李玉杰，羅振兵

水滴結冰結霜及合成雙射流除霜除冰實驗研究

李玉杰，羅振兵＊

（國防科技大學航天科學與工程學院，長沙 410073）

摘要：對水滴結冰結霜過程及合成雙射流除霜除冰過程進行了實驗研究。實驗中利用半導體制冷片作為實驗板將溫度從室溫降低到－30℃，在水滴凝固結冰結霜后啟動合成雙射流激勵器。采用電子顯微鏡觀測水滴凝固結冰結霜過程及合成雙射流除霜除冰過程。結果顯示：在合成雙射流的作用下，霜的結構迅速由細長針葉狀變?yōu)槎檀值闹鶢畋?，霜的厚度變??；隨后，由于合成雙射流強迫對流換熱作用，凝固水滴上的冰晶及錐形冰尖發(fā)生融化，凝固水滴上冰晶高度緩慢下降，錐形冰尖變平滑，融化的液態(tài)水在沿凝固水滴向下流動時遇冷再凍結，與下游冰晶結為更加質密的小顆粒狀白霜，凝固水滴變矮，與冷平面接觸面積增大。
關鍵詞：合成雙射流；水滴；結霜；除霜；除冰
中圖分類號：V211.71；O358文獻標識碼：A

0 引 言

結霜是潮濕空氣中的水氣遇冷凝結的過程，在低溫、制冷系統中是一種非常普遍的現象，其廣泛存在于航空航天、輸電線纜、風力發(fā)電及低溫器械等領域［1］，并在大多數情況下帶來一定的危害，例如：冰箱空調等結霜會增大換熱熱阻，增加能耗；飛機機翼結霜，改變了機翼氣動特性，增加飛行阻力，減小飛行升力；風力機葉片結霜會降低風力發(fā)電效率，產生安全隱患。因此，研究結霜機理、探索有效的抑霜除霜方法一直受到國內外學者的普遍關注。

Hayashi等人［2］用顯微攝像的方法拍攝了霜的生長過程，將霜層生長過程分為了3個階段，即：霜晶生長期、霜層生長期和霜層充分生長期。其中水滴的結冰結霜過程是結霜過程研究的基礎，十分重要，引起了許多研究者的關注。Carte［3］用顯微鏡研究了水滴在不同表面凝結的過程。許旺發(fā)等［4］測量了水平冷面結霜過程中，過冷水珠凍結的時間和凍結直徑。Feuillebois等［5］忽略了凝結過程質量密度改變的綜合影響，利用數值模擬研究了過冷水滴的凝結過程。Cheng等［6］進行了自然對流條件下平板表面結霜過程的試驗和理論研究，考察了冷面溫度、濕空氣溫度、相對濕度和速度對霜層生長的影響。Lee等［7］研究多種環(huán)境因素對霜層生長的影響，并且推導了霜層生長計算公式。吳曉敏等對強制對流條件下的結霜現象進行了實驗研究，得到了冷面溫度、空氣溫度、空氣濕度和空氣流速等對過冷水珠凝結及結霜特性的影響。

除霜的方法有很多種，如外加電場抑制結霜［810］、磁場抑制結霜［11］、超疏水材料［12－14］或親水性材料抗結冰結霜［15－16］以及超聲波抑制平板表面結霜［17－19］等。Swanson等［8］發(fā)現電場影響霜層表面附近水分子的擴散方式。當霜晶生長時，在晶體的周圍將會產生一個較強的電場，如果電場有很強的梯度，那么被極化的水分子會被沿著電場方向吸引。Tudor［9］通過實驗研究了直流電場作用下霜層的生長特性，發(fā)現連續(xù)施加電場時，有非常細長的針狀霜晶形成；當突然撤去電場時，霜晶會從冷板上脫落。勾昱君等［11］首次對磁場條件下的結霜現象進行了研究，實驗證明了磁場具有一定的抑霜作用。Wu［12］通過實驗觀察發(fā)現疏水表面上的水珠分布稀疏，凍結較晚，初始霜晶較遲出現。Liu［13］等觀察了涂有石蠟的疏水表面和普通銅表面上的水珠凍結和初始霜晶生長過程，結果表明疏水表面上的水珠較小且更接近圓球形，形成的霜層稀疏且較易去除。Okoroafor［15］采用高聚物親水表面進行了2個多小時的結霜實驗測量，可使結霜速率和霜厚減少10%～30%，但親水表面的厚度達到0.7mm。Kazunari［17］對外加超聲波振動的冷表面結霜過程進行了實驗研究，發(fā)現通過超聲波振動，相同時間內，冷表面霜的沉積量減少了大約60%。

合成射流是一種零質量射流，因其與常規(guī)普通射流相比，無需流體供應系統且易于小型化和電參數控制，在流動控制領域備受關注和廣泛研究［20－21］，合成射流除冰除霜技術是近年合成射流應用方向的新發(fā)展［22］。2013年Jin等人［23］對合成射流影響水滴在冷板上的結冰過程做了實驗研究，結果表明：合成射流不僅提升冷板的溫度，而且推遲了水滴的凍結時間。此外，合成射流對水滴凝結密度以及水滴表面的不規(guī)則霜晶有明顯影響。目前，合成射流除冰除霜研究仍處于探索階段。

合成雙射流激勵器是在合成射流激勵器基礎上發(fā)展的一種高性能新型零質量射流激勵器，其由2個腔體和2個出口共享一個振動膜構成，合成雙射流激勵器除了具有合成射流激勵器無需流體供應系統和易于小型化等特點外，還具有能量效率和射流頻率倍增以及低噪聲的優(yōu)點［24］。鑒于合成雙射流激勵器的優(yōu)點，本文重點對合成雙射流除霜過程進行實驗研究，探索其除霜機理和可行性，以推進其在除霜方面的應用。

1 實驗研究

1.1實驗設備

1.1.1合成雙射流激勵器及其控制系統

實驗合成雙射流激勵器如圖1所示，采用長寬分別為20和2mm的矩形出口構型，深4mm，2出口間距為8mm，單個腔體體積為14.3×103mm3。

圖1 合成雙射流激勵器Fig.1 The dual synthetic jet actuator

合成雙射流激勵器及其控制系統主要由合成雙射流激勵器、信號發(fā)生器、示波器、壓電陶瓷驅動電源等組成。信號發(fā)生器產生波形、幅值及頻率可調的電壓信號，實驗中采用正弦波、頻率540Hz、電壓±170V。示波器用來觀測信號發(fā)生器產生的電壓信號。壓電陶瓷驅動電源為合成雙射流激勵器提供工作所需的能源。圖2為實驗連接示意圖，實驗過程中對壓電片（振動膜）施加交流電信號來實現驅動，變頻信號由信號函數發(fā)生器產生，經過陶瓷驅動電源放大后加載于壓電片上，壓電片在交流電壓下伸縮變形使得振動膜上下振動。

圖2 雙射流激勵器及其控制系統實物照片Fig.2 The picture of DSJA and its control system

圖3為距離激勵器出口高度20mm，在激勵器出口長邊中心線上不同位置激勵器一個周期的平均速度曲線，其中X＝±4分別為激勵器2個出口的中心。如圖3所示，在距離激勵器出口20mm處的平均速度曲線有3個峰值，分別是2個出口的附近以及2出口的中心位置。

圖3 平均速度分布曲線（Y＝20mm）Fig.3 Distribution of the velocity

實驗制冷設備為半導體制冷片，制冷片為邊長40mm的正方形。半導體制冷片及其控制系統主要由半導體制冷片及散熱器、繼電器、可調電源、溫度控制器及熱電偶等4部分組成。圖4為制冷片工作及控制系統實物照片及連接示意圖，可調電源為制冷片及散熱器提供能量，實驗中可調電源電壓15.2V、電流2.4A。溫度控制器通過熱電阻監(jiān)測制冷片工作溫度，并通過繼電器控制制冷片的工作溫度，實驗中溫度控制器溫度設定為－30℃，即半導體制冷片的工作溫度控制在－30±3℃。繼電器與制冷片及散熱器串聯，與溫度控制器并聯，當熱電阻反饋制冷片溫度未降到－30℃時，繼電器保持連接，制冷片繼續(xù)工作，當熱電阻反饋制冷片溫度達到－30℃時，繼電器斷開連接，制冷片停止工作，由此控制制冷片的工作溫度為－30℃。

圖4 半導體制冷片及其控制系統實物照片Fig.4 The picture of semiconductor－cooled－board and its control system

1.2實驗過程

圖5為實驗工作系統示意圖。

具體實驗步驟如下：

1.2.1準備過程

（1）調節(jié)電子顯微鏡放大率，至能清晰觀察到制冷片上的水滴（常溫下的普通水），并且標記水滴位置；

（2）調節(jié)溫度控制器限制溫度為－30℃，將熱電阻粘結在制冷片表面；

（3）將激勵器安置在水滴位置正上方，激勵器出口與制冷片上表面距離20mm，設置信號發(fā)生器、示波器及壓電陶瓷驅動電源參數，控制合成雙射流激勵器正常工作，工作電壓200V，頻率450Hz。

1.2.2測試過程

（1）開啟可調電源，使半導體制冷片工作，等到工作溫度下降到－30℃；

（2）開啟電子顯微鏡自動拍攝功能時間間隔為1s；

（3）在標記處滴落水滴，觀測并記錄水滴變化；

（4）等到水滴形態(tài)不改變時，信號發(fā)生器輸出信號，合成雙射流激勵器開始工作，記錄水滴變化過程；

（5）待水滴形態(tài)不再改變時，關閉電子顯微鏡，記錄環(huán)境溫度、濕度和溫度控制器測量溫度（制冷片溫度），然后關閉激勵器以及制冷片電源。

圖5 實驗系統示意圖Fig.5 The sketch map of the experimental system

1.3實驗現象及分析

實驗過程中，環(huán)境的相對濕度和溫度為62.3±1.5%，20.3±2.0℃，激勵器的作用不改變環(huán)境大氣的溫度。實驗分為2個過程：（1）先將實驗板降溫至－30℃，滴下水滴，至水滴完全結冰，并且冰形不再改變；（2）合成雙射流激勵器周期性的吹吸氣體作用于結冰水滴，直至水滴形態(tài)不再改變。

（1）水滴凝固及結霜

如圖6所示，當水滴落至溫度為－30℃的平板時凝固過程立刻開始，水滴從下部向上逐漸凝固，圖6（a）～（h）能夠清晰地看到水冰的分界面。水滴表面凝固速度大于內部凝固速度，如圖6（a）～（d）所示，水滴外表面自下而上逐漸凝固，在t＝5s時水滴外表面已經全部凝固，此時仍然可以看到內部的冰水交接面，隨著時間推移，水滴內部的冰水交接面逐漸上升，如圖6（h）所示，在t＝12s時水滴內部也完全凝固，變得不再透明。由于水凝固為冰密度減小、體積增大，使得水滴形態(tài)改變，頂端突出，變成錐形。水滴凝固過程中在已凝固部分伴有微量結霜。

圖6 水滴凝固過程Fig.6 The freezing process of a droplet

在水滴完全凝固為冰后，潮濕空氣中的水蒸氣很快凝華在水滴冰面上，并形成霜（見圖7），霜由凝固水滴的頂端開始向下逐漸形成，起初在凝固水滴的尖端出現針葉狀的冰晶，如圖7（a）所示，隨著時間的推移，結晶水滴上的結霜面積逐漸增加，結霜的厚度以及密度也逐漸增加，但主要集中在凝固水滴上部。一段時間后，如圖7（h）所示，當水蒸氣的凝華和升華達到平衡，凝固水滴形態(tài)不再發(fā)生改變，結晶水滴上半部分表面覆蓋了一層細密的針葉狀霜。初始低溫區(qū)域為制冷片平面，故凝固水滴附近的水蒸氣由于濃度梯度向冷表面產生豎直向下的遷移［1］，由于水滴側面的弧度，使得其下部接觸的水蒸氣很少，凝固水滴下表面基本沒有結霜。

圖7 凝固水滴結霜過程Fig.7 The process of restraining frost on the surface of a frozen droplet

（2）合成雙射流激勵器除霜過程

圖8為合成雙射流作用下凝固水滴結霜的形態(tài)隨時間的變化圖。合成雙射流激勵器工作時，熱電阻測量制冷片溫度為－30.0±2.0℃，如圖8（a）～（h）所示，水滴結晶表面的霜逐漸減少。針葉狀霜的“針尖”迅速消失，霜的厚度迅速減小，并且在霜表面出現一層閃爍的小冰晶，說明針葉狀霜“針尖”的消失不僅是由于射流產生力的吹除作用，而且產生了融化再凝固的相變過程。隨著時間的推移，凝固水滴表面的霜在整個凝固水滴表面變得均勻，如圖8（h）所示，整個水滴變成白色，表面均勻覆蓋了一層的柱狀冰晶。

繼續(xù)利用合成雙射流作用于凝固水滴，如圖9（a）～（h）所示，凝固水滴和其表面冰晶發(fā)生緩慢變化。隨著時間的推移，由于合成雙射流強迫對流換熱的作用，凝固水滴上的冰晶及錐形冰尖逐漸融化，凝固水滴表面的閃光柱狀小冰晶逐漸消失，凝固水滴的高度逐漸降低，錐形尖端逐漸變得平坦，融化的液態(tài)水在沿凝固水滴向下流動時遇冷再凍結，在下游結為更加質密的小顆粒狀白霜，凝固水滴與冷板平面的接觸面積增大。

圖8 合成雙射流除霜過程Fig.8 The process of reducing frost using DSJA

分析整個過程（2），霜的減少首先是由于射流引起水滴表面附近局部空氣中水蒸氣周期性的劇烈振蕩，水蒸氣振動的加速度很大，是重力加速度的104數量級［19］，如此大的加速度使得沿著射流方向上冷表面附近的水蒸氣擾動劇烈，冷表面附近的水蒸氣由于濃度梯度向冷表面產生定向遷移的作用被破壞，使得進入霜晶界面的水蒸氣分子數顯著減少，水蒸氣在霜表面凝華沉積的速率小于霜表面升華的速率，所以針葉狀霜的“針尖”迅速消失，霜層尤其是冰晶頂部的霜明顯變薄。同時，由于合成雙射流強化對流換熱的作用，使得凝固水滴上端和柱狀冰晶融化并向下流動后再凝固，所以如圖9（h）所示，凝固水滴表面的閃光柱狀小冰晶逐漸消失，凝固水滴的高度逐漸降低，錐形尖端逐漸變得平坦，下游出現更加質密的小顆粒狀白霜，凝固水滴與冷板平面的接觸面積增大。

圖10是水滴結冰結霜及合成雙射流除霜除冰過程凝固水滴高度變化曲線。由圖6～10可知，水滴在－30℃冷板上結冰結霜速度很快，高度增加，不到30s就完全結冰結霜，爾后高度增加緩慢。合成雙射流除霜除冰時，不到2s針葉狀霜迅速消失，高度迅速下降，主要是由合成雙射流作用力吹除和對流換熱融化作用，且吹除作用占主導；爾后由于合成雙射流強迫對流換熱對冰晶及錐形冰尖的融化作用，凝固水滴的高度降低緩慢，合成雙射流除冰作用主要是射流的對流換熱融化作用。實驗結果表明：合成雙射流對于針葉狀霜的除霜效果顯著，對于冰晶／冰滴的除冰效果較差。

圖9 合成雙射流除冰過程Fig.9 The process of reducing frost using DSJA

圖10 水滴高度變化曲線Fig.10 Height variation of the droplet over time

2 結 論

本文對水滴在低溫平板上的結冰過程及合成雙射流除霜除冰過程進行了顯微可視化實驗研究。實驗結果表明：

（1）當水滴落至低溫平板表面時凝固過程立刻開始，水滴從下部向上逐漸凝固，水滴表面凝固速度快于內部。水滴完全凝固時不再透明，頂端突出，變?yōu)殄F形。在水滴凝固過程中已凝固部分伴隨著微量的結霜。在水滴凝固為冰后，潮濕空氣中的水蒸氣迅速凝華在水滴表面，并由凝固水滴的頂端開始向下逐漸形成針葉狀霜。隨著時間的推移，凝固水滴上的結霜面積逐漸增加，結霜的厚度以及密度也逐漸增加，主要集中在凝固水滴上部。

（2）在合成雙射流作用下，凝固水滴表面上針葉狀霜的“針尖”迅速消失，霜的厚度迅速減小，并且在霜表面出現一層閃爍的柱狀冰晶，其除霜機理主要是由于合成雙射流作用力的吹除作用和射流換熱的融化作用，且射流力的作用占主導；在合成雙射流持續(xù)作用下，由于射流的對流換熱，即射流熱的作用占主導，凝固水滴和冰晶發(fā)生融化，凝固水滴表面的閃光柱狀小冰晶消失，凝固水滴的高度緩慢降低，錐形尖端變得平坦，融化的液態(tài)水在沿凝固水滴向下流動時遇冷再凍結，與下游冰晶結為更加質密的小顆粒狀白霜，與冷平面接觸面積增大。

（3）合成雙射流對針葉狀霜的除霜效果顯著，但對冰晶／冰滴的除冰效果較差，其主要原因是合成雙射流除霜除冰的“力”“熱”機理不同，因此，通過改善合成雙射流的熱作用有望進一步改進合成雙射流除冰技術。

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An experimental investigation on the process of droplet icing／frosting and defrosting／deicing using dual synthetic jet

Li Yujie，Luo Zhenbin＊
（College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

The processes of a droplet icing／frosting and defrosting／deicing using a dual synthetic jet actuator（DSJA）was experimentally studied.The temperature of a semiconductorcooled board was reduced to－30℃，and the DSJA was started after the droplet was frozen.The processes of the droplet icing，frosting，defrosting and deicing were observed by an electron microscope.The experimental results show that the structure of the frost changes quickly from needle to column，and then to granule.Meanwhile，the thickness of the frost attenuates.Later on，because the DSJ can enhance the heat transfer，the cone of the frozen droplet becomes flattish and the height of the frozen droplet decreases slowly.The thawed water flows downwards and freezes again.The interface area between the frozen droplet and the semiconductor－cooled board is increased.

dual synthetic jet；droplet；frosting；defrosting；deicing

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）03－0027－06

10.11729／syltlx20160004

2015－12－22；

2016－02－24

＊通信作者E－mail：luozhenbing＠163.com

Li Y J，Luo Z B.An experimental investigation on the process of droplet icing／frosting and defrosting／deicing using dual synthetic jet.

Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（3）：27－32.李玉杰，羅振兵.水滴結冰結霜及合成雙射流除霜除冰實驗研究.實驗流體力學，2016，30（3）：27－32.

李玉杰（1991－），男，新疆博樂人，碩士研究生。研究方向：實驗流體力學與測試。通信地址：湖南省長沙市開福區(qū)國防科學技術大學（410073）。E－mail：13080508742＠163.com