大气环境条件下微液滴在固体表面的冻结机理研究.doc

大气环境条件下微液滴在固体表面的冻结机理研究论证书一、 立项依据与研究内容1、项目的立项依据（1）项目的研究意义构件大气结冰（Atmospheric icing of structures）也叫覆冰（icing or ice accretion），是空气中的过冷微液滴（过冷却云，冻雨）被构件表面（飞机机翼、架空导线、电气化铁路接触线、铁塔等）捕获后在其表面发生冻结的物理现象，寒湿地区经常遇到，分为降水覆冰（Precipitation icing）、云中覆冰（In-cloud icing）和升华覆冰（Sublimation icing）三种。它对交通、电力、通信、航空、钻井平台以及人民生活等造成损失，有时甚至是灾难性损失。世界上美、加、法、俄、日、韩等都是频遭冰灾袭击的国家。1994年2月美国东南部发生大面积覆冰倒杆事故，直接经济损失达30亿美元1。1998年，2003年美国、加拿大再次次发生大面积导线覆冰事故，造成更大经济损失。我国湘、鄂、赣、云、贵、川等省属于重冰区。继1954年湖南湖北发生大覆冰事故以来，2005年2月，华中电网出现了历史上最为严重的冰冻灾害，数千公里输电线覆冰，湖南电网成为“重灾区”，导线覆冰厚度最大达7080mm，为历史罕见2，500KV输电线路倒塔21基，使得三峡电力无法送往广东，直接和间接经济损失惨重。特别是今年元月连续半个多月的冰灾使得南方10省输电线、通信线路遭遇前所未有的灾害。湖南、湖北、贵州、广西等南方数省区的供电都大受影响，郴州市停电停水达半个月之久。京广电气化铁路在湖南郴州白石渡被切断，交通大动脉京广线严重受阻，春运雪上加霜，胡锦涛总书记、温家宝总理多次亲临抗冰一线，湖南电力系统出动近万名职工除冰，并有多人付出宝贵生命。从国内外的研究动态与输电线路运行的实际来看，仍然有大量线路发生覆冰事故，有时甚至还十分严重，这说明导线覆冰的问题以前并没有引起足够的重视，因为，严重覆冰的出现一般具有5-10年的周期性，不覆冰时问题往往容易被忽视，覆冰问题没有从机理方面真正弄清楚，也未从技术上根本解决。而对架空导线覆冰冻结机理的研究是了解覆冰产生条件、掌握覆冰增长规律的基础，也是研究使用各类除冰方法的前提。我国在这方面的研究起步较晚，特别是从工程热物理的角度对大气环境条件下微液滴在固体表面的冻结机理进行研究尚属空白。从工程热物理的角度看，架空导线覆冰是空气中的微小过冷却水滴在导线表面发生冻结的一种复杂的微尺度相变传热传质过程。微尺度传热正是工程热物理研究领域内的一个新的分支和热点，是传热传质研究的发展趋势，2008年1月第一届微米/纳米传热国际会议在台湾成功大学召开就说明了这一点。因此，本项目的研究，第一，具有科学意义：它是常规的传热传质问题向微尺度延伸的探索；第二，具有工程应用意义：高压输电线路、通讯线路、电气化铁路等面临覆冰造成的重大工程安全隐患需要解决；第三、具有现实意义：多次出现的冰灾事故使我们不得不面对和克服覆冰问题。（2）国内外研究动态根据我们近10年来对构件大气覆冰问题的跟踪研究认为，就微液滴在大气环境条件下冻结的研究而言，主要分为如下几个方面：一是气象学者研究大气环境中过冷水滴的产生条件、分布规律、液滴特性（过冷度、滴谱分布等）、冰核产生、冰晶演化等内容，其目的主要是获得典型天气变化的规律，通过技术手段实施人工降雨或人工防雹。如南京信息工程大学气象灾害国家重点实验室对层状云催化后过冷水分布与演变规律进行了数值模拟3在层状冷云中加入人工冰核或制冷剂，模拟了碘化银和液态二氧化碳的催化效率以及催化后云中过冷水的分布与演变过程。中国气象科学研究院为了获得人工影响天气的效果，做了一个改进的水滴冻结实验装置4，将被测水样分散为数十个均匀水滴，分布在涂有硅油的冷板上，通过实验推算该水样中冻结核含量，从而确定冰核对冻结得影响。Laura levi5通过理论分析与数值模拟，建立了雾凇覆冰的增长方程，可以计算出雾凇覆冰时的气温以及空气中过冷水的含量，给出雾凇覆冰转变的条件判断。这些研究从微观角度考虑的比较多，都是针对空气中的悬浮液滴，重点在冰核产生演化机理研究方面，但不考虑表面冻结过程。二是航空动力领域学者研究飞行器表面的结冰问题，通过理论分析、实验研究、数值模拟等方法揭示飞行器在云中覆冰的规律。飞机表面的结冰是云中过冷却水滴高速冲击表面的结果，对它的研究已经非常深入，NASA还建立有专用的覆冰风洞。T. G. Myers6在假设固体表面结冰、冰层上有一层水膜存在的情况下，通过质量与能力平衡建立了液滴冲击冷表面覆冰的方程式，通过两维以及三维数值模拟能够预测表面液膜很薄情况下雾凇、雨凇的增长规律。G.F.Naterer7在T. G. Myers的基础上进一步研究了固体表面被焦耳热加热的情况。R.J. Kind8等人组成的课题组设计出了一套模拟飞机覆冰的实验系统和数值模拟软件，确定了18个无因次准则参数，覆冰软件可以模拟三维情况下机翼覆冰增长的各种外形。T.W. Brakel9等人在研究了空气中的过冷却水滴冲击薄导热表面结冰的情况 指出导热方式起主要作用，因此，他们建立了一个一维的准稳态方程式，使得问题的求解变得简单有效。这些研究从宏观角度考虑的比较多，很少深入到微观层面，无论是建立的模型还是开发的商业软件，都侧重于预测表面覆冰的轮廓形状方面，并且建立模型时的条件是高速运动的过冷水滴，这和地面构件的覆冰条件有很大区别。三是电力工业部门针对架空导线覆冰开展的研究，主要包括根据历年气象参数及覆冰记录所进行的冰区划分研究、覆冰预测模型研究、绝缘子冰闪研究、防止导线舞动研究以及除冰防冰技术研究等内容。这方面的研究在冷清了十多年后由于最近几次的覆冰事故影响现在又变得热了起来。其中，绝缘子冰闪和覆冰导线舞动问题的研究因为基本上都没有涉及到微液滴冻结方面的研究问题，故在此不再论述。关于除冰防冰技术研究，可分为四大类30余种10，包括热力除冰（如覆冰导线的焦耳热融冰，低居里磁热线），机械除冰（如滑轮铲刮除冰），化学除冰（如憎水性涂料，除冰剂等）以及其它防冰除冰方法，除滑轮铲刮法及大电流融冰技术在电力系统的使用比较成熟以外，其它方法都没有得到广泛应用。Tamara G. Houston，Stanley A. Changnon11分析了美国1928年-2001年期间的冻雨覆冰事件，根据冻雨产生的气象条件（干、湿球温度，风速、气温、降水量等）对美国的冻雨覆冰区域进行了评估，得到了区域冻雨覆冰危险等级图。就覆冰预测模型研究而言，国内外从事气象、电力研究的学者提出了约20多种模型用来预测各种覆冰12，如Imai模型（湿增长，覆冰与降水强度无关），Lenhard模型（经验公式），Goodwin模型（撞击到导线上的液滴全部冻结），Makkonen模型13（考虑未全部冻结的水滴在导线下部形成小冰柱），针对三峡地区导线覆冰的雾凇模型14，雨凇覆冰简单模型15等。这些模型对于同一覆冰条件计算的结果差别很大，不能满足工程应用，也未能获得公认。其核心原因在于覆冰增长过程是一个微液滴（过冷状态）被导线捕获后在导线表面冻结的微尺度相变传热传质过程，人们尚未清楚了解这一热物理过程的机理，没有从微尺度传热传质的角度对覆冰增长过程进行分析和计算，所以和实际情况出现偏离。四是制冷空调领域为了防止热泵、空调器的蒸发器表面结霜、以及冰蓄冷效率而进行的研究。吴晓敏16、17等对冷面结霜过程进行了理论分析与实验研究，通过-10冷壁面上结霜过程的微细观可视化观察，发现冷面上的结霜过程并非空气中的水蒸气向冷面的单纯凝华过程，而是经历了水珠生成、长大、初始霜晶生成以及霜晶长大等一系列过程，冷面温度是影响水珠冻结的主要因素，表面接触角、粗糙度以及水珠大小等对水珠冻结也有一定影响。Seiji Okawa18研究了冰蓄冷技术中过冷水在固体表面上的同质核化理论。为了研究雪枪的制雪机理与制雪效果，M.Strub19 ，J.P. Hindmarsh20 用一个小型注射器将单个液滴推射到热电偶的节点上，热电偶直径25.4m，通过CCD摄像头观察单个液滴的冻结过程，并记录液滴冻结时的温度变化，发现液滴经历了过冷、开始冻结（固液共存）、完全冻结三个阶段。曲凯阳21等研究了各种因素对过冷水发生结冰的影响，郝英力等22、23、24研究了强迫对流条件下的壁面结霜初始阶段以及霜层成长阶段的有关规律。这些研究虽然有的已经从微观角度开始研究单个液滴的冻结行为，但是所研究的液滴尺寸远大于空气中过冷水滴的直径；有的研究过冷水珠在冷表面上的冻结行为，但是所研究的冷表面温度远低于冻雨覆冰时构件表面的温度；有的研究悬浮液滴或悬挂液滴的冻结行为，但是与液滴在构件表面的接触冻结情形不符。综上所述，关于大气环境条件下微液滴在固体表面的冻结机理研究，在微观层面上开展的研究还不多，已有研究主要涉及冷表面均相结冰或非均相结冰问题，且主要局限于表面结霜以及冰核催化技术。或者从根本上讲，现有研究基本还只是围绕应用和解决冻雨覆冰实际问题的急需，提供宏观性能认识和工程处理方法，很少涉及冻雨覆冰基本现象和内在物理机制探索。（3）研究设想本申请基于对国内外研究现状的分析了解和已有研究工作的认识积累，申请人试图将原来以应用技术和解决技术发展问题为主的研究，延伸到从更本质的科学探索出发，深究冻雨覆冰的微观物理本质。申请人认为，除霜除冰技术的关键在于深刻了解结霜结冰的内在原因和特性规律，现有的研究在机理方面在宏观上主要针对质量和能量守恒方程建立覆冰增长模型，在微观上主要针对冰霜的生长和脱落，都很少关注覆冰初始阶段的核化形成和与固体表面性质的关系，也没有考虑液滴过冷度、液滴运动速度等对核化产生的影响。为此，本申请拟从微观角度研究单个过冷却液滴在大气环境条件下在固体表面上的冻结行为，考察液滴尺寸、过冷度、撞击壁面的速度、壁面温度以及大气温度等对液滴冻结的影响，从新的角度认识除冰除冰规律，为新的技术发展提供基础理论依据。主要参考文献1) J.Neal.Lott, Matthew，C.Sittel, The February 1994 Ice Storm in the Southeastern U.S , IWAIS, Hydro-Quebec, 1996.72) 胡毅, 输电线路大范围冰害事故分析及对策, 高电压技术,第31卷第4期，2005年4月3) 刘晓莉，牛生杰，陈跃，层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟，大气科学，第3O卷第4期，2006年7月4) 杨绍忠 酆大雄，改进的人工增雨水滴冻结实验装置，气象科技，第33卷第5期，2005年10月5) Laura levi, et al., Requirements for low density riming and two stage growth on atmospheric particles, Atmospheric Research,Volume 50, Issue 1, January 1999, Pages 21-356) T. G. Myers，J. P. F. Charpin and C. P. Thompson，Slowly accreting ice due to supercooled water impacting on a cold surface，PHYSICS OF FLUIDS VOLUME 14, NUMBER 1 JANUARY 20027) G.F. Naterer，Coupled liquid film and solidified layer growth with impinging supercooled droplets and Joule heating，International Journal of Heat and Fluid Flow 24 (2003) 2232358) R.J. Kind，et al. Experimental and computational simulation of in-flight icing phenomena, Progress in Aerospace Sciences 34 (1998) 257-3459) T.W. Brakel, J.P.F. Charpin, T.G. Myers，One-dimensional ice growth due to incoming supercooled droplets impacting on a thin conducting substrate，International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 1694-170510) J.L.Laforbe, M.A.Allaire, J.Laflamme, State-of-the-art on Power Line De-icing, Atmospheric Research 46 1998 14315811) Tamara G. Houston Stanley A. 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A simple method for modeling the frost formation phenomenon in different geometries，ASHRAE Transactions,95 (2):1127-1137，198924) 郝英立，Jose Iragorry，Yong X.Tao，壁面结霜初始状态实验研究，东南大学学报，第35 卷第1 期，2005 年1 月2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题研究内容（1）液滴过冷度对液滴核化冻结的影响研究空气中微液滴的过冷度是随高度和气象参数变化的，云中液滴的过冷度对飞行器覆冰有重要影响，近地层液滴过冷度对架空导线覆冰等有重要影响。研究液滴过冷度对雾凇、雨凇、或者不覆冰的影响规律。（2）液滴大小对液滴核化冻结的影响研究空气中的液滴大小是不一样的，云中液滴在15-50m之间，下毛毛细雨时近地层的液滴在50-500m之间，液滴大小对覆冰类型产生重要影响。研究液滴大小对核化时间、冻结时间、以及覆冰类型的影响。（3）液滴运动速度对液滴核化冻结的影响研究无论是飞机云中覆冰还是架空导线覆冰，都是在风的作用下表面捕获空气中过冷水滴后冻结的过程，液滴的运动速度（风速）是冰核形成的一个重要因素，因为一定速度运动的液滴撞击表面后被滞止，其动能会部分转化为形成冰核的能量，从而使液滴中的冰核数量增加。这方面的研究鲜见报道。研究液滴不同运动速度下成核时间的长短关系及冻结时间长短关系。（4）固体表面温度对液滴核化冻结的影响研究固体表面温度对液滴核化冻结的影响趋势已经被确认。但是，从微观的角度研究壁面温度对单个液滴核化冻结的影响规律，也许正是解决用热的方法防止导线覆冰的重要理论基础。一般认为导线表面温度高于零度时就不会覆冰，但是，冻雨覆冰时气温可能在零度以上，有时甚至达到1度左右，地面构造物上还是发生了覆冰，这说明壁面温度与液滴过冷度对覆冰起了关键作用。（5）微液滴冻结传热过程的理论分析与建模根据实验研究的有关结果，结合物理模型与数学模型，建立液滴冻结传热的控制方程，描述液滴冻结传热的规律。研究目标认识和揭示液滴核化冻结过程中的基本热物理现象和规律，探析相关传热传质过程特性和影响覆冰的物理机理；导出微液滴核化冻结物理数学模型，探讨相应的计算方法，理论性认识和揭示现象与规律，为发展防止和去除冰霜技术提供理论依据。拟解决的关键科学问题本项目拟解决的关键科学问题是认识和揭示处于过冷状态的微液滴在壁面上核化冻结的基本物理本质，以加深对冻雨覆冰规律的认识。3、拟采取的研究方案及可行性分析本项目拟采用理论与实验相结合、以实验研究为主的方法研究。实验研究主要进行基本现象和过程特性的深入实验观察和基本特性的定量测试；理论研究将在实验结果的基础上，首先考虑物理本质进行现象和过程的数理描述，通过建立考虑复杂现象和过程耦合的冰霜形成和覆冰成长演化的数学模型，发展相应的数值方法，进行数值模拟；分析和总结理论模拟，与实验结果进行对比，进一步提升理性认识，修正模型。实验方案实验研究在标准人工环境室中利用课题组自己设计制作的液滴冻结观察测试装置进行，该装置由机械式微液滴产生器、高压电场、液滴过冷室、液滴捕获定位室、CCD摄像观察系统、半导体制冷系统、液滴冻结表面（平面型热电偶）、数据采集系统等构成。该系统见下图。通过机械摩擦方法产生的带静电的微液滴被导入液滴过冷室中，达到预定的过冷度后，打开液滴过冷室底部的中心孔，该孔很小，只让很少一部分过冷液滴进入下部的捕获定位室中。捕获定位室上下装有电极，产生电场，通过调节电压高低操控过冷水滴的平衡状态及运动速度，某液滴当其电场力与重力平衡后将在空中停留不动，这个液滴即被捕获定位，并能在CCD摄像系统（计算机）中观察到。然后切断电路，释放液滴，在Stokes定律作用下，液滴以某一均匀速度撞击壁面，发生冻结。捕获定位室的下极板上安装半导体制冷片，在半导体制冷片上安装铜板，作为实验的冻结表面，铜板上安装平面式T型热电偶，用于测量液滴冻结时的温度变化，实验时使液滴正好落到热电偶上冻结。液滴大小及速度高低由电压调节控制，壁面温度靠半导体制冷片调节，液滴过冷度靠人工环境室调节。液滴直径与运动速度根据Stokes定律由重力与运动阻力平衡原理计算得出；液滴过冷度取捕获定位室温度。所有温度测量均用Omega Inc.,UK公司生产的直径100m的热电偶。理论分析设想首先建立单个液滴冻结的传热传质控制方程，再与空气中过冷却水滴滴谱描述相结合，描述构件表面大气结冰规律。由于液滴尺寸的微小，有理由把其看成在无限大平面上的冻结过程。假设液滴落在表面上后变成厚度均匀的圆盘或半球，通过建立液膜与基础表面之间的对流、导热、凝固瞬态传热能量方程式，获得冻结速度与表面温度、风速、液滴大小、气温等的关系，研究液滴达到同一覆冰增长点上的频率大小，如果第一个液滴尚未完全冻结，第二个液滴已经达到覆冰表面，则覆冰为湿增长过程，否则为干增长过程，从而提出定量的覆冰增长类型判别准则。关键技术（1）过冷水滴的制备与捕获定位过冷水处于亚稳定状态，遇到热扰动或机械扰动时可能产生冰核而冻结，因而液滴的过冷度不能采用接触式测量，微液滴也不能从过冷水中通过喷射、注射等方法产生。本项目采用机械摩擦雾化方法使水滴摩擦带电，进入电场后由电场的电压高低来控制捕获实验所需大小和速度的液滴，并让其定点落到冻结地点（热电偶）。由于液滴尺寸很小，再加上进入液滴捕获定位室的液滴很少，因此，把捕获定位室的空气温度作为液滴温度是合时的。（2）微液滴核化冻结传热传质理论模型的建立微尺度相变传热目前还没有成熟的理论可以应用，因此，建立理论模型时有关假设的合理性可能对模型计算的最后结果产生较大影响，需要根据实验结果予以修正。可行性分析申请者2007年承担和完成了国家自然科学基金小额资助项目的研究（架空导线覆冰冻结机理与覆冰数值模拟），已经设计制作出了液滴冻结观察测试实验装置，并做了一些初步实验，证明该装置在液滴雾化、捕获、定位、冻结观察方面是可行的。申请者从本科到博士一直在工程热物理专业学习，且一直从事传热学、流体力学的教学、科研工作，具有较强的理论建模与分析能力，课题组还包括数学、计算机等学科的研究人员，对数值分析、模拟具有较高的水平，因此，该项目的研究是可行的4、项目的特色与创新之处（1） 首次从微观角度研究冻雨覆冰问题，将以解决工程实际需要的一般技术研究引申至微尺度传热传质的前沿问题研究，拓展了项目研究的科学意义；（2） 提出了过冷却微液滴的捕获定位实验技术，为定量研究微液滴的冻结过程提供了新的方法，拓展了实验液滴的尺寸范围（可以到几十微米）；（3） 本项目的研究成果具有重大工程应用背景和现实需要，对冻雨覆冰区的架空输电线路防冰除冰具有指导意义。5、年度研究计划及预期研究结果2009年：（1） 进一步收集整理研究资料；（2） 制定实验方案，优化方案；（3） 制定实验规程，完成实验室的小型改造；（4） 开展实验研究。2010年：（1） 实验研究；（2） 理论分析、建模；（3） 学术交流（参加学会年会、组织小型研讨会）。2011年：（1） 实验数据整理、分析；（2） 理论分析、计算；（3） 总结结题。预期研究成果：（1） 形成对过冷却微液滴核化、冻结基本现象的机理认识，掌握影响因素；（2） 建立微液滴冻结传热过程的数学物理方程；（3） 提出覆冰类型判别准则；（4） 培养研究生2-3人；（5） 在核心以上期刊发表论文6篇以上，申请专利1项。二、 研究基础与工作条件1、工作基础（1）申请者近十年来一直跟踪架空导线覆冰问题研究的国内外进展动态，收集了全国主要覆冰区的大量覆冰事故数据和国内外公开发表的学术论文以及部分研究报告，并多次参加电力领域的全国及国际学术会议。（2）申请者在1999年申报的项目“架空导线积冰与防冰研究”获得了湖南省自然科学基金的重点资助，通过该项目的研究，申请者初步掌握了导线覆冰产生的条件，覆冰种类与“微气象”、“微地形”之间的关系，重点研究了南方，特别是湖南地区雨凇覆冰的规律，提出了雨凇覆冰增长模型；研究了湖南电网普遍采用的三相短路融冰方法，按照内部接触融冰、外部对流传热的原理，提出了融冰电流的计算公式，为本项目的研究打下了一定的前期基础。（3）申请者在2006年申报的项目“架空导线覆冰冻结机理与覆冰数值模拟”获得了国家自然科学基金的小额资助，该项目于2007年结题，通过该项目的研究，课题组对微液滴的冻结实验积累了经验，准备了相关设施，为本项目的研究做好了准备。（4）课题组成员已有多年合作经历，团结协作，勇于创新。2、工作条件 本单位有人工环境室及课题组自行开发的液滴冻结实验装置，课题组成员长期共事，有比较丰富的研究经验，完全有条件完成此项目的研究。3、申请人简历主要学习经历：1985年7月本科毕业于华中科技大学工程热物理专业，获得工学学士学位。1988年4月硕士毕业于东南大学工程热物理专业，获得工学硕士学位。2001年6月博士毕业于华中科技大学工程热物理专业，获得工学博士学位。2001年破格晋升教授职称。主要工作经历：1988.41990.2，长沙电力学院电力系任热工教研室主任；1990.31992.4，湖南省电力勘测设计院从事电厂设计工作；1992.51994.1，长沙电力学院电力工程设计研究所任设计总工程师；1994.21995.9，长沙电力学院动力工程系任系副主；1995.92005.8，长沙理工大学能源与动力工程学院教授，湖南省高效热交换技术及设备重点实验室主任；2005.8现在，湖南人文科技学院教授，湖南省高效热交换技术及设备重点实验室首席专家。申请者近期已发表与本项目有关的主要论著：1） 刘和云,周迪,傅俊萍,黄素逸,导线雨淞覆冰预测简单模型的研究, 中国电机工程学报,Vol.21,No.4, 2001.4,44-47;2） 刘和云,周迪,傅俊萍,黄素逸,防止导线覆冰临界电流的传热研究, 中国电力, Vol.34,No.3,2001.3,42-44；3） Liu Heyun，Zhou Di，Fu Junping，Huang Suyi，Heat transfer analysis on wire icing and the current of preventing icing, Electricity,Vol.11,No.1, 2003.4,45-48；4） Liu Heyun，Zhou Di，Huang Suyi，Establishing a national ice database and developing an ice severity map, Electricity, Vol.10, No.3, 2000.10, 32-36; 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