霜层生长过程的实验研究以及理论分析

论文摘要

结霜现象广泛存在于制冷、低温工程、航空航天等领域,霜层的存在带来诸多不利的影响。本文从实验以及理论两个方面对霜层生长现象进行研究,明确了影响霜层生长过程的各种环境因素,提供了霜层生长的预测,为除霜以及抑制霜层的研究建立基础。首先设计了实验装置,整个实验系统由制冷装备、测温设备、图像采集系统以及环境温湿度控制系统四部分组成。通过这套系统,可以调整环境温度湿度,冷表面的温度以及表面接触角,来研究不同条件下霜层的生长状况。实验研究表明,冷表面温度主要影响霜层的高度以及冰晶体的形态;相对湿度对霜层的高度以及密度都有明显影响;在表面添加涂层后,车蜡涂层表面以及丙三醇表面上霜层出现时间较晚,霜层高度明显降低,冰晶体分布比较稀疏。对成核过程的分析表明,过饱和度以及表面接触角对于成核速率有着明显的影响。在过饱和度较低的时候,随过饱和度的增加,成核速率变化较为迅速;当过饱和度较高的时候,成核速率变化较为缓慢。吸水性涂层抑制霜层的原理在于通过改变局部的水蒸气过饱和度来影响成核速率,进而影响霜层的生长速度。憎水性涂层抑制霜层生长的原理则在于高接触角表面使得成核难度增加。采用计盒维数方法对霜层生长图像分析表明,充分生长的霜层在一定尺度范围内具有分形特征。这一特性说明霜层的结构是具有层次性的,在此存在一个尺度,当度量尺度大于此尺度时,霜层可以看作是均匀的;当小于这个尺度时,霜层满足自相似性,这一尺度内霜层的形成过程可以采用渗流结构来描述。以此为基础建立霜层结构模型,计算霜层的导热系数以及扩散系数。模拟计算的结果表明,孔隙率较高的时候,霜层的导热系数变化比较平缓;当接近渗流临界值的时候,霜层导热系数随密度的增加迅速上升。当孔隙率比较小的时候水蒸气在霜层中的扩散系数上升比较缓慢;当孔隙率较高时,孔隙率的增加有可能将多个较小的相邻孔隙合并为大孔隙,从而使得有效扩散系数迅速上升。最后在实验观察的基础上,提出了考虑附着概率的霜层生长的一维随机模型。对于前期的霜层,这个模型可以比较准确地预测霜层的生长。对于后期的霜层,这个模型对于冰晶体沉积量的预测比较准确,对霜层高度的预测则出现了较大误差。对于后期的误差,可以采用前期的实验图像来修正。修正预测的霜层高度以及晶体沉积量都比较符合实际。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结霜现象研究现状
• 1.2.1 结霜现象研究的历史
• 1.2.2 霜层物理性质
• 1.2.3 霜层生长过程的研究
• 1.2.4 抑制霜层生长的方法
• 1.2.5 现有研究的不足
• 1.3 分形理论在多孔介质研究中的应用现状
• 1.3.1 分形理论简介
• 1.3.2 分形理论应用现状
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 本文采用的研究方法
• 1.4.2 本文的研究特色
• 参考文献
• 第二章 实验系统设计以及实验图像的处理
• 2.1 实验目的以及研究内容
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 制冷设备
• 2.2.2 测温设备
• 2.2.3 图像采集系统
• 2.2.4 环境温湿度控制系统
• 2.3 实验步骤
• 2.4 实验图像的处理
• 2.4.1 图像处理的目的
• 2.4.2 数字图像处理方法简介
• 2.5 图像的定量分析
• 2.5.1 分析目的
• 2.5.2 霜层高度的确定
• 2.5.3 冰晶体随霜层高度的变化规律
• 2.5.4 冰晶体在空间的平均占有率以及冰晶体总沉积量
• 2.6 冰晶体分形特征的判断以及维数的求解
• 2.6.1 分形物体描述
• 2.6.2 判断物体具有分形特征的准则
• 2.6.3 盒计数维数方法
• 2.7 实验误差分析
• 2.7.1 测温误差
• 2.7.2 图像处理时产生的误差
• 2.7.3 影响实验精度的其他一些因素
• 2.8 本章小结
• 参考文献
• 第三章 实验结果分析
• 3.1 冷表面温度对霜层生长影响分析
• 3.1.1 不同冷表面温度下霜层生长图像
• 3.1.2 图像分析
• 3.2 环境相对湿度对霜层生长过程影响分析
• 3.2.1 不同湿度下霜层生长图像
• 3.2.2 图像定量分析
• 3.3 环境温度对霜层生长过程的影响
• 3.3.1 不同环境温度下霜层生长图片
• 3.3.2 图像定量分析
• 3.4 材料接触角对霜层生长的影响
• 3.4.1 测量方法
• 3.4.2 不同表面上液滴的形成以及生长
• 3.4.3 不同工况下憎水性表面和无涂层表面霜层生长对比研究
• 3.4.4 涂层厚度对憎水性表面结霜的影响
• 3.4.5 融霜后的研究
• 3.5 吸水性涂层对霜层生长过程的影响
• 3.5.1 霜层生长过程的对比研究
• 3.5.2 图像分析
• 3.5.3 涂层厚度对结霜的影响
• 3.5.4 憎水性涂层与吸水性涂层抑霜效果对比
• 3.6 霜层分形特征的判断以及分形维数变化规律
• 3.6.1 分形特征的判断
• 3.6.2 分形维数对于研究结霜现象的意义
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 晶核的形成及其影响因素
• 4.1 成核过程分析
• 4.1.1 成核的驱动力
• 4.1.2 成核的临界半径及其形成功
• 4.1.3 过饱和度对成核过程的影响
• 4.1.4 动态接触角（DCA）对成核速率的影响
• 4.1.5 表面粗糙度的影响
• 4.2 憎水性表面液滴的形成以及合并
• 4.2.1 憎水性表面上的brown凝并
• 4.2.2 与实验结果的对比分析
• 4.2.3 液滴从表面脱离的条件
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 霜层中的传热以及传质
• 5.1 霜层有效导热系数
• 5.1.1 研究霜层导热系数的两种方法
• 5.1.2 霜层结构的层次性
• 5.1.3 霜层的结构模型
• 5.1.4 网格导热系数的计算
• 5.1.5 计算结果及分析
• 5.1.6 与其它模型的对比
• 5.1.7 导热系数的表达式
• 5.2 水蒸气在霜层中的扩散
• 5.2.1 霜层对水蒸气扩散过程的影响
• 5.2.2 水蒸气扩散通道模型
• 5.2.3 扩散通道分布模型
• 5.2.4 参数的选择
• 5.2.5 计算结果讨论
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 霜层生长过程的模拟
• 6.1 冰晶体的生长方式
• 6.1.1 生长界面的保守性以及稳定性
• 6.1.2 枝晶生长
• 6.1.3 分形结构的产生方式
• 6.1.4 附着概率的理论分析
• 6.2 模型的建立以及参数的选择
• 6.2.1 模型的建立
• 6.2.2 模型中参数确定
• 6.3 模拟结果及分析
• 6.3.1 无涂层铜表面模拟结果与实验结果对比
• 6.3.2 车蜡涂层表面模拟结果与实验结果对比
• 6.4 预测误差的修正
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结以及展望
• 主要符号表
• 致谢
• 作者攻读博士期间发表的论文以及获得的专利