大气环境条件下微液滴在固体表面的冻结机理研究.docx

1、大气环境条件下微液滴在固体表面的冻结机理研究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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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. Br

8、akel9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

9、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

10、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

11、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

12、，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

13、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

14、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 1

15、994 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 atmo

16、spheric 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，Internationa