揭示三维曲面在冷冻脱盐过程中对结冰和脱盐过程的影响

《Desalination》：Unraveling the impact of three-dimensional curved surface on icing and desalting processes during freezing desalination

　　研究了弯曲界面对海水结冰和脱盐过程的影响。通过将相场法与格子玻尔兹曼法相结合，建立了三维求解框架。展示了冻结液滴内部的盐度和温度分布。研究了圆柱半径和润湿性对冻结性能的影响。引言冷冻脱盐（FD）是一种基于冷冻过程中盐分被排除在冰晶之外的相变分离技术[1]。与热驱动蒸发相比，相变发生在相对较低的温度下，并且该过程对腐蚀和结垢的敏感性低于传统脱盐方法[2]。在FD过程中，海水通过喷雾装置雾化，并以液膜形式铺展在结晶器表面。冻结后，冰层由刮刀移除，随后经过洗涤、离心及其他后处理步骤获得淡水[3], [4]。然而，目前的研究主要集中于宏观系统性能指标，如产水率[5]、能耗[6]和脱盐效率[7]。液滴尺度模拟有助于解析结晶器内部隐藏的耦合过程。对于单个液滴，可以精确设定初始条件和边界条件，并同时研究气液界面、冻结前沿、温度场和盐分分布。基于液滴分析的撞击与冻结研究表明，初始液滴温度[8]、撞击速度[9]、液滴直径[10]和过冷度[11]控制铺展与凝固过程。生长的冰层也会减缓内部流动，阻滞三相接触线，并可能抑制回缩和振荡[12]。因此，结冰不能仅从流体动力学角度解释，液滴在冷基板上的停留时间和接触面积也很重要。润湿性[13]和表面结构[14], [15]会改变接触线运动和传热。疏水表面通常缩短接触时间并减小接触面积，而亲水表面则促进铺展并引发冻结[16], [17]。此外，当表面具有曲率时，液滴会表现出与平表面不同的特征[18]。数值和实验研究表明，液滴尺寸与表面半径之比会影响弯曲表面上的铺展和冻结[19], [20]。然而，早期研究大多考虑平板或轴对称构型，这些通常可以用二维模型表示。这种简化对于圆柱表面并不适用。管式蒸发器在工业FD系统中常被用作冷冻元件，因此海水液膜或液滴经常接触的是圆柱表面而非平面[21]。由于沿轴向和周向的几何差异，圆柱表面表现出非中心对称的各向异性特征[22]。因此，液滴撞击圆柱表面时的动力学行为不能直接类比于平面或球面上的情况。已有研究对液滴撞击圆柱表面后的铺展、回缩和破碎过程进行了探讨[23], [24]。同时，圆柱表面润湿性[25]、撞击速度[26]和液滴韦伯数[27]等参数对液膜铺展和气液接触线演化的影响也得到了系统研究。Shang等[28]阐明了轴向与周向铺展过程与冻结前沿多向传播之间的联系，并对不同撞击速度和基板温度下的多种冰形成模式进行了分类。Guo等[29]指出，与表面温度相比，表面曲率的影响更为复杂。表面温度降低会增加液滴铺展因子，而较小的圆柱直径则促进液滴铺展和冰形成。因此，曲率不仅仅是几何变化，它能够重组液滴冻结过程中的流动、热量和溶质输运路径。尽管已有大量实验研究，但对圆柱表面冻结的理解仍不完整。高速成像可以测量外部液滴形状、接触线运动和可见冻结前沿的演化，但无法直接解析三维内部冰层、潜热释放或瞬态盐分重新分布。随着界面演化和对称性丧失，这些量尤其难以测量。因此，需要数值模型将可观测的撞击形态与内部冰生长和盐分排斥联系起来。焓-孔隙度法广泛应用于连续尺度下的凝固模拟[30], [31]。该方法将固液共存区表示为多孔介质，并主要根据温度确定相态[32]。虽然对于大规模计算效率较高，但它无法显式解析介观尺度的冰形态或过冷盐液滴的详细演化。因此，它不足以研究圆柱不对称性如何影响枝晶生长、盐水通道形成和局部溶质富集。相场法为此提供了合适的框架，因为它将尖锐的固液边界表示为连续的扩散界面，并在无需显式界面重构的情况下跟踪其运动[33], [34]。Wang等[35]开发了一种三相相场法来模拟静态纯水液滴冻结，包括冻结前沿运动和枝晶尖端形成。Dang等[36]指出冰晶在二维空间中具有六重对称结构，且枝晶生长速率随各向异性强度的增加而增大。Demange等[37], [38]进一步研究了三维空间中的冰晶结构，并成功描述了15种不同形状的冰晶结构。对于海水，已开发出包含浓度相关自由能密度的公式，将相变与溶质扩散耦合[39], [40]，模拟结果表明溶质扩散系数影响冰层结构[41]。Liu等[42]提出了一种反映海冰三维结构的新型各向异性函数。该研究解释了冰层中盐水通道和盐胞的形成机制，并发现盐水通道结构沿多个水平和垂直方向存在。然而，这些研究尚未整合到对移动海水液滴在不对称圆柱基板上撞击、铺展、冻结和盐分重新分配的三维描述中。目前的研究表明，在解释圆柱形冻结表面如何影响海水液滴结冰和脱盐过程方面，仍存在两个相关的研究空白。首先，大多数曲面撞击研究强调外部液滴动力学或可见冻结形态，而流体流动、传热、相变和盐分扩散之间的内部耦合仍未解决。其次，现有的冻结模型主要局限于静态液滴、纯水、平面或二维几何。它们无法捕捉圆柱上轴向与周向铺展的方向差异，也无法确定这种不对称性如何传播到三维冻结前沿和浓度场中。因此，本研究提出一个三维多物理场耦合数学模型，以描述三维液滴撞击复杂冷表面后的动态行为和相变机制。该方法将相场理论与格子玻尔兹曼法相结合，阐明了相变、质量传递、传热和流体流动之间的相互耦合。它能够在介观尺度上准确描述固-液-气三相界面的演化及其各向异性特征，从而为揭示FD过程中不对称表面上的成冰机制提供可靠的理论基础。章节摘录模型描述本文以过冷盐液滴为研究对象，研究其撞击低温表面后的铺展和冻结过程，旨在阐明不对称表面对FD过程中冻结行为的影响。盐液滴的冻结过程是多个物理场耦合相互作用的结果，包括相场、浓度场、温度场和流场。气相的演化...物理模型与数值细节图2展示了半径为Rd = 17.5 μm的三维过冷海水液滴撞击半径为Rc = 31.5 μm的低温圆柱表面的示意图。如图所示，整体模拟区域为60 μm × 60 μm × 60 μm的正方形区域，位于顶部中心的过冷液滴以初始速度u0 = 1 mm/s垂直下落。密度场由...的密度初始化。单液滴撞击与结冰过程图5展示了接触角为90°的过冷海水液滴撞击冷圆柱表面的铺展和冻结过程。该过程发生在D0 = 35 μm、T0 = -15 °C、x0 = 0.03 kg/kg和u0 = 1.0 mm/s的条件下。图5(a)至(c)分别描绘了相场、浓度场和温度场的时间演化。很明显，当过冷液滴接触冷曲面时，晶核立即形成，导致快速凝固...结论本研究开发了一个将相场法与格子玻尔兹曼法耦合的三维多物理场模型，用于研究液滴在圆柱形冷表面上的撞击和冻结。该模型解析了固-液-气界面、温度场和盐分输运的演化，从介观尺度揭示了表面特征和撞击条件如何影响冻结和盐分排斥。主要结论如下：(1) 表面...利益冲突声明作者声明，他们不知道可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。致谢作者感谢以下机构提供的资助：国家自然科学基金（No. 52476094、52401352）、山东省自然科学基金（ZR2023ME146）、山东省自然科学基金优秀青年科学家基金项目（海外）支持的2025HWYQ-035项目、青岛市科技惠民示范项目（25-1-5-cspz-4-nsh）以及中国博士后科学基金会博士后资助项目（...）刘欣宇 | 赵媛 | 袁瀚 | 张吉 | 宋佳彤