【摘 要】
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液桥的冻结在工业中有着重要的应用。本文基于液滴冻结的研究成果,设计并搭建了实验平台,对轴对称竖直液桥的冻结过程进行了实验研究。建立了描述液桥冻结过程的理论模型。利用流体仿真软件对液桥的冻结过程进行模拟,研究冷表面温度、液桥高度与体积对冻结过程中液桥内部温度分布、冻结锋面高度与冻结时间等的影响。主要研究成果如下:(1)阐述了液桥冻结过程中的晶体生长理论,分析论证了液桥的冻结属于异质成核,液桥发生相变
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液桥的冻结在工业中有着重要的应用。本文基于液滴冻结的研究成果,设计并搭建了实验平台,对轴对称竖直液桥的冻结过程进行了实验研究。建立了描述液桥冻结过程的理论模型。利用流体仿真软件对液桥的冻结过程进行模拟,研究冷表面温度、液桥高度与体积对冻结过程中液桥内部温度分布、冻结锋面高度与冻结时间等的影响。主要研究成果如下:(1)阐述了液桥冻结过程中的晶体生长理论,分析论证了液桥的冻结属于异质成核,液桥发生相变需要达到一定的过冷度以克服发生成核的能量壁垒。(2)设计并搭建了液桥冻结实验系统。实验系统主要由上下两套冷却系统与同轴紫铜基底圆盘组成,可进行接触线半径为1 mm的液桥实验。(3)进行了液桥冻结实验。液桥冻结可分为过冷、成核/再辉、冻结和固体冷却四个阶段,其中冻结阶段以液桥是否发生失稳为界进一步分为第一与第二冻结阶段。第二阶段液相液桥失稳后形成单侧凸起形状,随后液体逐渐冻结形成非轴对称冰环。(4)进行了液桥融化实验,融化锋面从上下冷表面开始形成。未融化的冰块被已融化的液相包裹,在表面张力的作用下首先会悬浮在液桥中,直到融化到尺寸足够小时才在浮力作用下上浮到液桥顶部。(5)建立了考虑重力、过冷与体积膨胀效应的液桥冻结理论模型。该模型能较好的描述冻结第一阶段的锋面高度、冻结速度、轮廓线与整体冻结所需的时间。(6)利用Fluent对液桥冻结进行了数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致。数值模拟对液桥冻结过程中温度分布、冻结锋面高度与冻结时间进行了研究。结果表明,冻结过程中液桥内部的温度变化与高度位置相关,越靠近冷盘的位置温度下降越快。液桥高度越低,体积越小,冷盘表面温度越低,液桥内部温度下降越迅速,冻结锋面高度的增长率也越快。
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