基于格子－Boltzmann方法的霜结晶凝聚介观方法研究

基于格子-Boltzmann的方法，采用改进的分子扩散模型，深入研究霜结晶凝聚过程的机理和规律，对最早结霜位置进行定量化预测，并通过实验对理论模型进行验证，最终获得结晶凝聚过程介观模型。研究内容包括对格子-Boltzmann方法在多孔介质中应用的深入研究；采用格子-Boltzmann方法的结晶凝聚过程介观模型的建立与完善；在考虑环境湿度、表面温度、表面接触角等多种因素的基础上，还考虑风速矢量分布及风速场涡度对结霜凝聚过程机理和规律的影响，对最早结霜位置进行定量化预测；利用先进测量技术对结晶凝聚过程进行实验研究，对模型进行有效验证。本项目不仅对深入认识结霜现象有着重要的学术意义，对制冷低温领域抑制结霜、除霜等设计结霜过程的工程领域也具有较高的理论价值。

结霜现象的研究是涉及空调、热泵、航空航天、传热学、传质学及气体动力学等多学科交叉领域的一项具有重要意义的基础性研究，研究冷壁面上的结霜机理一直受到国内外学者的普遍关注。. 首先，在理论方面采用LBM结合霜层的多孔特性，建立了介观二维非稳态模型，研究了霜晶体的形成和生长过程，揭示了结霜机理和本质规律，实验验证了模型的可靠性。深入分析了环境参数、冷壁面温度、过饱和度等对霜厚度、密度以及霜晶体积分数等参数的影响规律，并阐明机理；获得霜晶的二维生长过程，揭示了不同时刻霜晶内温度和密度等参数的二维分布规律。结果表明：冷壁面和水蒸气过饱和度是影响霜晶形成的重要因素。冷壁面温度越低，霜晶形成越多，霜生长速度越快；越接近冷壁面，晶体的分布越密集，霜晶体积分数越大，霜晶内部密度越大；水蒸气过饱和度越大，晶核临界半径越小，霜晶成核率越高，形成的霜晶越多，霜晶体积分数越大。霜内部温度随霜层厚度增加几乎呈线性增长。在霜层同一厚度处，霜温度随时间不断小幅度降低。霜层表面温度在早期阶段迅速增加，并不断趋近于三相点温度，但增加率随时间减小；霜层平均密度随时间呈现出先慢后快的规律。. 其次，结合伪势模型和基于焓方程的相变模型建立了二维模型，模拟了不同壁面温度等影响因素下液滴冻结过程，实验验证了模型的可靠性。研究表明：水滴中心温度随壁面温度的下降而降低，壁面温度越低冻结出现的越早；水滴中心轴上的温度在固相区随高度呈线性增加关系；液滴冻结后发生膨胀变形。. 最后，设计和搭建霜结晶凝聚实验观测平台，观测了冷壁面上液滴冻结及霜晶体生长的微细观过程。研究了液滴的相变以及体积变化和变形；分析了不同壁面温度下固相体积分数随时间的变化，发现伴随着水滴冻结，在早期固相体积分数随时间推移几乎呈线性增长，但增长率在相变末期时开始变慢；壁面温度越低，冻结发生地越快；对不同冷壁面温度下液滴中心温度随时间的变化进行对比分析；分析了不同冷壁面温度对过冷度和冻结时间的影响；观测到冷壁面上湿空气中水蒸气由气态凝结形成液滴，附着到冷壁面，合并、生长，然后再冻结为霜的过程；不同的工况下，会出现不同的霜晶形状。