大气环境条件下微液滴在固体表面的冻结机理研究

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1、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（Atmosphericicingofstructures）也叫覆冰（icingoriceaccretion），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（Precipitationicing）、云中覆冰（In-cloudicing）和升华覆冰（Sublimationic

2、ing）三种。它对交通、电力、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

3、70～80mm，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

4、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

5、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

6、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

7、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。Lauralevi[5]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行器在云中覆冰的规律。飞机

8、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.Myers[6]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.Naterer[7]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.Kind[8