李嘉純 勾昱君 李怡達(dá) 韓 佳

（華北理工大學(xué) 唐山 063000）

1 引言

結(jié)霜現(xiàn)象普遍存在于自然界中,霜的形成是一個(gè)復(fù)雜的瞬態(tài)傳熱傳質(zhì)過(guò)程。當(dāng)物體的表面溫度低于濕空氣的露點(diǎn)溫度時(shí),水蒸氣就會(huì)在該物體表面凝結(jié)成小水珠,為氣-液相變過(guò)程。隨著溫度進(jìn)一步降低,凝結(jié)在冷表面的小水珠不斷融合、擴(kuò)大,最后凍結(jié),發(fā)生液—固相變。隨后,凍結(jié)的冰珠表面會(huì)出現(xiàn)霜晶,進(jìn)而形成霜層。當(dāng)冷面溫度低于某一溫度時(shí),空氣中的水蒸氣甚至?xí)苯釉诶浔砻嫔夏A成霜,不存在液化過(guò)程。可見(jiàn)結(jié)霜過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于各種低溫設(shè)備與制冷系統(tǒng)中。霜層的存在會(huì)阻礙換熱器換熱,增加換熱熱阻,降低介質(zhì)流通的截面積[1]；在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域,當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片在低溫環(huán)境下工作時(shí),葉片表面極易覆冰,風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)困難,大大降低風(fēng)電機(jī)組的工作效率。且結(jié)霜現(xiàn)象在自然界也有嚴(yán)重的危害,近幾年的霜凍、雪災(zāi)都給我們國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。所以研究抑霜、除霜就顯得尤為重要。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)改變一些外在條件來(lái)抑制冷表面結(jié)霜。對(duì)于抑霜研究主要分為以下3 方面[2]:一是通過(guò)改變冷表面周圍的空氣環(huán)境來(lái)抑制結(jié)霜,主要通過(guò)在環(huán)境中加入固體干燥劑,降低空氣中的含濕量,從而達(dá)到抑霜的目的。但隨著時(shí)間的推移,干燥劑吸收水蒸氣的能力減弱,抑霜作用也逐漸失效,而且干燥劑不能重復(fù)使用,其時(shí)效性和可再生性還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究；二是通過(guò)改變冷表面的表面特性來(lái)抑制結(jié)霜速率,很多學(xué)者研制出不同的疏水涂料和超疏水涂料,將其噴涂在容易結(jié)霜的金屬表面,通過(guò)增大水滴在冷表面的接觸角來(lái)延緩霜晶的形成。這種方法在前期能達(dá)到很好的抑霜效果,但隨著使用次數(shù)的累加,超疏水涂層很容易遭到破壞,抗沖擊性能比較差；第三是通過(guò)附加外場(chǎng)來(lái)抑制結(jié)霜,通常以施加電場(chǎng)或者磁場(chǎng)為主。電場(chǎng)對(duì)霜晶的影響已經(jīng)形成明顯的規(guī)律,但關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)于結(jié)霜的影響卻說(shuō)法不一。勾[3]首次進(jìn)行了磁場(chǎng)條件下結(jié)霜現(xiàn)象的研究,實(shí)驗(yàn)表明磁性表面凝結(jié)的水珠體積會(huì)更小,分布更均勻,水珠凍結(jié)時(shí)間稍有延遲,霜晶的結(jié)構(gòu)更加松散等。單[2]在弱直流磁場(chǎng)作用下冷表面的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):電磁場(chǎng)作用下,液滴凝核溫度降低,凍結(jié)溫度降低,并通過(guò)熱力學(xué)和固體的吸附理論進(jìn)行了分析。

雖然磁場(chǎng)條件下的結(jié)霜現(xiàn)象有了初步的研究,但磁場(chǎng)對(duì)結(jié)霜的影響還沒(méi)有形成統(tǒng)一的結(jié)論。本文通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度、變換實(shí)驗(yàn)條件來(lái)系統(tǒng)、深入地分析磁場(chǎng)條件下的結(jié)霜規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由環(huán)境控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、可視化觀測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4 部分組成,如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)中用到的磁性材料是釹鐵硼永磁體。釹鐵硼永磁體是一種儲(chǔ)能材料,具有極高的矯頑力和磁能積,充磁之后可以在一定空間內(nèi)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)[4]。本實(shí)驗(yàn)使用的釹鐵硼磁鐵體積均為10 mm×20 mm×3 mm,一塊充磁,另一塊不進(jìn)行充磁處理,用來(lái)做結(jié)霜對(duì)比試驗(yàn)。磁鐵型號(hào)為N35—N52,對(duì)應(yīng)的表磁為150—400 mT 不等。所有磁鐵表面同時(shí)進(jìn)行鍍鎳處理,排除了因表面狀況不同而對(duì)結(jié)霜過(guò)程的影響。因此,在實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下,如果兩個(gè)表面的結(jié)霜現(xiàn)象有所差異,這只能說(shuō)明是由于磁性表面的磁場(chǎng)引起的。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖1-高精度半導(dǎo)體恒溫臺(tái)；2-冷水機(jī)組；3-數(shù)據(jù)采集儀；4-超聲波加濕器；5-溫濕度測(cè)量?jī)x；6-制冷肼；7-支架；8-CCD 攝像機(jī)；9-顯微鏡；10-顯示器；11-PVC 管；12-實(shí)驗(yàn)罩Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

主要分為3 個(gè)實(shí)驗(yàn):第一個(gè)實(shí)驗(yàn)主要觀察水蒸氣在250 mT 磁性表面及非磁性表面上的凝結(jié)及凝結(jié)后水滴的凍結(jié)過(guò)程,冷壁面溫度控制在-10 ℃左右,實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為45 分鐘。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)主要探究冷面溫度分別為-10 ℃、-12.5 ℃、-15 ℃、-17.5 ℃時(shí)的不同磁性表面抑冰規(guī)律以及在不同冷面溫度下的最佳磁場(chǎng)強(qiáng)度。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)主要觀察水滴在磁性表面及非磁性表面上的凍結(jié)過(guò)程,冷壁面溫度控制在-10 ℃,實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為4 分鐘。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,先對(duì)所有磁鐵進(jìn)行表面清潔。將所有磁鐵表面用清水洗凈,然后再用丙酮擦拭、晾干,以去除表面的污垢。實(shí)驗(yàn)時(shí),將磁鐵放入制冷臺(tái)正中央處,設(shè)定制冷臺(tái)的溫度,濕度通過(guò)加濕器控制在一定范圍內(nèi),用顯微鏡結(jié)合CCD 攝像頭記錄實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象。

3 水蒸氣在不同磁性表面凍結(jié)及結(jié)霜實(shí)驗(yàn)

3.1 水蒸氣在磁性表面與非磁性表面凝結(jié)及凍結(jié)過(guò)程

圖2a—圖2 g 給出了在冷面溫度Tw=-10 ℃,環(huán)境濕度Φ=36.8%,環(huán)境溫度T∞=16.8 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下,水蒸氣在磁性表面（左）與非磁表面（右）凝結(jié)及水珠凍結(jié)的過(guò)程。通過(guò)手持式數(shù)字特斯拉計(jì)量得磁性表面的平均表磁為250 mT。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)確實(shí)對(duì)液滴的凝結(jié)及水珠的凍結(jié)產(chǎn)生了影響。實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí),水蒸氣在磁性表面與非磁性表面凝結(jié)的液滴形狀、大小相似。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,液滴不斷融合、擴(kuò)大。水珠的凍結(jié)過(guò)程首先發(fā)生在非磁表面上,如圖2b—圖2c 所示,非磁表面水珠在11 分23 秒時(shí)開(kāi)始凍結(jié)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到11 分35 秒時(shí),在視野范圍內(nèi),非磁表面液滴已完全凍結(jié)。但此時(shí)左側(cè)磁性表面上的液滴都呈現(xiàn)透明狀,還未發(fā)生凍結(jié),如圖2c—圖2 d所示。磁性表面的液滴在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不斷地融合擴(kuò)大,在44 分12 秒時(shí),磁性表面液滴才開(kāi)始發(fā)生凍結(jié),內(nèi)部開(kāi)始形成晶芽,如圖2 d 所示。2 秒后視野范圍內(nèi)左側(cè)磁性表面的水珠完全凍結(jié)。

磁場(chǎng)不僅能延長(zhǎng)水滴的凍結(jié)時(shí)間,對(duì)霜晶的形態(tài)也有一定影響。如圖2f,相同時(shí)間內(nèi),左側(cè)磁性表面霜晶呈顆粒狀,排列更加規(guī)則,冰晶之間有明顯的空隙。而右側(cè)非磁表面霜晶與霜晶之間粘連成片,沒(méi)有空隙。說(shuō)明磁場(chǎng)能在一定程度上延緩霜晶的形成,磁性表面的霜晶與非磁表面相比更容易去除。

圖2 磁性表面與非磁性表面上水蒸氣的凝結(jié)及水滴的凍結(jié)過(guò)程Fig.2 Condensation of water vapor and freezing process of water droplets on magnetic and non-magnetic surfaces

3.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)冷表面結(jié)冰抑霜的影響及規(guī)律研究

在Φ=66.9%,T∞=29 ℃條件下,觀察不同冷面溫度下7 種磁性表面水滴的凍結(jié)時(shí)間以及凍結(jié)時(shí)水珠的形態(tài)。表磁分別為0 mT、150 mT、200 mT、250 mT、300 mT、350 mT、400 mT。圖3 為Tw=-10 ℃條件下,水珠在不同磁性表面的凍結(jié)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)強(qiáng)度不同,對(duì)水珠結(jié)晶的影響也不相同。非磁表面上凝結(jié)的水珠在9 分35 秒開(kāi)始凍結(jié),如圖3b 所示。200 mT 的磁性表面抑制水珠凍結(jié)的效果最好,在71 分43 秒開(kāi)始凍結(jié),如圖3 d 所示。350 mT 的磁性表面次之,但并非磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,抑冰效果越好。如圖3 h 所示,400 mT 的磁性表面不但沒(méi)有起到延遲作用,反而在一定程度上加速了水珠的凍結(jié)。

通過(guò)觀察水滴凍結(jié)時(shí)的形狀發(fā)現(xiàn):表磁為0 mT、150 mT、200 mT 的冷表面,凝結(jié)的水滴均為規(guī)則的圓形,如圖3b—圖3 d。而水蒸氣在250 mT、300 mT、350 mT、400 mT 的冷表面凝結(jié)、凍結(jié)時(shí),水滴形狀發(fā)生了明顯的變形,如圖3e—圖3 h。這種現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在-10 ℃的條件下,在-12.5 ℃；-15 ℃；-17.5 ℃也是如此,如圖4b—圖4 h?？梢?jiàn)表磁在0—200 mT范圍內(nèi),磁場(chǎng)有效促進(jìn)了水分子的定向排列,使凝結(jié)的液滴呈規(guī)則的圓形。而表磁在200—400 mT 范圍內(nèi),磁場(chǎng)過(guò)大反而嚴(yán)重干擾了水分子的定向排列,使液滴的形狀極其不規(guī)則。

圖3 不同磁性表面水滴凍結(jié)時(shí)間對(duì)比(Tw=-10 ℃,Φ=68.3%,T∞=29 ℃)Fig.3 Different magnetic surface droplets freeze time comparison(Tw=-10 ℃,Φ=68.3%,T∞=29 ℃)

圖4 不同磁性表面水滴凍結(jié)時(shí)間對(duì)比(Tw=-12.5 ℃,Φ=65.5%,T∞=28.9 ℃)Fig.4 Different magnetic surface droplets freeze time comparison(Tw=-12.5 ℃,Φ=65.5%,T∞=28.9 ℃)

圖5 為不同冷面溫度下凝結(jié)在冷表面的水珠結(jié)晶時(shí)間隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化,研究發(fā)現(xiàn),水珠的結(jié)晶時(shí)間與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈多極值關(guān)系。在0—400 mT 范圍內(nèi),凝結(jié)在冷表面的水珠凍結(jié)時(shí)間均呈上升、下降、再上升、再下降的趨勢(shì)。Tw=-10 ℃、-12.5 ℃、-15 ℃、-17.5 ℃時(shí)的最佳抑冰磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為:200 mT、350 mT、250 mT、350 mT。且不同冷面溫度下的400 mT磁性表面均促進(jìn)了水珠的凍結(jié)。可見(jiàn)在一定的磁場(chǎng)范圍內(nèi)能夠有效抑制水滴的凍結(jié),場(chǎng)強(qiáng)一旦超過(guò)某一值時(shí),反而會(huì)加速水珠的凍結(jié)。

圖5 不同冷面溫度下液滴的凍結(jié)時(shí)間隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化Fig.5 Freezing time of droplets at different cold surface temperatures varies with magnetic field strength

4 水滴在磁性表面與非磁表面凍結(jié)過(guò)程

為了更好的觀察磁性表面上水滴的凍結(jié)過(guò)程,設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn),在磁性和非磁性表面上滴落體積為20 μm的液滴,研究磁性表面上液滴的凍結(jié)特征。實(shí)驗(yàn)時(shí),將紫銅板嵌入制冷臺(tái)中,將兩塊釹鐵硼材料放到紫銅板表面,左側(cè)為磁性表面,表磁為250 mT,右測(cè)為非磁性表面。設(shè)定制冷臺(tái)的溫度為Tw=-10 ℃,環(huán)境濕度通過(guò)加濕器均控制在Φ=40% 左右,環(huán)境溫度通過(guò)測(cè)量得T∞=7 ℃。環(huán)境溫度和濕度由溫濕度記錄儀測(cè)量,溫度誤差在±0.2 ℃,濕度誤差在±2 ℃。用顯微鏡結(jié)合高像素?cái)?shù)碼相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)所用的是蒸餾水,通過(guò)移液器將水珠滴定在磁性與非磁性表面。圖6a—圖6c 給出了兩個(gè)表面上水滴的凍結(jié)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。圖6a 為0 秒時(shí)磁性表面與非磁性表面水滴的形態(tài),在2 分46 秒時(shí)非磁性表面液滴完全凍結(jié),如圖6b 所示；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到3分54 秒時(shí),磁性表面的水滴完全凍結(jié),如圖6c 所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),非磁性表面水滴的凍結(jié)時(shí)間比磁性表面水珠的凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)了1 分8 秒。

圖6 磁性表面與非磁性表面水滴凍結(jié)過(guò)程Fig.6 Freezing process of water droplets on magnetic and non-magnetic surfaces

5 機(jī)理分析

分析上述磁場(chǎng)對(duì)于液滴凝結(jié)過(guò)程及霜晶形態(tài)的影響原因,主要從磁場(chǎng)作用下水分子過(guò)冷度的變化以及成核速率兩方面考慮。

5.1 磁場(chǎng)作用下液滴過(guò)冷度增大的理論分析

水分子的3 個(gè)原子成104.5°角,這種V 型結(jié)構(gòu)使水分子具有較強(qiáng)的極性,極性使水分子間形成氫鍵[5]。在液態(tài)水中,水分子并非都是以單個(gè)水分子的形式存在,多個(gè)水分子會(huì)通過(guò)氫鍵締合在一起,形成大的“水分子集團(tuán)”。而氫鍵是一種分子間作用力,在液態(tài)水中,它處于不停地?cái)嚅_(kāi)、結(jié)合的動(dòng)態(tài)平衡中。這些“水分子集團(tuán)”的締合度決定了水的物理化學(xué)性質(zhì)。磁場(chǎng)主要是通過(guò)洛倫茲力對(duì)水分子間的氫鍵產(chǎn)生影響。進(jìn)而使水分子的過(guò)冷度、粘度、表面張力、成核速率等發(fā)生變化。而氫鍵同時(shí)存在于水分子簇內(nèi)與水分子簇間。磁場(chǎng)對(duì)這兩種氫鍵的影響并不相同,下面將進(jìn)行系統(tǒng)分析:

Walrafen[6]提出5 個(gè)水分子締合體組成的四面體構(gòu)型,如圖7a 所示,締合體的質(zhì)心在中心氧原子上,它們圍繞締合體的質(zhì)心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)磁場(chǎng)情況下,轉(zhuǎn)動(dòng)的偶極子處于一種平衡狀態(tài)。在磁場(chǎng)作用下,當(dāng)締合體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向與磁場(chǎng)方向一致時(shí),締合體中的4 個(gè)偶極子也將繞中心軸旋轉(zhuǎn)。每個(gè)偶極子上的正負(fù)電荷在洛倫茲力的作用下,將會(huì)受到兩個(gè)方向相反的作用力,這種作用力或拉動(dòng)或擠壓,磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,所受的平均作用力也越大。當(dāng)拉力超過(guò)氫鍵的作用力時(shí),兩個(gè)偶極子分開(kāi),造成氫鍵的斷裂。故“水分子集團(tuán)”在磁場(chǎng)作用下,集團(tuán)內(nèi)的氫鍵會(huì)朝著斷開(kāi)的方向變化。光譜學(xué)證明,磁化后水分子的氫鍵鍵角由104.5°減小到103.0°,即氫鍵發(fā)生了扭曲變形。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí),水分子內(nèi)的氫鍵就會(huì)被扭斷[7]?！八肿蛹瘓F(tuán)”遭到破壞后,一些水分子從簇內(nèi)氫鍵中解放出來(lái),形成自由水分子,如圖7b 所示。這些自由水分子將重新通過(guò)氫鍵連接形成穩(wěn)定的平面四分子環(huán)[8],如圖7c 所示。同時(shí),磁場(chǎng)能夠增強(qiáng)自由水分子間氫鍵的連接。隨著時(shí)間的進(jìn)行,磁場(chǎng)作用下大的水分子集團(tuán)破碎分解成小的水分子集團(tuán)。由小分子集團(tuán)形成的平面四分子環(huán)形結(jié)構(gòu)將達(dá)到最大數(shù)量,液滴尺寸需要達(dá)到相應(yīng)的臨界半徑方可成核,而小分子集團(tuán)的存在使晶核尺寸達(dá)不到臨界半徑,從而在一定程度上抑制了結(jié)晶。

圖7 磁場(chǎng)作用下的水分子結(jié)構(gòu)Fig.7 Water molecule structure under action of magnetic field

對(duì)液滴來(lái)說(shuō),水分子之間的氫鍵都存在斷裂與合成的平衡狀態(tài)。磁場(chǎng)作用會(huì)加速氫鍵的斷裂,使得氫鍵的平衡狀態(tài)發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)氫鍵平衡移動(dòng),水分子集團(tuán)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí),水的物理和化學(xué)性質(zhì)都會(huì)隨之發(fā)生變化,而水的凍結(jié)與過(guò)冷度有關(guān)。周[9]在研究磁場(chǎng)對(duì)水的過(guò)冷度的影響中提出:逐漸增強(qiáng)的磁場(chǎng)使水的最低不結(jié)晶溫度不斷降低,而最低不結(jié)晶溫度的逐漸降低是過(guò)冷度增大的直接表現(xiàn)。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi),自來(lái)水的過(guò)冷度與磁場(chǎng)強(qiáng)度符合線性比例關(guān)系:

式中:T為過(guò)冷度,℃；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)范圍:0—64 Gs）。

可見(jiàn),磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,水的最低不結(jié)晶溫度越低,過(guò)冷度越大,達(dá)到液滴結(jié)晶所需冷量的時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng),從而延遲結(jié)晶速度。

5.2 磁場(chǎng)作用下水分子成核率增大的理論分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),400 mT 的磁性表面水滴的凍結(jié)時(shí)間比無(wú)磁表面水滴的凍結(jié)時(shí)間要短,可見(jiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大反而會(huì)促進(jìn)結(jié)晶。原因在于磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,水分子的成核率會(huì)呈指數(shù)形式增加。由于氫鍵斷裂而脫離出來(lái)的正負(fù)離子在磁場(chǎng)作用下做方向相反的高速旋轉(zhuǎn),大大增加了正負(fù)離子撞擊的可能性。正負(fù)離子撞擊形成微晶,當(dāng)微晶長(zhǎng)到臨界半徑時(shí),則成核結(jié)晶。用過(guò)飽和度成核理論[10]解釋水分子均勻成核的表達(dá)式:

式中:ΔGk為磁場(chǎng)作用下的成核臨界功；N為系統(tǒng)分子總數(shù)；Dk為單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)分子加入到晶核的概率,,α為頻率因子；xk晶核的尺寸半徑,。

磁場(chǎng)作用下液滴的成核率為:

與無(wú)磁場(chǎng)作用下相比:

從圖8 可以看出,水滴的成核率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。場(chǎng)強(qiáng)為400 mT 時(shí),水滴的成核率為無(wú)磁條件下的3.144 倍。成核率增加會(huì)使液滴在相同時(shí)間內(nèi)形成更多的晶核,晶核越多,液滴在凍結(jié)過(guò)程中單個(gè)晶體形成的分子數(shù)越少。一方面磁場(chǎng)作用下液滴形成的冰晶減小,另一方面單個(gè)水分子即使不用締合成大分子集團(tuán)也能快速附著在核上結(jié)晶。故磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí),成核率起主要作用,加速水滴的凍結(jié)。

圖8 液滴成核率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化Fig.8 Change of droplet nucleation rate with magnetic field strength

因此,磁場(chǎng)對(duì)水分子結(jié)晶有兩方面的影響,磁場(chǎng)強(qiáng)度在0—350 mT 范圍內(nèi),過(guò)冷度起主要作用。即磁場(chǎng)通過(guò)減弱分子內(nèi)氫鍵,增強(qiáng)分子間氫鍵的連接使液滴過(guò)冷度增加,水的最低不結(jié)晶溫度減低,從而延遲液滴結(jié)冰。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在350—400 mT 范圍內(nèi),液滴的成核率起主要作用。液滴成核率大幅度增加,液滴結(jié)冰速率加快。

6 結(jié) 論

在不同工況下,對(duì)不同磁性冷表面的結(jié)冰現(xiàn)象做了可視化研究,結(jié)論如下:

（1）0 ＜B＜350 mT 時(shí),磁場(chǎng)能夠有效抑制水珠凍結(jié),且磁性表面的的霜晶與非磁表面相比更容易去除。B=400 mT 時(shí),磁場(chǎng)反而促進(jìn)水珠凍結(jié)。水蒸氣在磁性表面的凝結(jié)、凍結(jié)時(shí)間與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈多極值關(guān)系。在不同工況下,均存在能夠抑制結(jié)冰的最佳磁場(chǎng)強(qiáng)度。

（2）磁場(chǎng)能夠影響水分子的定向排列,場(chǎng)強(qiáng)不同,水蒸氣在冷表面凝結(jié)的水珠形狀也不相同。0—200 mT 的磁性表面凝結(jié)的液滴形狀呈規(guī)則的圓形；250—400 mT 的磁性表面液滴形狀極不規(guī)則。

（3）磁場(chǎng)對(duì)水有兩方面的影響,分別起到延遲結(jié)晶和促進(jìn)結(jié)晶的作用。一方面,磁場(chǎng)通過(guò)促進(jìn)分子間氫鍵的斷裂,加強(qiáng)分子內(nèi)氫鍵的連接,使水分子集團(tuán)的結(jié)構(gòu)重新排列,形成較小且穩(wěn)定的水分子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致水的最低不結(jié)晶溫度降低,過(guò)冷度增加,從而延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間。另一方面,液滴成核率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加呈指數(shù)型增長(zhǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大,水的成核率占主導(dǎo)因素,促進(jìn)結(jié)晶。