為了研究液滴凍結過程中液滴內部固-液相界麵的動態變化特性以及液滴形變的變化規律，基於液滴凍結可視化實驗平台，對冷銅表麵液滴凍結過程進行了可視化實驗研究，分析了不同冷表麵預設溫度下液滴過冷度和液滴凍結時間的變化規律以及液滴體積對液滴凍結時間的影響。實驗結果表明:在液滴凍結過程中，液滴內部固-液相界麵呈現出凹界麵特性;在表麵張力和固-液相界麵的凹麵特性的共同作用下，液滴完全凍結後會在其頂部形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結前期固-液相界麵的推移速度較快，凍結速度較快，隨著時間的推移，固-液相界麵的推移速度逐漸減小，致使凍結速度減小;隨著冷表麵溫度的降低，液滴凍結所需要的過冷度不斷增加。研究發現了臨界過冷度的存在，約為-12℃，適當增加液滴的臨界過冷度可延緩其凍結過程。液滴凍結時間主要取決於液滴過冷時間，液滴過冷時間受冷表麵溫度的影響較大;液滴體積對液滴過冷時間的影響並不是單調的。

液滴凍結過程的演變規律

選取的實驗工況為:空氣溫度Ta=15.0℃，空氣相對濕度φ=40.0%，空氣流速u=0.650 m●S—1，液滴體積V=15.0μL，冷表麵(預設)溫度Tw=—29.5℃。

根據晶體生長理論可知，晶體的生長過程實際上就是晶體-流體界麵向流體中的推進過程，可以看作是固-液相界麵向液相區中推進的過程，固-液相界麵並不是平坦的界麵，而是具有一定弧度的凹界麵。冷表麵液滴的凍結過程如圖1所示。隨著固-液相界麵的推進，液相區的質量不斷減小，相變過程中密度變化引起體積增大的效果在未凍結的液相區不斷累積，導致液滴發生變形，最終在液滴頂部形成一個明顯的乳狀凸起;液滴凍結過程中，早期液滴形狀的變化僅體現在高度方向上，而整體仍保持為半球形，如圖2所示。

圖1冷表麵液滴凍結的演變過程

關於液滴在凍結完成後頂部形成乳狀凸起的現象，王皆騰等認為固-液相界麵是因為液滴的形狀而呈現出凹曲麵的分布特性，而且液滴兩側的凍結速度大於中心區域，這導致液滴的變形出現在液滴頂部。根據晶體生長理論，從界麵張力的角度出發，彎曲界麵上的界麵張力將導致垂直於界麵的附加力的出現，使得彎曲界麵兩側的壓強不等，即產生界麵壓強。這意味著界麵張力有使界麵麵積縮小的傾向，凹曲麵會產生向上的附加壓強，促進固-液相界麵向上的推移過程，固-液界麵為凹麵時比平麵更加有利於液滴的凝固。由於固-液相界麵為凹曲麵，在其向上的推移過程中，密度變化引起體積膨脹的效果會在液滴上部液相區不斷累積，表現為液滴高度的增加，最終在表麵張力的作用下，液滴頂部會形成明顯的乳狀凸起，如圖2所示。

圖2液滴凍結過程中的形狀變化過程

圖3液滴固相體積分數隨時間的變化曲線

為探究液滴凍結過程所遵循的動力學規律，即固-液相界麵推進的動力學規律，擬采用固相體積分數的變化來模擬固-液相界麵的推進過程。為了便於液滴固相體積分數的計算，假定液滴始終保持半球狀，通過測量液滴的高度和寬度來確定液滴不同時刻時的固相體積分數，液滴固相體積分數隨時間的變化曲線如圖3所示。在不同冷表麵(預設)溫度的條件下，伴隨著液滴的凍結，初期固相體積分數增長迅速，幾乎呈現線性增長趨勢，但隨著時間的推移，增長速率逐漸變緩;通過縱向對比可知，冷表麵(預設)溫度越低，固相體積分數的增長速率越快，液滴凍結所需的時間越短。液滴凍結初期固-液相界麵推進速度較快一方麵是因為銅板的導熱熱阻較小，另一方麵則是由於液滴與銅板的接觸麵積相對較大，但是隨著時間的推移，冰晶的形成在增加了傳熱熱阻的同時也減小了液相與低溫固相的接觸麵積，導致換熱效果變差，固-液相界麵推進速度減慢。隨著冷表麵(預設)溫度的降低，固-液相界麵的推進速度增加，液滴的凍結時間縮短。這是由於冷表麵與過冷液滴之間的溫差增大，液滴單位時間內的換熱量增加，導致固-液相界麵推進速度增加，液滴凍結時間縮短。

基於液滴凍結可視化實驗平台，本文對冷銅表麵液滴的凍結過程進行了可視化實驗研究，利用固相體積分數的變化來描述液滴凍結的演變過程，獲得了液滴內部固-液相界麵的動態變化特性和液滴形變的變化規律，並在此基礎上分析了液滴過冷度和液滴凍結時間的變化規律。得到如下主要結論。

液滴凍結過程中，液滴內部固-液相界麵呈現凹界麵特性。由於凹界麵的存在，液滴密度變化引起的膨脹變形體現為液滴高度的增加，在表麵張力的作用下，液滴頂部會形成明顯的乳狀凸起;液滴凍結前期，凍結速度較快，而後隨著時間的推移凍結速度逐漸減小;冷表麵溫度越低，液滴凍結越快。