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
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
作者：极度喜欢上课
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。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。
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。
如图3液滴振荡图所示，测量了液滴在撞击过程中中轴处液滴的高度以及液滴的铺展半径随时间的变化，反映了液滴在不同工况下的振荡情况。和图2反映的规律一致，对比撞击293.15K壁面的结果，当液滴撞击253.15K的壁面时，液滴的振荡过程被抑制，中轴处液滴高度和液滴铺展半径的波动减小。
如图4所示，反映了不同工况下液滴的温度随时间的变化。计算域在初始时刻设置为293.15K，当液滴撞击293.15K壁面时候，液滴温度不发生变化，但当液滴撞击253.15K壁面时，液滴从接触到壁面处开始温度降低，并逐渐降温至253.15K左右。
如图5所示为液滴的相变云图，反映了液滴的相变情况。和温度云图对应，当液滴撞击293.15K壁面的时候，液滴不发生结冰，当液滴撞击253.15K壁面时液滴从从接触到壁面处开始发生结冰现象。
本文通过COMSOL Multiphysics软件建立了纯水液滴撞击过冷壁面结冰的基础模型。数值模拟的结果表明，当液滴撞击过冷壁面时会从撞击壁面处开始结冰，且“结冰”可以抑制液滴在撞击过程中的振荡。如图6-图9所示，为四种工况下的液滴形态变化动图，如同学们有需要获取本文的案例，可加本人QQ：2581349746进行联系。（案例为本人的原创案例，请大家理性看待。）如需系统学习COMSOL软件，可报名参加本人于2023年3月25日举办的COMSOL网络课程，详情请见文末。
