随着航空技术的发展,在不同类型的风洞中通常通过喷射制冷剂或液氮以降低流体温度、提升雷诺数或模拟真实环境[1⇓-3]。当风洞内流体温度低于露点温度时,水蒸气或液滴常在测试表面和流道壁面上析出形成冰霜[3]。冰霜的形成使得测试模型和测试流道表面粗糙度发生变化,对模型的空气动力特性测试产生重大影响[4-5]。为减少表面结冰对飞行器的危害,研究者通过结冰风洞实验对不同场景下的结冰情况进行了预测,并进行了防冰除冰设计[4,6⇓-8]。在这类结冰研究中,流体中的水汽含量较高,由于冷流体温度降至露点温度以下形成大量过冷液滴,液滴与测试件碰撞发生冻结,最终在测试器件上形成冰层。而在低温风洞中,水汽含量通常会降低至微量以下(体积分数低于1 000×10-6,露点温度低于-20 ℃),水蒸气会在测试件表面析出并形成霜层[9]。由于霜层和冰层形态、密度等特性之间的差异,低温风洞内微量水条件下的结霜对测试件的影响和结霜过程尚不明确[2-3]。
目前关于结霜的研究主要围绕霜晶初期形态、霜层厚度和密度等霜层特性展开[10-11]。从相变的角度看,霜的形成有2种类型:1)水蒸气先凝结为液滴再冻结为霜;2)水蒸气凝华为霜[12]。Byun等[13]根据这2种相变机制发生的温度范围划分出了3个温区。凝华为主的结霜发生在低温区;凝华和凝结-冻结机制共同作用的混合结霜发生在过渡区;凝结-冻结机制主导的结霜主要发生在普冷区。在低温温区的冷表面上,霜晶形态存在灌木状和藤状[14-15],与普冷温区的板状、针状、羽毛状等霜晶有显著差异[16⇓-18]。冷表面温度、流体湿度、温度和流速等参数是影响结霜生长的主要因素[19⇓-21]。在低温温区,冷表面温度越低,霜层厚度越薄,这与普冷温区的规律相反[22]。在环境参数中,流体湿度对霜层厚度的影响最大[10]。除此以外,在不同环境压力下,由于相同含湿量下的流体水蒸气分压不同,霜晶生长和霜层特性显著不同[23]。
目前低温风洞内主要通过干空气或高纯氮气吹扫来降低水汽含量,以减轻结霜产生的影响。但由于低温风洞内运行过程中流体的最低温度(约为-163 ℃)远低于微量水汽含量对应的露点温度范围(-76 ℃~-20 ℃,对应的水汽含量为1×10-6~1 000×10-6),因此并不能从根本上解决结霜的问题。为研究上述露点温度范围内的低温表面上微量水结霜情况,并优化风洞内测试环境,我们根据低露点的微量水环境条件,搭建了可视化低温表面及混合湿氮气微量水结霜试验台。实验研究了常规湿度及微量水条件下结霜特性的差异,以及低温微量水条件下不同水汽含量和环境压力对结霜特性的影响,最后拟合了低温微量水条件下的无量纲霜层厚度关联式。
1 实验系统
结霜可视化实验台如图1所示。该实验台由4部分组成:湿氮气调节模块、结霜可视化腔体、结霜图像采集系统和液氮供冷模块。利用电气比例阀可以控制纯净干氮气和湿氮气的混合比例,进而实现对湿氮气的水汽含量调节。可视化腔内的压力主要通过调节混合湿氮气流的压力和调压阀开度实现,由压力传感器(MIK-P300,精度为±0.25%)监测腔体压力。为保证干湿氮气混合充分以及系统压力的稳定,可视化腔体前后分别设有混合腔和稳压罐。由于混合气体在流动过程受管路渗透和吸收影响,微量级的水汽含量可能会发生变化,因此在可视化腔体入口和腔体上设有2处湿氮气露点测量点。通过露点仪(TG-1500,精度±1.5 ℃)对比测量点的流体露点,确保腔体内的水汽含量稳定在目标值。
结霜可视化试验段如图2所示,主要包括液氮管、冷表面(Al6061,长20 mm,宽20 mm,高1 mm)、T型热电偶(精度为±0.5℃)和热绝缘材料。冷表面所需低温冷源来自喷射至冷表面下端的液氮。为了减少热量损失,在冷表面周向包裹了一层隔热材料。冷表面的温度由分布在周围的热电偶测量。此外,通过CCD相机(SG0-500CX)、显微镜头和图像采集系统获得冷表面上的霜晶形态和霜层特性。
表1 实验工况Tab.1 Test conditions |
| 实验组 | 水汽含量φ | 腔内压力pa/kPa |
|---|---|---|
| A | 1.53×10-6 | 109 |
| B | 30×10-6 | 109 |
| C | 70×10-6 | 109 |
| D | 130×10-6 | 109 |
| E | 190×10-6 | 109 |
| F | 500×10-6 | 109 |
| G | 100×10-6 | 109 |
| H | 100×10-6 | 145 |
| I | 100×10-6 | 190 |
2 实验结果及分析
2.1 常规湿度条件和微量水条件的结霜特征对比
为分析微量水条件下结霜现象的特性,比较了微量水与常规湿度条件下的结霜过程。常规湿度的条件为:室温20 ℃,标准大气压,相对湿度为45%,水汽含量为12 600×10-6。除水汽含量外,其他参数均一致,流体温度Tf=22 ℃,环境压力pa=109 kPa。实验运行中,常规湿度条件下的水汽含量为12 606×10-6,露点温度为10.6 ℃。对比的微量水条件下的水汽含量为71×10-6,露点温度为-45 ℃。冷表面温度从室温22 ℃降至-180 ℃的时间均为10 min左右。
在常规湿度条件下,结霜过程由冷凝-冻结机制[17]主导。当冷表面温度低于露点温度且低于水的三相点温度时,湿空气中的水蒸气逐渐析出凝露(图3a,4 min),随后凝露逐渐冻结(图3a,8 min)。液滴冻结为冰的相变过程中会发生体积膨胀,在顶部形成尖端凸起(图3a,10 min)。随后这些凸起在竖直方向逐渐生长出针状霜晶主干,并在水平方向逐渐生长出细小分支(图3a,12 min)。之后霜晶开始在竖直和水平方向发展出树状分支,互相交错,质地坚硬,表面较有光泽(图3a,14、16 min)。随着霜晶高度及质量的进一步增大,当霜晶根部无法支撑其重量时,在重力的作用下,霜晶将从最脆弱的根部断裂,从而出现霜晶倒伏现象[26]。在强制对流结霜工况下,可以观察到较高的霜晶沿气流流向(图3a中从右向左)倾斜、摆动的现象,因此气流的吹拂也会促进霜晶的倒伏。
在微量水条件下,由于露点温度较低,在冷表面降温前几分钟无结霜现象。当冷表面温度低于露点温度后,冷表面上逐渐出现非常细小的分散霜晶(图3b,4 min)。此时由于露点温度远低于0 ℃,并未观察到凝露过程。微量水条件下,低温表面上的霜层生长主要通过水蒸气吸附在冰核表面凝华,生成的细小冰晶在气流或重力的作用下沉积在冷表面或霜层表面实现[27-28],因此不足以形成具有明显主干的树枝状霜晶(图3b,8、10 min)。随着冷表面温度进一步降低,冷表面上逐渐形成一层较薄的霜层,霜层表面呈现轻微的不均分分布(图3b,12~16 min)。随着霜的进一步沉积,霜层表面逐渐变得平整(图3b,20~60 min)。霜层质地疏松,霜层表面较为粗糙,不易反光。在水蒸气凝华机制主导下的霜层生长过程中,冰晶的沉积主要促进了霜层厚度的增长,但对霜层的致密化贡献较小[27]。
2.2 重复性实验
在结霜过程中,影响霜层厚度的因素较为复杂,包括环境参数、冷表面温度及特性等,因此在相同的操作条件下进行了2次结霜实验以验证实验的可重复性。重复性实验的试验工况为:水汽含量φ=100×10-6、环境压力pa=145 kPa、冷表面温度Tw=-180 ℃、流体温度Tf=21.5 ℃、结霜总时长为70 min。对2组实验各个时刻的平均霜层厚度进行了测量和分析,由图4可知,整个结霜过程中霜层厚度生长趋势基本一致。霜层厚度的最大偏差为第30 min的0.03 mm,最小偏差为第70 min的0.001 mm,平均偏差为0.01 mm。整体偏差较小,表明测试结果具有可信度。
2.3 环境参数对霜层的影响
2.3.1 水汽含量
为探究微量水汽含量变化对霜层的影响,开展了水汽含量分别为1.53×10-6、190×10-6和500×10-6条件下的结霜实验,不同水汽含量对应不同时刻的霜层分布如图5a所示。其中,A组为1.53×10-6水汽含量下70 min内的霜层生长过程。在低微量水条件下,难以形成可观测的霜晶。当水汽含量升高至30×10-6以上时,均能观察到明显的霜层生长。在30×10-6~190×10-6范围内(B组~E组),随着霜的沉积,霜层厚度均匀地增长,霜层表面平整。当水汽含量较低时,无法形成具有主干和枝干的霜晶。但当水汽含量升高至500×10-6时(F组),在形成的霜层基底表面上,会形成不均匀分布的簇状霜晶。随着时间的增长,霜层基底厚度显著增长;霜层表面的簇状霜晶除尺寸随着霜层厚度增长外,单簇的霜晶会发展至多簇,霜丛密度增大。
不同水汽含量条件下的冷表面上霜层平均厚度随时间的变化如图5b所示。当水汽含量从1.53×10-6升高至30×10-6时,平均霜层厚度明显增长。当在水汽含量为30×10-6~190×10-6范围内生长时,霜层厚度随水汽含量的增长幅度较小,霜层厚度增幅随时间逐渐减小,呈近似对数型的增长趋势。当其他条件不变,水汽含量升高至500×10-6时,由于在平整的霜层基底上出现了簇状霜,增加了与水蒸气的接触面积,平均霜层厚度出现了非常迅速的增长,在实验时间范围内,霜层厚度随时间呈现几乎线性的增长趋势。
2.3.2 环境压力
为研究环境压力对微量水条件下霜层特性的影响,维持水汽含量为100×10-6,开展了109、145和190 kPa下的环境压力实验。不同环境压力和时间下的霜层特性如图6a所示,可以看出随着环境压力的升高,霜层表面的不平整程度会升高。环境压力为109 kPa时,霜层较为平整地生长;当环境压力从109 kPa升高至145 kPa时,霜层表面有轻微的几处不均匀凸起,且霜层厚度增大;随着环境压力进一步升高至190 kPa,霜层表面呈现显著的霜晶不均匀分布,不平整度升高。在相同水汽含量和其他参数的条件下,环境压力的升高会增大冷表面周围的水蒸气分压,在水汽相对含量不变的情况下,其绝对含量增大,冷表面与气流之间更大的绝对含湿量差异分压提升了结霜驱动力,霜层表面附近的水汽更快地沉积,霜层生长速率加快,且形成形状逐渐丰富的霜晶表面。由图6b可见,较高的环境压力下生成了平均厚度更大的霜层,且生长速率更快。随时间推移,不同环境压力下同一时刻霜层厚度的差异逐渐增大。其原因在于:高环境压力下簇状霜团的出现大大增加了霜层与气流的接触面积,从而进一步促进了水蒸气的凝华与沉积。
2.4 低温微量水无量纲霜层厚度关联式
表2 无量纲霜层厚度关联式变量Tab.2 Variables of the dimensionless frost thickness correlation |
| 无量纲变量 | y* | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 无量纲化处理 |
注:y为霜层厚度,单位为m;l为冷表面特征长度,单位为m;Tf为流体温度,单位为K;Tw为冷表面温度,单位为K;pv为水蒸气分压,单位为Pa;pa为腔体内压力,单位为Pa。 |
拟合的无量纲霜层厚度关联式为
y*=(1.100×10-41)· · · · ·Gr8.013·Fo1.238。
其中:y*为无量纲霜层厚度; 为无量纲流体温度; 为无量纲冷表面温度; 为无量纲水蒸气分压; 为无量纲腔体内压力;Gr为格拉晓夫数;Fo为傅里叶数。
在低温微量水条件下,不同工况下的拟合霜层厚度和实验霜层厚度数据的偏差情况如图7所示。无量纲霜层厚度整体误差在±20%以内。实验中误差主要来源于冷表面的轻微振动。尤其是在结霜初期,由于霜层厚度较小,即使较小的厚度绝对值偏差也可能导致较高的相对误差, 实验中的整体误差在合理范围之内。
3 结论
本文对比了常规湿度和微量水条件下的结霜特征与形态,分析了微量水汽含量条件下不同湿氮气的水汽含量以及环境压力对霜层生长特性的影响。得出以下主要结论。
1)常规湿度(水蒸气体积分数为12 606×10-6)条件下的结霜以水蒸气凝结、液滴冻结过程为主导机制,形成明显的树枝状霜晶体;微量水(71×10-6)条件下水蒸气主要通过凝华生成微小冰晶沉积在冷表面。冰晶沉积过程对霜层增厚的促进作用较明显,但对霜层的致密化生长贡献较小,因此形成了较为平坦、疏松、表面较粗糙的霜层。随着霜层的生长,冷表面上会形成细小的分散霜晶,并形成具有不均匀凸起表面的霜层,随后霜层逐渐变得平整。
2)在极低的水汽含量(1.53×10-6)下,水蒸气难以在冷表面凝华形成完整的霜层薄膜。在中等微量水含量(30×10-6~190×10-6)范围内的霜层特性体现为平坦均匀生长,霜层生长速率增长较慢,霜层厚度随时间推移呈现近似对数型的增长趋势。更高的水汽含量(500×10-6)下,除霜层生长外,霜层表面会发展出逐渐增大致密的簇状霜丛,与水蒸气的接触面积增大,霜层生长速率明显高于较低含湿量的工况,且霜层厚度随时间几乎呈线性增长。
3)在相同微量水(100×10-6)条件下,环境压力升高会提升霜层表面附近的水蒸气分压及水蒸气的绝对含量。除霜层生长速率升高外,霜层表面的不平整程度随着环境压力由109 kPa增大至190 kPa逐渐升高,增大的气流与霜层的接触面积有利于霜晶的形态发展。
4)得到了适用于微量水蒸气在低温表面上的无量纲霜层厚度关联式,整体误差在±20%以内。