎn)介紹了低能表面抑冰性能和對(duì)流情況對(duì)水滴結(jié)冰影響的研究現(xiàn)狀。最后，指出不同因素對(duì)水滴結(jié)冰的影響規(guī)律，超疏水表面抑冰性能的優(yōu)化，以及結(jié)冰過(guò)程主動(dòng)控制方法的探索可以開(kāi)展深入研究，為進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

水滴結(jié)冰；冷表面；實(shí)驗(yàn)綜述；超疏水/低能表面；對(duì)流情況；撞擊

水滴結(jié)冰是一種復(fù)雜的相變傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，廣泛存在于航空航天、風(fēng)機(jī)葉片、電纜、熱交換器和其他基礎(chǔ)設(shè)施中。結(jié)冰會(huì)降低系統(tǒng)效能，增加維護(hù)和監(jiān)測(cè)費(fèi)用，提高安全隱患。飛機(jī)結(jié)冰是造成飛行安全事故的主要隱患之一[1]，積冰會(huì)改變飛機(jī)重心，增加結(jié)構(gòu)負(fù)重；機(jī)翼和安定面結(jié)冰影響氣動(dòng)外形，降低升阻比，操縱性也嚴(yán)重受到影響；發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率急劇下降，破碎的冰塊被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損壞[2－4]。寒冷季節(jié)，風(fēng)力機(jī)葉片上產(chǎn)生的冰脊會(huì)嚴(yán)重影響其安全有效的運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。對(duì)于電纜電線(xiàn)等通訊傳輸設(shè)備，其表面的覆冰會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的破壞并帶來(lái)安全隱患[6]。在低溫制冷領(lǐng)域，結(jié)冰結(jié)霜增加了制冷裝置換熱器的傳熱熱阻，堵塞空氣側(cè)通道，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失效[7]。

傳統(tǒng)的抑冰方法有很多，如化學(xué)方法、電熱方法、熱氣方法、機(jī)械方法、機(jī)電方法等。但是這些方法大都存在能效低、費(fèi)用高、噪音大及場(chǎng)合使用限制等問(wèn)題。因此，研究機(jī)構(gòu)分別開(kāi)展了有關(guān)小尺度水滴在冷表面上結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)研究，旨在深入對(duì)結(jié)冰微物理過(guò)程的理解，為建立更準(zhǔn)確的物理與數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)，進(jìn)而為探索可行、高效、節(jié)能的抑冰方法提供新思路。

本文分別對(duì)冷表面上水滴沉積結(jié)冰和撞擊結(jié)冰兩種形式的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了綜述。同時(shí)，對(duì)影響水滴結(jié)冰的因素進(jìn)行了總結(jié)，并重點(diǎn)介紹了超疏水低能表面和對(duì)流情況對(duì)水滴結(jié)冰影響的研究進(jìn)展。

1 水滴在冷表面上的沉積結(jié)冰

目前，關(guān)于水滴沉積在冷表面上靜態(tài)結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)有很多成果，主要集中在水滴結(jié)冰的微物理過(guò)程和影響因素研究。

1·1 水滴結(jié)冰微物理過(guò)程

宏觀尺度下水的凍結(jié)過(guò)程已經(jīng)有成熟的理論，但由于微小水滴體積小，成核困難，過(guò)冷度較大，相變過(guò)程溫度分布不均，與宏觀尺度下水的凍結(jié)過(guò)程完全不同。水滴結(jié)冰微物理過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究可以幫助人們認(rèn)識(shí)水滴結(jié)冰機(jī)理，建立準(zhǔn)確的水滴結(jié)冰數(shù)學(xué)模型。

1·1·1 相變及變形

已有研究表明，冷表面上水滴凍結(jié)是從與表面接觸線(xiàn)開(kāi)始向上推進(jìn)的。由于水和冰的密度不同，以及相變伴隨著周?chē)魵獾膫髻|(zhì)現(xiàn)象，水滴凍結(jié)過(guò)程中體積會(huì)增大；同時(shí)，由于表面張力的作用，結(jié)冰完成時(shí)冰珠頂端形成塔尖狀突起。

Hoke JL[8]發(fā)現(xiàn)水滴凍結(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生膨脹現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為高度的增加，認(rèn)為膨脹的形成機(jī)制是由于凍結(jié)的水滴和襯底之間的水汽壓差引起的。Walford mE R等[9]觀察到直徑2 mm水滴在冷銅板表面凍結(jié)成塔尖狀冰珠，凍結(jié)過(guò)程固液界面平行于水平冷表面，并采用剪切力去除冰珠的方法測(cè)得冰珠在冷表面上的粘附力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:冰珠的粘附力在－22℃時(shí)最大，當(dāng)溫度低于－62℃或高于－2℃時(shí)，冰珠很容易去除。Wang JT等[10]對(duì)直徑1 mm水滴在冷銅板上的凍結(jié)變形過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為水滴結(jié)冰頂端的凸起原因是水和冰的比容差，并根據(jù)相變動(dòng)力學(xué)理論建立了單個(gè)水滴凍結(jié)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模擬結(jié)果能夠與實(shí)驗(yàn)基本符合，該模型能夠很好地描述冷表面上水滴凍結(jié)時(shí)的形態(tài)變化。Snoeijer J H等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和解析三種方法討論了水滴結(jié)冰末端凸起的形成機(jī)理。同時(shí)指出，根據(jù)動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕條件，實(shí)際的凍結(jié)過(guò)程固液界面并非平行于冷表面，而是一個(gè)曲面，這使得數(shù)值模擬更加復(fù)雜。

1·1·2 換熱及熱分析

相變伴隨著傳熱，了解水滴溫度變化和換熱機(jī)制有助于幫助人們認(rèn)識(shí)水滴結(jié)冰機(jī)理。由于水滴凍結(jié)過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，水滴尺寸小及液體流動(dòng)性等特點(diǎn)增加了實(shí)驗(yàn)采集的難度。目前主要通過(guò)分子標(biāo)定溫度測(cè)量技術(shù)、紅外控溫技術(shù)和熱電偶測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水滴結(jié)冰過(guò)程溫度的監(jiān)測(cè)。

Kawanami T等[12]以鋁粉為示蹤粒子，氦氖激光器為光源，研究了冷表面上水滴凍結(jié)過(guò)程中其內(nèi)部的換熱，觀察到水滴液相部分右半葉流線(xiàn)沿順時(shí)針?lè)较颉Ｍ瑫r(shí)應(yīng)用蘭多法進(jìn)行數(shù)值擬合，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)具有較好的一致性。研究表明:水滴內(nèi)部流動(dòng)由表面張力梯度產(chǎn)生Marangoni對(duì)流主導(dǎo)，在密度逆增區(qū)，表面張力和浮力共同作用；水滴表面的溫度分布受畢渥數(shù)的影響；高溫度梯度產(chǎn)生內(nèi)部對(duì)流促進(jìn)了水滴的冷卻。吳曉敏等[13]利用T型熱電偶測(cè)得冷銅板上體積3μL過(guò)冷水珠凍結(jié)相變過(guò)程溫度變化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將水滴的凍結(jié)過(guò)程分為降溫過(guò)冷、初始晶核形成、釋放潛熱、凍結(jié)過(guò)程和降溫至與環(huán)境平衡溫度5個(gè)階段，如圖1所示。該模型更加細(xì)致的描述了水滴結(jié)冰微物理過(guò)程各個(gè)階段的溫度狀態(tài)。同時(shí)指出冷面溫度是影響水珠凍結(jié)的主要因素。

圖1 水滴凍結(jié)過(guò)程溫度變化示意圖Fig·1 SchematiCof the droplet temperature variation during freezing process

Nitsch K[14]利用熱分析的方法，通過(guò)冷熱臺(tái)控制表面溫度，紅外測(cè)溫儀跟蹤觀察不同溫度、熱處理狀況和冷卻速率條件下直徑5 mm水滴的過(guò)冷和凍結(jié)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示水滴過(guò)冷度隨冷卻率增加而線(xiàn)性降低，由于水滴在冷表面上屬于異相成核，接觸表面特性對(duì)其影響更為顯著，熱處理僅在一定范圍內(nèi)能夠增加水滴的過(guò)冷度。黃玲艷等[15]實(shí)驗(yàn)研究了體積6μL液滴在水平銅表面凍結(jié)過(guò)程，結(jié)果表明:液滴凍結(jié)時(shí)間隨冷面溫度升高而增加，隨空氣濕度增高而減小，空氣溫度和流速對(duì)液滴凍結(jié)也有較大影響。并根據(jù)能量守恒原理建立水滴凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)隨冷壁面溫度變化的解析表達(dá)式，深入研究了冷壁面溫度對(duì)水滴凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致[16]。Hu H等[17]利用分子標(biāo)定溫度測(cè)量技術(shù)量化分析了水滴結(jié)冰全壽命周期的換熱和相變過(guò)程，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:結(jié)冰過(guò)程中液相部分的溫度是上升的，這是液固相變釋放潛熱導(dǎo)致的。同時(shí)觀察并討論了水滴凍結(jié)過(guò)程中體積膨脹現(xiàn)象和結(jié)冰過(guò)程結(jié)束時(shí)的塔尖狀突起。

1·2 影響水滴結(jié)冰的因素

總結(jié)現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)研究得到的成果，得出影響水滴結(jié)冰的因素主要有:

1)冷表面。包括表面材料，表面溫度，表面粗糙度和潤(rùn)濕性等；

圖2 分子標(biāo)定溫度測(cè)量技術(shù)追蹤冷表面上水滴凍結(jié)換熱和液固相變過(guò)程,冷表面溫度－2·0℃[17]Fig·2 Corresponding MTT measurements in the course of icing process on the－2·0℃[17]test plate

2)環(huán)境。包括環(huán)境溫度，相對(duì)濕度，對(duì)流情況等；

3)水滴。包括水滴體積，水滴溫度以及水滴與冷表面的接觸形式；

4)附加力/場(chǎng)。包括電場(chǎng)，磁場(chǎng)，壓強(qiáng)，超聲波，機(jī)械振動(dòng)等。

關(guān)于溫度、濕度以及水滴體積等基礎(chǔ)因素對(duì)水滴凍結(jié)過(guò)程的影響已有大量研究和確切結(jié)論。近年來(lái)，研究人員更多地關(guān)注于低能表面、對(duì)流情況以及附加場(chǎng)對(duì)水滴結(jié)冰的影響，以期為防冰和除冰方法提供一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1·2·1 低能表面的影響研究

根據(jù)接觸角大小可以將表面分為:接觸角小于90°的親水表面(高能表面)以及接觸角大于90°的疏水表面(低能表面)。冷表面水滴結(jié)冰是異相成核，表面過(guò)飽和度的增加會(huì)加速晶核形成。粗糙表面可以減少晶核形成所需的過(guò)飽和度，而低能表面比高能表面需要更高的過(guò)飽和度才能成核，這是低能表面抑冰的基本思路。

Suzuki S等[18]研究了平滑的及粗糙的FAS-17涂層對(duì)水滴的接觸角、滑移角和凍結(jié)溫度的影響。結(jié)果表明過(guò)冷水滴在粗糙表面上的凍結(jié)溫度比在平滑表面上高。進(jìn)一步研究認(rèn)為氟碳鏈的長(zhǎng)度對(duì)低溫環(huán)境下表面的穩(wěn)定性有影響，并設(shè)計(jì)了具有納米級(jí)粗糙度的短鏈FAS-3涂層[19]。Huang L Y等[20]以銅片為基體，通過(guò)化學(xué)刻蝕和表面氟化的方法制備了一系列不同接觸角的疏水表面，研究了接觸角對(duì)水珠凍結(jié)和初始霜晶生長(zhǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:雖然疏水表面可以延遲水珠凍結(jié)和初始霜晶形成時(shí)間，但是霜層生長(zhǎng)晚期，疏水表面失去抑霜性能[21]。

超疏水表面是指接觸角大于150°，滑動(dòng)角小于20°的低能表面，其研究始于1997年，Barthlott W 等[22]首次關(guān)注并報(bào)道了荷葉表面上的水滴可以自由滾動(dòng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為“蓮花效應(yīng)”，引起極大的關(guān)注，并且逐漸成為仿生納米材料技術(shù)中的熱點(diǎn)之一。由于超疏水表面可以通過(guò)減小液-固界面接觸面積和提高成核勢(shì)壘延遲水滴成核和凍結(jié)，許多學(xué)者也開(kāi)展了超疏水表面的制備工藝以及超疏水表面對(duì)水滴結(jié)冰過(guò)程影響和抑冰性能的研究。

Liu Z L等[23]對(duì)比了接觸角162°的電鍍四氟化碳超疏水表面和普通銅板表面上水珠凍結(jié)和初始霜晶生長(zhǎng)過(guò)程。結(jié)果表明:對(duì)于單個(gè)水珠，銅板表面上霜晶沿冰珠頂端縱向生長(zhǎng)，超疏水表面上霜晶會(huì)在冰珠表面的各個(gè)部位均勻生長(zhǎng)。宏觀上表現(xiàn)為超疏水表面可以延遲初始霜晶出現(xiàn)，形成的霜層稀疏較易去除。He M等[24]制備了一系列具有大接觸角的氧化鋅納米棒陣列超疏水表面，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其在冰點(diǎn)以下抑制結(jié)冰的能力，得出氧化鋅納米棒生長(zhǎng)時(shí)間越短抑冰性能越好的結(jié)論。Singh D P等[25]以錫為基體，制備了傾斜排列的納米柱狀銀薄膜超疏水結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了常溫冷表面和變溫冷表面的結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示該表面可以顯著的延遲結(jié)冰發(fā)生時(shí)間，同時(shí)延緩結(jié)冰速度。Jin Z Y等[26]通過(guò)溶膠-凝膠法制備接觸角156.2°超疏水表面，并采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)觀察了水滴該表面上的凍結(jié)和溶化的微物理過(guò)程。

圖3 自然對(duì)流條件下水滴在超疏水表面結(jié)冰過(guò)程,冷表面溫度－8·2℃[26]Fig·3 Droplet icing process on－8·2℃[26]superhyd rophobiCsurface under free convection

此外，2013年Lee H等[27]首次制備了一種兩性表面材料，兼具親水表面和超疏水表面的優(yōu)點(diǎn)，可以在冰點(diǎn)下吸收貯存大量水分子，同時(shí)，當(dāng)水滴滴落在表面上能夠迅速排開(kāi)水珠，體現(xiàn)超疏水性，該項(xiàng)研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

1·2·2 對(duì)流情況的影響研究

對(duì)流情況作為重要的環(huán)境條件，必然對(duì)水滴結(jié)冰過(guò)程產(chǎn)生影響。而目前為止，大部分的水滴結(jié)冰實(shí)驗(yàn)研究都是在自然對(duì)流的環(huán)境下進(jìn)行的，僅有少數(shù)學(xué)者研究了不同對(duì)流條件對(duì)冷表面上水滴的結(jié)冰過(guò)程的影響。

吳曉敏等[28]通過(guò)風(fēng)機(jī)控制空氣流速，在開(kāi)放式風(fēng)洞內(nèi)對(duì)強(qiáng)制對(duì)流情況下水平鋁表面結(jié)冰結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:隨著空氣流速的增大，過(guò)冷水珠存續(xù)時(shí)間先縮短后延長(zhǎng)，凍結(jié)粒徑不斷增大，初始霜晶加快生長(zhǎng)，霜晶細(xì)密。黃玲艷等[15，29]實(shí)驗(yàn)研究了強(qiáng)制對(duì)流條件下環(huán)境參數(shù)對(duì)水滴凍結(jié)過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)水珠凍結(jié)時(shí)間隨空氣流速的變化也存在一個(gè)臨界風(fēng)速約6 m/s，當(dāng)風(fēng)速小于該臨界值時(shí)，空氣流動(dòng)加速了換熱，水珠凍結(jié)時(shí)間隨風(fēng)速的增加而降低，風(fēng)速大于該臨界值時(shí)，周?chē)∷螘?huì)隨風(fēng)被帶走，凍結(jié)時(shí)間隨風(fēng)速的增加而增加，并給出了臨界風(fēng)速的表達(dá)式。Jin Z Y等[30]采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)比了光滑冷表面上水滴在自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流條件下結(jié)冰物理過(guò)程及變形，如圖3和圖4所示。結(jié)果表明:在強(qiáng)制對(duì)流條件下，液滴結(jié)冰時(shí)其固-液分界面并不與冷表面平行，同時(shí)結(jié)冰后的形狀與自然對(duì)流條件下的液滴結(jié)冰有很大的不同。

圖4 強(qiáng)制對(duì)流下水滴在光滑銅表面的結(jié)冰過(guò)程,冷表面溫度－8·2℃[29]Fig·4 Droplet icing process on－8·2℃[29]copper surface under forced convection

2014年，Jin Z Y等[31]首次實(shí)驗(yàn)研究了合成射流對(duì)水滴在冷表面上結(jié)冰的影響，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:合成射流不僅提高了水滴結(jié)冰開(kāi)始和結(jié)束時(shí)冷表面的溫度，而且導(dǎo)致密集和不規(guī)則的霜晶積聚在冰珠外表面上。合成射流激勵(lì)器作為主動(dòng)的流體控制方法，可以為工程師和科研人員研發(fā)高效的主動(dòng)控制抑冰系統(tǒng)提供新思路。

1·2·3 附加力/場(chǎng)的影響研究

水分子具有很強(qiáng)的極性，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下其結(jié)冰過(guò)程勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化。關(guān)于電場(chǎng)對(duì)水滴結(jié)冰的影響始于上個(gè)世紀(jì)50年代，現(xiàn)階段大部分研究都集中在電場(chǎng)對(duì)霜層密度和厚度的影響，通過(guò)控制電流強(qiáng)度和電場(chǎng)方向改變霜晶的生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)冰結(jié)霜的控制[32]。由于磁場(chǎng)的復(fù)雜性，對(duì)其研究相對(duì)較少。2009年，勾昱君等[33]首次實(shí)驗(yàn)研究了磁場(chǎng)作用及磁性表面的上水滴的凝結(jié)、霜晶的形成過(guò)程，發(fā)現(xiàn)水滴凝結(jié)的大小、分布的均勻性及霜晶的疏密程度都會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，并且在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下，霜晶的形成過(guò)程會(huì)受到明顯抑制。

圖5 合成射流環(huán)境下水滴在變溫冷表面結(jié)冰過(guò)程[31]Fig·5 Droplet icing on the cold surface of decreasing temperature with or without the synthetiCjet

關(guān)于機(jī)械和超聲振動(dòng)抑冰的研究也是近年來(lái)人們比較關(guān)注的方向。Cheng CH等[34]研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)水滴在冷表面上凍結(jié)過(guò)程以及雙晶形成的影響，實(shí)驗(yàn)表明振動(dòng)能夠?qū)σ旱蔚睦淠^(guò)程產(chǎn)生一定的影響，延緩冷表面上液滴的形成從而延遲結(jié)霜過(guò)程，對(duì)霜柱生長(zhǎng)期的影響也很明顯。李棟等[35]實(shí)驗(yàn)研究了超聲震蕩對(duì)冷表面凍結(jié)液滴的影響。結(jié)果表明:超聲振蕩能夠顯著抑制水滴表面霜晶的生長(zhǎng)。

2 水滴撞擊冷表面動(dòng)態(tài)結(jié)冰

已有的實(shí)驗(yàn)研究大都基于水滴沉積在冷表面上靜態(tài)的結(jié)冰過(guò)程，并獲得了很多有價(jià)值的成果。而實(shí)際生活中飛機(jī)機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)葉片以及電線(xiàn)電纜上的結(jié)冰問(wèn)題均為水滴撞擊到冷表面上動(dòng)態(tài)結(jié)冰問(wèn)題。因此，水滴撞擊到冷表面上動(dòng)態(tài)結(jié)冰過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究更能夠反映結(jié)冰的真實(shí)情況。

2·1 水滴撞擊冷表面物理過(guò)程

常溫水滴撞擊固體表面物理過(guò)程主要包括碰撞、鋪展、松弛和平衡四個(gè)階段，其中平衡階段可能伴隨著水滴的回彈、飛濺和破裂。當(dāng)水滴或過(guò)冷水滴撞擊到冷表面上，凍結(jié)可能在任一階段發(fā)生，使得撞擊物理過(guò)程變得更為復(fù)雜。

英國(guó)國(guó)防評(píng)價(jià)與研究局(DERA)與美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA)合作，致力于過(guò)冷水滴撞擊和飛濺的動(dòng)態(tài)性能研究[36]。如Hammond D等[37]和Quero M等[38]對(duì)過(guò)冷大水滴撞擊水膜表面的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、換熱以及凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，并對(duì)比了鋪展、飛濺、破裂和凍結(jié)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果。

與靜態(tài)結(jié)冰相似，水滴撞擊冷表面的凍結(jié)受表面溫度和環(huán)境溫度的影響最大。朱衛(wèi)英[39]簡(jiǎn)單探討了表面溫度對(duì)水滴鋪展直徑和凝固時(shí)間的影響。得出撞擊速度對(duì)鋪展半徑影響大，溫度對(duì)凝固時(shí)間起決定性作用的結(jié)論。Li H等[40]實(shí)驗(yàn)研究了撞擊速度和凍結(jié)對(duì)水滴撞擊鋁表面物理過(guò)程的影響。結(jié)果表明:撞擊速度越大，回彈越不明顯。凍結(jié)不影響水滴的擴(kuò)散過(guò)程，但是增大了水的粘性從而減小回縮，由于水滴前緣凍結(jié)，機(jī)械性的阻礙了水滴的運(yùn)動(dòng)。Yang G 等[41]實(shí)驗(yàn)研究了過(guò)冷水滴撞擊到不同材質(zhì)金屬管表面的凍結(jié)機(jī)理。將過(guò)冷水滴撞擊到冷表面的結(jié)冰形態(tài)分為瞬時(shí)結(jié)冰和非瞬時(shí)結(jié)冰，并獲得了邊界條件。同時(shí)指出:除環(huán)境溫度和冷表面溫度外，水滴過(guò)冷度、表面特性也對(duì)結(jié)冰有影響，撞擊速度的影響會(huì)隨著表面溫度的降低而減弱。

2·2 超疏水表面和對(duì)流狀況影響研究

一些研究機(jī)構(gòu)也展開(kāi)了不同對(duì)流條件下水滴撞擊超疏水表面的動(dòng)態(tài)結(jié)冰實(shí)驗(yàn)研究。Mishchenko L等[42]實(shí)驗(yàn)研究了超疏水微觀結(jié)構(gòu)對(duì)水滴撞擊結(jié)冰的影響，并且用經(jīng)典形核理論、換熱理論和潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模。指出表面溫度在－25～－30℃，微納米級(jí)超疏水表面可以使水滴在形核之前回彈，從而有效抑制結(jié)冰，低于該溫度的積冰也比較容易除去。此外，閉孔微觀結(jié)構(gòu)可以提高機(jī)械和壓力穩(wěn)定性，容易復(fù)制和量化生產(chǎn)，具有材料和化學(xué)性能優(yōu)越性。

部分研究結(jié)果表明:超疏水的抑冰性能受環(huán)境(溫度、濕度和空氣流速)和冷表面(粗糙度、和溫度)的影響較大。Varanasi K K等[43]對(duì)超疏水表面抑冰效果的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):在過(guò)飽和水氣壓環(huán)境下，水蒸氣會(huì)無(wú)差異的在超疏水微觀結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位均勻結(jié)霜，霜層增加表面潤(rùn)濕性，使水滴撞擊到冷表面上粘附性增強(qiáng)，疏水性喪失。指出在設(shè)計(jì)超疏水防冰表面時(shí)需要考慮表面結(jié)霜問(wèn)題。Jung S等[44]對(duì)過(guò)冷水滴連續(xù)撞擊到不同潤(rùn)濕性和粗糙度的表面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示:材料的抑冰性能同時(shí)受接觸角和表面粗糙度的影響，同等粗糙度情況下，超疏水材料比親水材料具有更強(qiáng)的抑冰性能，但對(duì)于粗糙度接近臨界成核半徑的納米級(jí)表面，光滑表面的抑冰性能更加突出。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，改變環(huán)境濕度和對(duì)流狀態(tài)會(huì)影響超疏水表面的抑冰性能，并從形核理論和傳熱學(xué)角度解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖6所示[45]。Alizadeh A等[46]應(yīng)用紅外測(cè)溫技術(shù)探測(cè)了在低濕度環(huán)境下水滴撞擊不同潤(rùn)濕性冷表面的成核過(guò)程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和異相成核理論分析，發(fā)現(xiàn)在低過(guò)冷度下，水滴成核主要受液-固界面影響；隨著過(guò)冷度的增加，液-固界面影響降低，空氣和氣-液界面逐漸起主導(dǎo)作用，超疏水表面延遲水滴成核能力下降。

圖6 過(guò)冷水滴在剪切力下固著在超疏水表面[45]Fig·6 Supercooled sessile droplets under shear[45]

2013年，Antonini C等[47]關(guān)注了水滴在－79℃干冰表面的回彈現(xiàn)象，并與水滴在超疏水表面的回彈以及在熱表面的萊頓弗羅斯特現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比。分析指出回彈是由于升華產(chǎn)生了非潤(rùn)濕機(jī)制，使水滴失去粘附力，同時(shí)升華潛熱通過(guò)換熱平衡可以令水滴在回彈前不發(fā)生凍結(jié)。該項(xiàng)研究為科研人員設(shè)計(jì)抑冰表面提供了有益的思路。

3 總結(jié)和展望

國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)對(duì)水滴在冷表面上結(jié)冰的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定成果。這些成果為輔助工程技術(shù)人員開(kāi)發(fā)更為有效的抑冰方法和技術(shù)手段提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

文章闡述了水滴結(jié)冰微物理過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究成果，包括水滴在冷表面上的沉積結(jié)冰和撞擊結(jié)冰?？偨Y(jié)了影響水滴結(jié)冰的因素和影響規(guī)律，著重介紹了超疏水低能表面抑冰性能的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展，以及對(duì)流情況對(duì)水滴結(jié)冰影響的研究現(xiàn)狀。從目前的研究進(jìn)展可以看出:對(duì)水滴在冷表面上結(jié)冰問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究多是針對(duì)于某個(gè)具體問(wèn)題展開(kāi)的，研究的范圍與內(nèi)容有局限性。尤其是對(duì)水滴結(jié)冰的一些影響因素的研究仍處于初步階段，尚未得到確切的結(jié)論，缺少較為全面和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。今后的研究工作中，可以從以下幾方面進(jìn)行完善和深入開(kāi)展:

1)深入研究不同因素對(duì)水滴結(jié)冰微物理過(guò)程的影響。利用測(cè)溫技術(shù)和可視化手段，對(duì)不同工況下(如對(duì)流條件、壓強(qiáng)、磁場(chǎng)等)冷表面上水滴結(jié)冰過(guò)程中的相變和溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，掌握水滴結(jié)冰微物理過(guò)程基本規(guī)律，有助于建立更為準(zhǔn)確的數(shù)值模型。

2)超疏水低能表面抑冰性能的優(yōu)化。超疏水表面作為被動(dòng)抑冰方法的熱門(mén)研究對(duì)象，其抑冰性能目前尚未得到統(tǒng)一的結(jié)論。需要實(shí)驗(yàn)探索微觀結(jié)構(gòu)、粗糙度和潤(rùn)濕性對(duì)其抑冰性能的影響規(guī)律。如何實(shí)現(xiàn)超疏水在不同環(huán)境溫度、濕度和空氣流速下保持長(zhǎng)時(shí)間優(yōu)異的抑冰性能是研究工作所面臨的挑戰(zhàn)。

3)結(jié)冰過(guò)程的主動(dòng)控制方法的探索。在水滴過(guò)冷階段，嘗試通過(guò)不同的外界干擾，如合成射流、超聲振蕩等，改變水滴成核條件、結(jié)冰時(shí)間以及結(jié)冰形式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水滴結(jié)冰過(guò)程的主動(dòng)控制，可以為抑冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本文受上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)課題(11DZ2260400)資助。(The project was supported by the foundation of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (No.11DZ2260400).)

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About the corresponding author

Jin Zheyan，male，Ph.D.，associate professor.School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics，Tongji University，＋86 21-65982651，E-mail:zheyanjin＠#edu.cn.Research fields:heat and mass transfer，experimental fluid dynamics.

Experimental Progress of Water Droplet Freezing on Cold Surface

Sui Dongyu1Jin Zheyan1Yang Zhigang2，3

(1.School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics，Tongji University，Shanghai，200092，China；2. School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai，201804，China；3.Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Shanghai，201804，China)

The present review summarizes the experimental investigations on the freezing processes of the sessile water droplets and impinged water droplets on cold surfaces.Cold surfaces，environmental conditions，droplets，and additional forces or fields are presented as the dominant factors that influence water droplets freezing.The anti-icing performance of low-energy surface and effects of convection conditions on the water droplets icing processes are highlighted.Finally，the principles of various factors on the water droplets freezing，optimization of super-hydrophobiCsurface anti-icing performance，and exploration of active controlmethods on freezing process are recommended to be investigated further，which can beAreference for future researches.

water droplet freezing；cold surface；experiment review；super-hydrophobic/low-energy surface；convection condition；impacting

TK124；V321.2＋29

A

0253－4339(2015)02－0014－08

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.014

簡(jiǎn)介

金哲巖，男，博士，副教授，同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，(021)65982651，E-mail:zheyanjin＠#edu.cn。研究方向:傳熱傳質(zhì)學(xué)，實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)。

2014年6月20日