自然对流条件下竖直和倒置微肋板结霜特性的实验研究

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Experimental study on the frosting characteristics of micro-rib plates with vertical and inverted arrangements under natural convection conditions

　　

## 摘要

为研究自然对流条件下微肋板（MRP）霜结特性受重力影响的情况，搭建了专用实验平台。在室温20℃、相对湿度60%、MRP肋间距为0.6 mm的条件下，分别采用竖直和倒置布置方式，对铜合金、铝合金和钛合金材料的微肋板进行霜结实验。对各阶段的持续时间、投影霜面积（A）、投影霜面积增长率（ν）、净留存霜质量（m）以及单位面积净留存霜质量层（ρs）进行定量分析。与以往研究中水平布置MRP的霜结特性相比，研究结果如下：当MRP布置方式相同时，钛合金材料MRP霜枝首次出现（FTRP）阶段和肋间霜枝填充（FTBR）阶段的持续时间更长，峰值投影霜面积增长率（νpk）更小，且相同时刻的投影霜面积（A）更小。例如，在倒置MRP布置中，钛合金材料的FTRP持续时间比铜合金材料延长55.49%，FTBR持续时间延长13.99%，νpk降低17.46%，3000 s时的A降低14.37%。当MRP材料相同时，倒置布置的FTRP和FTBR阶段持续时间更长，νpk和m更低。例如，在钛合金材料MRP中，与竖直和水平布置相比，倒置布置的FTRP阶段持续时间分别增加81.76%和63.53%，FTBR阶段持续时间分别增加38.85%和27.65%，νpk分别降低5.17%和7.14%，m分别降低20.20%和11.24%。综上所述，在本实验条件下，倒置布置的钛合金MRP表现出最佳的抗霜效果。

## 引言

霜的形成是由空气中的水蒸气在低温表面凝结所触发的[1]，[2]。低温环境下的冷表面结霜在自然界中很常见，通常在工程应用中会带来负面影响[3]，[4]。例如，在航空航天领域，飞机机翼表面的霜结会改变机翼的气动外形并降低升力。根据相关安全统计数据，霜害事故占所有气象相关事故的12%[5]，[6]。在低温储存设备中，换热壁上的霜结会引起局部过冷，导致储存温度波动，影响储存设备的保鲜质量[7]，[8]。积聚霜中冰晶的反复融化与再冻结会使积聚霜逐渐密实，转变为密度更高的冰层[9]，[10]，[11]。在风能转换领域，霜结引起的结冰会导致叶片载荷不平衡并加速叶片疲劳损伤[12]，[13]。在轨道交通领域，中国国家铁路集团高寒铁路运营安全报告数据表明，北方高寒地区由霜结引起的铁路设备故障率高达35%[14]，[15]。可见，霜结已从一种自然物理现象转变为影响工程领域中设备安全高效运行的突出问题[16]，[17]，[18]。因此，为减少霜结引起的各种工程问题，有必要开展霜结实验研究，寻找抑制霜层生长的策略。

低温物体表面的霜结往往伴随着水蒸气的相变过程，延长水蒸气的相变可以抑制霜层生长[19]，[20]。因此，先前的研究对冷表面的水蒸气相变过程进行了分析，并取得了许多成果[21]。Kim等人[22]在自然对流条件下对水平、竖直和倒置铝合金冷板进行了霜结测试，通过测量水蒸气凝结相变的起始时间，发现倒置冷板上水蒸气凝结的起始时间比竖直冷板提前22.6%。Lei等人[23]在强制对流条件下对竖直冷板进行了霜结实验。通过比较底面板温度在?10 ℃至?25 ℃范围内竖直冷板上水蒸气相变速率，发现底面板温度降低会导致相变提前发生。Zhang等人[24]实验研究了起始冷却速度对具有边缘效应的水平板霜层特性的影响。通过测量相同条件下边缘区域和非边缘区域凝结液滴直径，发现在水蒸气凝结结束时，边缘处的液滴直径是非边缘区域的1.69–1.95倍。在实际应用中，冷表面水蒸气相变过程的研究可以为翅片式换热器的抗霜结构设计提供帮助[25]。例如，为解决换热器的霜结问题，Wang等人[26]对不同表面润湿性的翅片管换热器进行了霜结和除霜实验，并计算了各表面的除霜能耗。研究结果表明，超疏水材料与裸铝材料相比可降低18.89%的除霜能耗。Huang等人[27]对多孔铜板进行了霜结实验，分析了空气源热泵多孔翅片的霜结现象。通过测量板面孔区域和边缘区域的霜层厚度，发现在?5 ℃条件下，边缘区域的霜层厚度比孔区域高13.86%。多孔区域可以抑制霜层生长。由此可见，低温物体上的水蒸气相变过程受多种因素影响，例如表面润湿性、环境湿度和环境温度。此外，改变表面结构也可延迟水蒸气相变过程，从而达到抑制霜结的目的[28]，[29]，[30]。受冷板边缘效应引起的边缘优先结霜现象启发，Wu等人[31]对不同边缘形状的冷板进行了霜结实验。通过定义边缘效应系数，对边缘效应进行了定量分析。研究发现，当边缘形状为锐角时，水蒸气相变最快，边缘效应最强。Huang等人[32]探索了不同辐射温度下金属网网的抗霜效果。实验结果表明，当环境温度接近冰点时，金属网网的抗霜效率可达78.38%，而金属网网的抗霜效率随温度降低呈下降趋势。Hauer等人[33]实验研究了润滑剂对微纳米结构表面霜结的影响。他们通过激光扫描共聚焦显微镜区分润滑剂和霜层，测量了霜层的扩散速率和润滑剂的损失。研究发现，润滑剂的存在可以延迟水蒸气相变过程。他们的研究结果定量表征了润滑剂对霜层生长的抑制作用。此外，微结构的存在增加了冷表面与空气之间的接触面积，提高了冷表面温度，同时减慢了微结构之间水蒸气的扩散速度，从而抑制冷表面上的霜结生长[34]，[35]。因此，有必要研究微结构的存在对霜层生长特性的影响。

为了解微结构对霜层生长的抑制作用，先前的研究在微结构表面上开展了大量霜结实验，并得出了许多重要结论[36]，[37]。例如，Ji等人[38]，[39]对不同材料对微肋板霜结特性的影响进行了实验研究。他们选用钛、铝和铜合金三种材料加工微肋板。通过测量2400 s内MRP霜面积的变化，发现在相同肋间距条件下，钛合金MRP的霜面积比铜合金低24.69%。导热性较差的材料相比其他材料表现出更强的抗霜效果。Farhat等人[40]通过实验研究和数值模拟研究了黄铜微沟槽表面的润湿特性。研究发现，V形沟槽表面经疏水涂层处理后，水平接触角可增加20°，疏水处理可增强沟槽的排水能力。Khan等人[41]基于Surface Evolver模型对微波板和V形沟槽的润湿特性进行了数值分析。他们发现，在相同条件下，微波结构表面上的液滴体积较小，而V形沟槽表面上的液滴扩散速率较快。Song等人[42]研究了二维液滴的凝固特性。他们使用Hele-Shaw槽制备二维液滴切片，揭示了凝固过程中液滴内被困气泡的相变过程，为霜结过程中相变机理提供了微观尺度依据。这些实验研究考虑了微结构几何参数[38]和表面润湿性[37]对微结构表面上霜层生长及融化霜排水能力的影响。然而，在实际应用中，微结构上的霜层生长方向和抗霜能力可能随布置方向的不同而改变[43]，[44]。先前关于微结构表面霜结的实验往往忽略了重力对霜层生长的影响。然而，在微结构表面上霜层形成的过程中，重力始终对霜层生长产生影响。因此，有必要研究重力作用下微结构表面霜层的生长特性。

本研究在自然对流条件下进行了霜结实验，并与现有研究中水平布置MRP的霜结实验[38]进行了对比分析。由于两项研究的霜结时间不同，仅对FTRP和FTBR阶段的持续时间、相同布置条件下的投影霜面积（A）、投影霜面积增长率峰值（νpk）以及净留存霜质量（m）进行了定量对比分析。本研究创新性地分析了竖直布置和倒置布置对铜合金、铝合金和钛合金MRP霜层生长特性及抗霜效果的影响。本研究设计了三组六组对照实验。在室温20℃、相对湿度60%、MRP肋间距0.6 mm的条件下，通过对比分析霜层生长过程、霜相阶段、A、投影霜面积增长率（ν）、m以及单位面积净留存霜质量层（ρs），定量表征了不同布置方式和不同材料MRP的抗霜效果差异。本研究获得的实验数据和相关结论有助于探索重力对MRP在实际应用场景中抗霜效果的影响，为寒冷地区换热器散热翅片设计提供新思路，并丰富重力作用下霜层生长模型，有利于推动工程领域中更高效的抗霜方法的发展。

## 部分片段

### 实验装置与步骤

为研究重力对MRP霜结特性的影响，本研究通过将MRP分别以倒置和竖直方式布置，进行了霜结实验。所搭建的实验装置如图1所示。

考虑自然对流条件下重力效应的微肋板（MRP）结霜系统由三部分组成：实验环境控制系统、实验数据采集系统和MRP温度控制系统。图6(a)-(b)展示了不同MRP排列方式下霜层生长方向的示意图。以霜层生长方向为方向向量，当MRP垂直排列时，重力方向与方向向量之间的夹角为90°；当MRP倒置排列时，夹角为0°。MRP的不同排列方向会改变水蒸气的扩散和凝结方向。当MRP倒置排列时，……

结论：现有大多数研究以MRP材料和微肋几何形状为变量开展结霜实验，却忽视了重力对MRP表面霜层生长的影响。本研究在MRP基板温度为?10 ℃、环境温度为20 ℃、相对湿度为60%、相邻肋板间距为0.6 mm以及自然对流条件下，对铜合金、铝合金及……三种材料进行了结霜对比实验。

CRediT作者贡献声明：谢宇：撰写—审阅与编辑。李天翔：撰写—初稿，方法论。兰晓明：撰写—审阅与编辑。姬家东：撰写—审阅与编辑，监督，资源，资金获取。

利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢：本工作得到了安徽省教育厅自然科学研究项目（项目编号：2024AH040068）的支持。

姬家东 | 李天翔 | 兰晓明 | 谢宇

安徽理工大学机电工程学院，中国淮南232001