浅谈液滴撞击过冷壁面过程中的结冰行为——基于COMSOL的数值模拟

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作者：极度喜欢上课

一、引言

一般情况下，当温度低于0摄氏度时，水就会发生结冰行为。“结冰”存在于生活的方方面面，例如道路运输、制冷行业、血浆储存、航天航空等领域，如果把“结冰”作为一个研究课题，用学术性的眼光来看的话，结冰其实是一个复杂的多相、多尺度、多参数、多物理场耦合的过程。

前人做过的研究表明影响液滴撞击过冷壁面结冰行为的因素有很多，大致可以分为以下四类：1.环境因素：环境温度、环境湿度、空气流速等；2.壁面性质：润湿角、粗糙度、壁面温度、形状等；3.液滴性质：密度、动力粘度、水滴温度、表面张力等；4.外加力场：电场力、磁场力等。

从仿真的角度来说，一个模型如果考虑越多的影响因素那么模型本身肯定会变得越复杂，随之而来的是计算量会更大，收敛性也更差。本文忽略次要条件，主要关注环境温度、润湿角、壁面温度等关键影响因素，建立了纯水液滴自由落体撞击过冷壁面结冰的模型，并简要分析纯水液滴的结冰过程，希望能给研究相关方向的同学带来一定的启发。

二、模型的建立

本文的模型采用二维轴对称几何维度进行建模，如图1所示建立几何结构图，模型整体为长3毫米、高4毫米的矩形，其中半圆为纯水液滴，半径为0.5毫米，圆心坐标为（0[mm]，1.5[mm]）。本文考虑了不同壁面温度以及润湿角对壁面结冰行为的影响，建立了四组模型，分别是：第一组壁面温度为293.15K、润湿角为120度；第二组壁面温度为253.15K，润湿角为120度；第三组壁面温度为293.15K、润湿角为45度和第四组壁面温度为253.15K、润湿角为45度。

图1 模型几何结构图

三、结果分析和讨论

如图2所示，为不同工况下液滴不同时刻的轮廓线图。分别对比293.15K和253.15K不同壁面温度的工况，可以看到不论接触角是120度还是45度，液滴撞击253.15K壁面的变形量要比撞击293.15K壁面的变形量小，这很可能是因为液滴撞击253.15K壁面时发生了结冰，抑制了液滴在撞击过程中的振荡。分别对比120度和45度液滴接触角的工况，可以看到液滴接触角越小，液滴发生的变形量越大，在（c）工况下的液滴撞击过程中，液滴中部甚至出现了完全凹陷的情况。