冷表面结冰规律及防治新方法的研究

【摘要】结冰现象是一种不可避免的自然现象，冰层在航空领域、电力领域等部件表面的附着会影响工作效率、降低可靠性，甚至引起严重安全隐患。目前，各行各业针对防结冰理论和技术开展了一系列的研究，但在水的冻结过程中受到多因素的影响，仍未形成行之有效的预防方案。若要降低或解决冰附着的危害，必须要深入分析因素效应对结冰的影响。本文采用显微观察法总结冰的冻结过程，分析因素效应对结冰的影响，并提出改变材料表面形态影响结冰强度的一种新防除冰方法。本文主要研究内容和结论包括：（1）为便于分析环境因素对冰冻结的影响，利用自制的显微观测装置观察水滴的冻结过程，冻结过程大致可分为水滴在界面的铺展、冻结层面出现、水滴开始膨胀、完全冻结结冰。（2）提出了一种利用水滴定冻结结冰的方法评价材料表面的结冰特征。依据评价基准及试验要求，设计、搭建结冰强度测试装置。（3）为优化和研发防除冰方法，分析了因素效应对结冰强度的影响。测试冰在不同表面温度及不同冻结时间下形成的结冰强度，试验结果表明：最终冷表面温度越低、结冰强度越高、增长速率变慢；表面初始温度大于0℃时，形成的结冰强度明显大于表面为负温时形成的结冰强度。试验中，结冰强度随冻结时间延长而增加的过程中，结冰强度出现了骤降的现象。（4）基于冰的相变膨胀现象，提出一种新式防除冰技术思路。对该防除冰技术思路进行初期试验验证，试验表明：表面形态的改变，影响了冰在试样表面的结冰强度。（5）为进一步验证该防除冰技术思路的可行性及结构参数对结冰强度的影响，在PMMA表面设计了9种不同宏观形态，测试了表面的结冰强度。试验发现表面具有点状凹坑的试样对结冰强度的影响最大，切向和法向结冰强度分别降低了41%、29%。试验结果分析表明结构参数中凹槽底部夹角和形态分布形式对结冰强度的影响最大，并确定了对结冰强度具有最有影响的表面形态结构。（6）测试表明在最优结构形态表面的结冰强度基本位于最优试验指标的区间范围内；对比铝材料与PMMA材料的表面形态对结冰强度的影响，发现在相同的表面形态下，表面形态的改变对结冰强度的影响并不会因为冻黏基体材料属性的改变而不同。对表面形态影响结冰强度进行分析：指出附着基体形态的改变影响了冰在材料表面的附着界面层的稳定性，使接触界面产生了应力集中区域，导致了表面结冰强度发生变化。
【作者】陈廷坤；
【导师】金敬福；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】结冰；结冰强度；表面宏观形态；相变膨胀；防结冰表面；

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