过冷水形核率的实验研讨.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：083494 过冷水形核率的实验研究过冷水形核率的实验研究 过冷水形核率的实验研究过冷水形核率的实验研究 葛宋，陈民 （清华大学工程力学系，北京 100086） (Tel: 010 Email: mchen@tsinghua.edu.cn) 摘要：采用水滴冻结法对过冷水形核过程进行了实验研究。设计了一套可观察并记录冷表面上液滴冻 结过程的实验。实验得到的水滴过冷度分布在－10°C 到－22 °C 之间。通过对实验数据的统计计算获 得了形核率，与文献中其它方法获得的数据比较，形核率随温度变化的趋势比较一致但在具体数值上 有较明显的差别。 关键词：过冷水 形核率 水滴冻结实验 1 前言 在低于熔点的温度下未发生相变的液体称为过冷液体。过冷水是一种常见的过冷液 体。过冷水形核过程的研究对工业节能蓄能、航空安全、电力系统保护、人工降雨等技 术应用中有重要意义。 [1] 计算形核率通常采用的理论是经典形核理论 （conditional nucleation theory） 。 经典形核理论根据过冷液体内临界核形成所引起的体积自由能和表面自由能等的变化满 足的能量平衡过程，建立了形核率表达式：  −g  −G*  J LS = I 0 exp  exp  LS   kT   kT  其中 I 为形核因子，△g 为一个分子从液相跳跃到固相所需要的扩散激活能，△G 0 表示在过冷液体中形成一个晶核的自由能变化即临界形核功，kB 是玻耳兹曼常数，T 为 绝对温度。经典形核理论自提出以来，一直到现在都还是研究形核现象最主要的理论框 [2,3] 架 。 经典形核理论形核率计算公式中的部分参数可以利用物理化学的方法来确定，但有 些参数难以直接获得，只能依靠形核率测量结果来反推[4] 。形核因子、扩散激活能、临 界形核功等是形核率计算中的重要量。 对于形核理论的实验研究，目前有多种方法。云室法、水滴冻结法、超声悬浮法、 场测量法等实验方法在过冷水形核实验研究中都有所应用，并各有其优缺点。 本文介绍了采用水滴冻结法设计的一套过冷水水滴在冷表面冻结测量形核率的实 验装置，并对比了实验结果与文献中已有实验数据。 2 实验设计与实验装置 过冷水滴冻结的瞬间会释放潜热并伴随着折射率的突然变化。因此冻结瞬间将发出 一个热信号，并发生外观突变。文献中有实验利用形核过程的潜热释放发出的热信号， 采用灵敏度很高的热探测器来检测形核发生[5]。本实验根据冻结时水滴折射率变化，采 用高速摄影来记录形核过程。实验装置的设计如下图。 图1 实验装置图 实验装置主要包括半导体制冷装置、数据采集模块和热电偶、水滴生成装置、高速 摄影、计算机、水冷槽及其它附件。 实验过程是这样的：采用带有散热肋片的水冷槽对半导体制冷片热端进