一种微液滴结冰时间测量方法

本发明涉及微液滴结冰计算领域，尤其涉及微液滴结冰时间测量方法。

背景技术：

1、结冰现象在自然界与工业界普遍存在，在疏水的光滑表面上，液态水以冠状小液滴的形式存在，如果冷表面的温度低于了水的凝固点，液滴将会处于过冷水的状态，并有概率发生结冰现象，过冷液滴相变结冰与稳态平稳下的水的相变结冰明显不同，生产生活中的宏观结冰/霜等实际上是由无数液滴与壁面作用而结冰并逐渐累积形成宏观冰层的过程，然而对于处在亚稳态的过冷液滴的结冰则会先发生再辉现象，而后形成一层冰壳，又由于能量的限制后续由贴近冷表面一侧缓慢完成结冰过程，结冰现象在航空领域内也十分普通，飞机在高空飞行的过程中，当机身穿越云层时，云层中的液滴会撞击在机翼上结冰，如果形成较厚的冰层，会将机翼表面的层流变为湍流，并在机翼尾部发生涡分离，飞机升力下降，飞行产生强烈颠簸，失速攻角降低，极易造成空难，因此研究冷凝结冰过程具有重要的实际应用价值；

2、液滴在固体表面的结冰过程主要从成核开始到成尖结束，整个持续过程的时间及为结冰时间，现有观测液滴结冰时间的方法主要是通过光学相机记录并判断成核到成尖的时间差，然而这中测量方法在面对体积更小的微米级的液滴时，将很难能再清晰观测到液滴的结冰过程与时间，因此如果想要继续直观的测量结冰时间对相机性能要求极为苛刻，并且打光方式和拍摄流程会十分繁琐。

技术实现思路

1、本发明提供的一种微液滴结冰时间测量方法主要针对光滑表面上的微液滴结冰过程提供的一种微液滴结冰时间测量方法，主要基于实验测量获得不同条件下微液滴的结冰时间，所述微液滴结冰时间测量方法包括：

2、步骤s1、获取生成微液滴；

3、步骤s2、使用0.01s/帧的速度拍摄上述微液滴形成过程，将相机与样品表面垂直放置，采用同轴打光的方式进行打光，从相机镜头内向下方表面打光，通过表面反光，在相机内产生一个清晰的画面；

4、步骤s3、使用matlab进行图像处理，在拍摄的分辨率范围内，根据对微液滴结冰过程中中心光斑亮度变化以及生成冷凝环的现象的研究，确定分析灰度变化方向，获得不同实验条件下光滑表面上的液滴结冰过程中中心亮斑的灰度强度变化及产生冷凝环区域的灰度强度变化，从而得出光滑表面上液滴的结冰时间以及结冰开始和结束时刻并建立中心亮斑的物理模型；

5、步骤s4、基于图像处理得到实验结果，并根据两种灰度强度变化规律分析判断液滴结冰开始和结束计量节点的方法获得该液滴的结冰时间，用过冷液滴的结冰时间的理论公式进行推算，将实验结果与理论公式推算结果进行对比。

6、进一步的，得出光滑表面上液滴结冰时间的计量始末节点具体过程为：

7、首先对图像进行一个预先的判断，判断中心亮斑的选取大小以及冷凝环区域的选取；

8、确定选取的计算区域后，使用matlab计算了两个区域内部的灰度随时间的变化结果并观察两个区域内的平均灰度随结冰过程的变化，从而得到光滑表面上液滴结冰时间的计量始末节点，即冷凝环区域内的平均灰度变化从结冰成核开始直到结冰完成达到最小值，或者液滴中心区域的平均灰度变化从灰度强度跳变开始到达平稳阶段。

9、进一步的，将实验结果与理论公式推算结果进行对比具体过程为：

10、s4l、根据实验中液滴结冰时间的计量始末节点获得实验中液滴的结冰时间；

11、s42、获得液滴体积计算公式v＝fr3，由于在光滑表面上液滴与表面保持在一个稳定的夹，自固-液界面经过液体内部到气-液界面之间的夹角称为接触角θc，其中r为液滴的横向半径；

12、s43、对过冷液滴的结冰时间的理论公式进行变形，获得其中ρi是冰的质量，lm是冰水混合物的潜热，h是液滴最终的高度，ki是导热系数，δt是过冷度，液滴高度h与液滴半径rd成正比例关系；

13、s44、将实验中液滴的结冰时间与理论公式计算得到的结冰时间进行对比。

14、进一步的，建立中心亮斑的所述物理模型具体包括：

15、观察由于液滴的折射观察到了液滴内的中心光斑；

16、量化液滴中光的相对强度分布，使用了snell定律，根据液滴俯视图的对称性，计算液滴横截面上的强度分布；

17、得到理论和现实下距液滴中心位置函数的光相对强度分布并模拟平行光下液滴的图像；

18、对模拟图像和实验观察图像进行对比。

19、进一步的，获取生成微液滴采用冷凝方法，具体为，首先制备光滑的样品表面，然后将样品表面置于制冷器上，结合质量流量计和广口瓶来调节水蒸气的通入速率来控制冷凝环境的相对湿度，当相对湿度稳定后再调节制冷器的温度至目标温度，样品表面形成大量的微液滴，并发生结冰现象。

20、有益效果：

21、1、提供了一种简便、直观的方法对冷凝液滴的结冰时间进行测量，且全程无污染，测量成本较低；

22、2、使用装置简单，流程简便，提供了一种新的测量方法，能有效地测量在表面上的微液滴结冰时间，避免了现有测量微米级微液滴结冰时间的方法中各种苛刻条件，如对相机性能要求较高、测量流程复杂等。

技术特征：

1.一种微液滴结冰时间测量方法，其特征在于，具体包括：

2.如权利要求1所述的一种微液滴结冰时间测量方法，其特征在于，得出光滑表面上液滴结冰时间的计量始末节点具体过程为：

3.如权利要求1所述的一种微液滴结冰时间测量方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括：

4.如权利要求1所述的一种微液滴结冰时间测量方法，其特征在于，建立中心亮斑的所述物理模型具体包括：

5.如权利要求1所述的一种微液滴结冰时间测量方法，其特征在于，获取生成微液滴的具体方法包括：

技术总结
本发明涉及一种微液滴结冰时间测量方法，对光滑固体表面上的微液滴，使用0.01s/帧的速度拍摄微液滴形成过程，使用MATLAB进行图像处理，在拍摄的分辨率范围内，根据对微液滴结冰过程中中心光斑亮度变化以及生成冷凝环的现象的研究，确定分析灰度变化方向，获得不同实验条件下光滑表面上的液滴结冰过程中中心亮斑的灰度强度变化及产生冷凝环区域的灰度强度变化，从而得出光滑表面上液滴的结冰时间以及结冰开始和结束时刻并建立中心亮斑的物理模型，将实验结果与理论公式推算结果进行对比。有益效果在于：本发明提供了一种简便、直观的方法对微液滴的结冰时间进行测量，且全程无污染，测量成本较低，使用装置简单，流程简便。

技术研发人员：陈龙泉,郑崧原,冯浩岩
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17