摘要
积冰现象是许多工程应用中广泛存在的问题。特别是在一些关键领域，如航空航天、电力传输和可再生能源等，积冰导致的后果尤为严重。在飞机因结冰而造成的事故中，大部分的情况发生在海拔2400m以下的云层中。而研究表明，云中的大多数液滴尺寸小于50μm。所以，研究微米级液滴在冷表面上的撞击-冻结特性，能够为防冰技术的发展提供有力支持。因此，本文的主要研究内容为： 首先，针对现有冻结模型在液滴结冰过程模拟中产生的非物理现象问题，通过引入粘性修正冻结机制，建立了改进的冻结模型，并对其进行了模型验证。其次，分别建立了方柱、十字交叉柱、圆柱、和旋转抛物面柱四种不同几何特征的微结构表面模型，通过网格无关性验证后，模拟微液滴分别在这四种微结构超疏水表面的撞击过程，通过各方面因素分析得出最有利于液滴反弹的微结构。最后，使用该表面模拟过冷微液滴在超疏水冷表面的撞击-冻结过程，获得了不同We数的微液滴撞击不同表面温度下后的形貌演变、最大润湿系数、冻结时间、表面换热随时间的变化，结果表明： 对于微液滴撞击不同的微结构表面，液滴在这四种微结构表面上反弹的能力基于四个关键方面进行评估：最大穿透深度、最大润湿系数、接触时间和反弹恢复系数。旋转抛物面柱和十字交叉柱的接触时间相较与圆柱分别平均减少了53.34%和36.58%。旋转抛物面柱结构能够保持液滴在较大We数范围内稳定在Cassie状态，同时，在Wenzel撞击区，它显著地降低了粘附力，具有较好的防水效果。结合旋转抛物面柱的特点可得出，超疏水表面的性能高度依赖于微观结构的形状，为了提高表面的防水性能，渐进和光滑的微观结构形状是有利的。 对于过冷微液滴撞击微结构冷表面，在装饰有旋转抛物面柱的超疏水冷表面上形成三种不同形态的冻结形貌，分别是，球形，中心帽型和云朵型。随着We数的增加和表面温度的降低，表面热流呈上升趋势。We数对表面总热流的影响相较于冷表面温度更为显著。由此可以得出，传热面积的大小相较于温度梯度显著影响着液滴结冰，所以防冰表面设计中着重考虑减少液滴与表面的接触面积是至关重要的。 以上结果反映了过冷微液滴在微结构超疏水冷表面上的运动特性和冻结特性。这些发现可以加深对润湿状态转变以及液滴撞击-冻结机制的理解，为微液滴的撞击-冻结以及防冰表面的设计提供技术支持。
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