超声波去除铝板表面霜层及融霜液滴的试验研究-中国期刊网

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（整期优先）网络出版时间：2022-06-15

作者: 吉以丰

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超声波去除铝板表面霜层及融霜液滴的试验研究

吉以丰

富士胶片印版（中国）有限公司

摘要：在现代发展过程中，我国各行各业都遇到过结霜问题，结霜不仅会导致设备运行效率低下，严重时还会引起安全事故，造成经济损失和人员伤亡。在这样的情况下，就需要对除霜方法进行有效研究，重视除霜工作的重要性。基于此，本文首先阐述超声波除霜理论，其次说明超声波去除铝板表面霜层试验分析情况，最后分析超声波去除铝板表面融霜液滴的试验情况，以期为该领域的后续研究提供参考。

关键词：超声波；铝板表面霜层；融霜液滴；试验研究

前言：现阶段，我国的科学技术水平正在不断提高，除霜技术的应用体系已经较为成熟，能够发挥较好的作用。但在此过程中，也仍然存在一定的问题，使得结霜问题难以被彻底解决。在这样的情况下，就需要对超声波除霜技术进行深入研究，充分明确该技术的应用要点和原理，并将其有效运用在实际工作当中，提高除霜抑霜的整体效果，确保生产得以顺利进行。因此，本文的研究具有一定的现实意义。

超声波除霜理论概述
1. 液滴超声雾化理论

目前，超声雾化的理论主要有两种，即空化效应和表面毛细管波效应。早期对超声雾化的研究大多从空化效应的角度进行。近年来，越来越多的研究人员将研究重点放在表面毛细波上。同时，有人提出了一种混合理论：即超声雾化是空化效应和表面毛细波共同作用的结果。

第一，空化理论。超声空化是指在超声的作用下，液体中微小的空化核的活化，呈现出空化核的振荡、生长、收缩和坍缩等一系列动态过程^[1]。由空化引起的雾化假说是，当换能器的超声波通过液相传播时，在声波的稀疏阶段，流体中的气泡会膨胀^[2]。在随后的压缩阶段，空化气泡特别是靠近气液界面会发生剧烈爆破并产生水力冲击，造成气液界面破裂，导致雾化。

第二，表面毛细波效应。根据空化理论，雾化行为是由于空化核的猛烈爆破而引起的瞬态行为，难以控制和预测，从而导致雾化液滴尺寸的随机性，这意味着雾化液滴具有较大的尺寸分布跨度。然而，一些实验发现雾化液滴的尺寸分布相对集中，这不能用空化理论来解释。因此，许多学者提出了毛细波理论。根据毛细波理论，超声波激发会在气液界面产生毛细波。这种毛细波极不稳定，导致液滴从峰中被挤压。

1. 超声除霜理论

在具有超声激发的结冰/磨砂基板上，由压电驱动器产生的超声导波将以Lamb波和SH波的形式传播。当这些波通过多层结构传播时，冰层和基底之间材料特性的差异会导致组速度差和剪切力。当在界面处产生的剪切力大于霜层的附着力时，霜层会从表面脱落。然而，在实际情况下，超声波激励的范围不是板上的一个点，而是一个区域，并且激励区域中每个点的位移也不相同。对于这种情况，很难获得复杂形状结构的解析解。因此，通常采用数值模拟方法求解位移场和应力场。由于霜层的附着力不易通过实验测量，因此目前更多的研究是关于除冰。通过简单的机械测试装置，很容易在实验室中测量冰层粘附力在0.24~1.7Mpa，而实际上，在模拟计算中所得出的结果却与这一数值存在较大的偏差，理论上完全上可以证明超声除霜的可行性。

超声波去除铝板表面霜层试验分析
1. 超声除霜动态行为

首先，霜层脱落的宏观动态行为。实验后可以发现，结霜15分钟后，霜层在超声作用下的动态行为为3s，超声功率为36W。在51ms时，超声探头和板的边缘有霜冻晶体断裂并从板上脱落。在73ms时，霜层显示出明显的起伏，并且一些霜层凸出并从表面去除。97ms时，霜层明显破裂，大部分霜在离开地表后在重力作用下成块脱落。从297毫秒到超声波结束，表面几乎没有霜冻晶体残留物，但实际上，表面仍然有一个相对致密的磨砂基底无法去除。在实验中，观察到霜层在隆起－破碎－分离过程中表现出与液滴雾化分布相同的形状，这意味着除霜过程也受到表面应力分布的影响。

其次，霜晶动态行为的微观观测。当结霜时间短且尚未形成致密的霜层时，可以拍摄到稀疏清晰的霜冻图像，从而阐明了超声波作用过程中霜冻晶体的动态行为。霜冻晶体的动态行为可以分为两个阶段，即霜冻分支末端的断裂和霜冻晶体根的剥落。霜枝末端的结构通常比较脆弱。在超声波作用的瞬间，位于霜分支末端的部分受到外力的干扰，很容易首先断裂并与霜分支的主体分离。当超声波施加一段时间时，霜晶的根部会突然从霜层的底部破裂，从其上剥落，并以更大的速度离开表面。超声激发前，霜冻晶体结构疏松，霜冻晶体尺寸和霜冻层厚度较大。超声后，霜层的厚度明显减小，残留在基底上的霜冻晶体的分布密度较大，霜冻晶体的尺寸较小。

1. 超声除霜效率与作用时间分析

如图1所示，为不同超声作用时间下霜层面积去除率的变化。从图中可以看出，霜层的面积去除率随着超声作用时间的增加而增加^[3]。当超声波作用到达5s时，本试验在结霜时间为15min ~ 90min的条件下，结霜面积去除率可以到达接近1的水平。另外，结霜时间越长，超声波作用时间对除霜率的影响越大。当结霜时间为15min时，超声波作用时间的延长对面积去除率的提高影响不大，但当结霜时间为90min时，超声波作用为1s时，面积去除率仅为0.63，而当动作为5s时去除率到达0.99，进步了57%。

图1 不同超声作用时间下霜层面积去除情况

1. 超声除霜性能与结霜时间分析

随着结霜时间的增加，结霜所需的时间增加。超声波振动后，除基材外，仍有一部分霜层残留在板上，并且随着霜冻时间的增加而增加。造成这种现象的原因可能有两个：一是随着冷却时间的增加，从底部生长的霜冻晶体可能会进一步强化；二是最外面的霜冻层部分融化，渗入未融化的部分，形成冰水混合状态。由于液体的存在，在霜层和基层之间会产生额外的粘附力。如图2所示，为面积去除率随结霜时间的变化。从图中可以看出，当结霜时间为15分钟时，基材上方的霜层几乎可以完全去除。当结霜时间大于30min时，3s的超声激发不能完全去除基材上的霜层。随着结霜时间的延长，当结霜为90min时，结霜面积去除率下降到70%左右。

图2 面积去除率随结霜时间的变化

超声波去除铝板表面融霜液滴的试验分析
1. 铝板融霜液滴雾化行为

测试后，可以发现当超声作用为2.5ms时，靠近超声探头左右两侧的一些液滴开始扩散，并在大约5ms时开始雾化。随着雾化的进行，液滴继续扩散，雾化程度增加。当超声波激发超过100ms时，视场充满来自表面的雾化液滴。当超声波作用约为1s时，雾化基本结束，只有一些小液滴停留在表面。不同区域液滴的雾化速度和强度不同，液滴雾化强度较大的区域基本对应表面应力较大的区域。由于在谐波响应分析中对模型进行了简化，因此仿真结果会与实际情况有所不同，但仿真仍然可以很好地匹配测试结果。在超声作用后，液滴残留区域将平板分为几个区域，可分为雾化区域和非雾化区域^[4]。由于铝板是垂直放置的，因此从表面喷出的液滴不会落回到表面，因此雾化区域和非雾化区域之间的边界更加清晰。

为了更好地描述除霜液滴的雾化特性，将选择两个典型区域的液滴的雾化过程进行进一步分析。在区域一，当超声波作用4ms时，液滴在所有方向上均匀扩散，液滴在表面上喷出。然后，这些液滴在约14ms下继续扩散并聚合成两个大的液膜，即，随着雾化的进行，液膜连续收缩和减小，并在约1000ms下完全雾化。显然，形成这两个大液膜的位置对应于上述雾化区域。此外，雾化区附近的一些大液滴会在表面波的作用下发生不同程度的扩散，然后迁移聚合进入附近的液膜中，扩散过程伴随着剧烈的表面波动和雾化。然而，虽然这些液滴可以扩散到雾化区发生雾化，但其雾化速率远小于雾化区的液滴，超声作用1000ms，雾化区的液滴已基本完全雾化，并且在初始位置迁移到雾化区域的液滴仍具有相对较大尺寸的残留液滴，未完全雾化。

所述第二区域位于上述非雾化区域，在超声波作用下该区域液滴的行为视频中，可以看到液滴表面仍然存在表面波，但相对于雾化区域的液滴，其波动很小，很难在静态图像中呈现。区域二中的液滴都没有明显的雾化或迁移，但是在表面波的作用下，液滴会稍微扩散或变形。最终，一些间距较窄的小液滴可能会合并，而大多数液滴仍保持其原始形状或略有变形^[5]。

通过对测试结果的观察，微滴在超声波激励下在铝板上的行为可归纳为三类，一些雾化区域对称分布在板上。在超声波激发下，这些区域的液滴会均匀扩散并迅速雾化。这些区域基本上处于应力分布的峰值。靠近雾化区域，液滴会在超声波扰动下扩散到附近的雾化区域。当液滴部分扩散到雾化区域时，气液界面会剧烈波动并雾化。液滴的其余部分会在表面张力的作用下不断补充到雾化区域，使液滴看起来像迁移到雾化区域。

1. 融霜液滴分布与去除

如图3所示，为融霜液滴覆盖率随结霜时间的变化。随着结霜时间的增加，除霜液滴的覆盖率逐渐减小。在15min和30min之间有明显的下降，之后变化速度逐渐减慢，覆盖趋于稳定。造成这种现象的原因是，当霜冻量大时，液滴在除霜过程中合并的可能性更大。此外，当液滴增大到一定尺寸时，表面的附着力不足以维持液滴，液滴会从表面滑落并冲刷路径上的液滴，从而大大降低了液滴的分布密度，导致液滴的覆盖率降低。

图3 融霜液滴覆盖率

如图4所示，为不同结霜时间和超声功率下的液滴去除率。当结霜时间为15min时，去除率很低，低于50%。当结霜时间超过30分钟时，去除率可以保持在较高的水平。液滴去除率与超声功率之间没有明显的规律性关系，当结霜时间超过30min时，各组之间的液滴去除率没有很大差异。这是因为当结霜量大时，除霜过程中合成的大液滴在超声波扰动下更容易进入雾化区域，因此液滴去除率有较大的提高；但在融化过程中形成的霜层大液滴的位置是随机的，并且液滴是否处于雾化区域对去除率的影响较大，这使得液滴去除率和结霜时间的规律难以确定。但是，当结霜时间大于30min时，各组的液滴去除率均大于75%，具有较好的去除效果。测试结果表明，即使在低功率条件下，超声激发对液滴去除也具有良好的效果。