结冰过程固液相变的传热研究
冰的熔化科学实验原理
冰的熔化科学实验原理
冰的熔化科学实验原理涉及到热传导和相变的原理。
冰的熔化过程是一个相变的过程，也即固体向液体的相变。
相变过程中的热量传导是实现熔化的关键。
当冰受到外界加热时，冰内部的分子开始获得更多的热能。
这些热能使得冰内部分子的振动变得更加剧烈。
当冰的温度达到冰的熔点时，分子内部的相互作用力变得较弱，分子之间的稳定结构开始崩溃。
在冰的表面，受到加热的冰开始融化，并形成液态水。
由于液态水的分子之间的相互作用力较弱，分子开始自由移动，形成液体的流动状态。
熔化过程中的热量传导是通过分子之间的相互碰撞和传递来实现的。
当冰的温度较高时，热能会从高温区域向低温区域传递，导致冰的整体温度升高，直到完全融化为止。
总之，冰的熔化科学实验原理主要包括加热引起冰内部分子振动剧烈、分子间的稳定结构崩溃、形成液态水并流动，以及热量传导导致冰的整体温度升高等过程。
冰盘管凝固过程传热特性的理论研究
冰盘管凝固过程传热特性的理论研究
王丽娜;杨历;杨小静
【期刊名称】《河北工业大学学报》
【年(卷),期】2007(036)003
【摘要】分析了冰盘管在结冰过程中的传热规律,建立了相应的数学物理模型,并用摄动方法对其进行了近似分析求解,得到蓄冷过程中冰层内的温度分布和冰层厚度随时间变化的计算公式,并对蓄冷期间影响蓄冷性能的参数、进行了分析,得到一些有益的结论,可为冰盘管蓄冰系统的设计提供理论依据.
【总页数】5页(P22-26)
【作者】王丽娜;杨历;杨小静
【作者单位】河北工业大学,能源与环境工程学院,天津,300401;河北工业大学,能源与环境工程学院,天津,300401;装甲兵工程学院,基础部,北京,100072
【正文语种】中文
【中图分类】TB657
【相关文献】
1.盘管式蓄冰槽盘管排列方式的传热特性 [J], 方沛明;宛超;辛天龙
2.塑料盘管应用在蓄冰槽上的传热分析 [J], 陈小平;陈子煜;范林;陆震
3.盘管式蓄冰槽传热性能研究综述 [J], 刘月琴;张元明;吕超;姜坪;张越
4.单套管相变蓄冷器凝固过程一种简单解法及其传热特性 [J], 程文龙;陈则韶;陈美英;吴广华
5.内融冰式冰盘管蓄冷槽传热性能研究 [J], 朱颖心;张雁
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冰盘管凝固过程传热特性的理论研究
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相变过程与物质的热性质
相变过程与物质的热性质相变是物质在特定温度和压力下，从一种物态转变为另一种物态的过程。
相变通常包括固态、液态和气态之间的转变，这种转变伴随着物质的热性质的改变。
在本文中，我们将探讨相变的三个主要类型：凝固、熔化和汽化，并研究它们与物质的热性质之间的关系。
1. 凝固过程凝固是物质由液态转变为固态的过程。
在凝固过程中，物质的热能减少，因此凝固是一个放热过程。
当物质达到凝固点时，其分子排列有序，使得物质的粒子间距减小，形成了稳定的固体结构。
凝固过程中的能量变化可以由以下公式表示：热能变化（Q）= 质量（m）×熔化潜热（L）其中，熔化潜热是物质凝固或熔化所需的能量。
2. 熔化过程熔化是物质由固态转变为液态的过程。
与凝固相反，熔化是一个吸热过程，因为熔化过程中物质吸收了能量以克服吸引力，使其分子之间的距离增大。
熔化过程的能量变化可以用以下公式表示：热能变化（Q）= 质量（m）×熔化潜热（L）3. 汽化过程汽化是物质由液态转变为气态的过程。
与熔化类似，汽化也是一个吸热过程，因为在汽化过程中，分子间吸引力的克服需要输入能量。
汽化过程的能量变化可以用以下公式表示：热能变化（Q）= 质量（m）×汽化潜热（L）在相变过程中，物质的性质会发生显著的改变。
比如，水在0摄氏度以下会凝固成冰，而在0摄氏度以上会熔化成液态水。
同样地，在100摄氏度以下，水会沸腾转化为水蒸气。
这种相变过程的温度范围被称为相变区间或相变温度范围。
相变温度是物质独特的属性，对不同的物质而言是不同的。
此外，物质的相变过程对周围环境也产生影响。
例如，蒸发是液态物质转变为气态的过程，会从周围环境中吸收能量，使周围环境的温度降低。
相反，冷凝是气态物质转变为液态的过程，会将能量释放到周围环境中，导致周围环境的温度升高。
总之，相变过程是物质在特定条件下发生物态转变的过程。
凝固、熔化和汽化是相变的三种主要类型，它们与物质的热性质密切相关。
凝固过程中的传热
一、凝固过程中的传热 二、凝固过程中的传质 三、凝固过程中的液体流动
1
一、凝固过程中的传热
在凝固过程中，伴随着潜热的释放、液相与固相降温放出物理热，定向凝 固时，还需外加热源使凝固过程以特定的方式进行，各种热流被及时导 出，凝固才能维持。 宏观上讲，凝固方式和进程主要是由热流控制的。
10
4. 温度场与凝固过程的分析 铸件凝固时间的确定：
对温度场研究的目的是进行凝固过程分析。 以无限大平板铸件为例，由铸件放热与铸型吸热相等 Q1=Q2，可得
铸件凝固层厚度：? ? K ? ， K为常数
Chvorinov 根据大量实验结果的分析，创造性地引入铸件模数的概念，
得出了著名的平方根定律： M ? K ? c
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（1）解析法
直接从传热微分方程出发，在给定的
定解条件下，求出温度场的解析解
，实际条件下很少、只有引入许多假设
的条件下。
大平板铸件：
图中：S、L、M分别表示固相、液相和铸型的参数， Tk为凝固界面温度
根据界面上的热平衡：
?
S
? ? ?
?TS ?x
? ? ?x??
?
?
L
? ? ?
? TL ?x
? ? ?x??
边界条件相似 k s
按傅里叶导热微分方程可得相似条件：
k? k?
? ,? ,
即： l , 2
?
? ?,, ,,
l ,,2
?
??? ?
??
l2
k
2 l
Fo= ? ?
l2
?1
----定义为傅里叶数是
两个过程相似的必要条件是 Fo相等。
冰融化过程中固液共存态时的比热容
冰融化过程中固液共存态时的比热容嘿，伙计们！今天我们来聊聊一个有趣的话题——冰融化过程中固液共存态时的比热容。
你们知道吗？当我们把冰放到水里的时候，它会慢慢地融化，变成水。
这时候，冰和水就在一起了，但是它们的状态是不一样的。
咱们就来好好聊聊这个话题吧！我们要明白什么是比热容。
比热容是一个物质在单位质量下吸收或释放的热量与温度变化之间的关系。
换句话说，比热容就是一个物质在改变温度时需要吸收或释放的热量。
那么，冰融化过程中固液共存态时的比热容又是什么呢？咱们先来做个小实验吧。
拿一块冰块放进一杯水里，看看会发生什么。
过一会儿，你会发现冰块开始慢慢变小，最后完全融化成了水。
这时候，你会发现冰块和水的温度都是一样的。
这就是因为冰融化过程中固液共存态时的比热容比较低，所以它们会互相传递热量，使得整个系统的温度保持不变。
那么，为什么冰融化过程中固液共存态时的比热容比较低呢？这是因为冰和水的分子结构不一样。
冰是由水分子组成的，但是它的分子排列方式比较松散，所以它的密度比较小。
而水分子则是紧密排列在一起的，所以它的密度比较大。
当冰融化成水时，它的分子排列方式发生了变化，变得更加紧密。
这样一来，冰和水的密度就变得相近了，所以它们之间的传热效率就会降低。
当然啦，冰融化过程中固液共存态时的比热容还跟其他因素有关系。
比如说，冰融化的速度就会受到环境温度的影响。
如果环境温度比较高，那么冰融化的速度就会比较快；反之亦然。
冰融化过程中固液共存态时的比热容还跟冰和水的质量有关。
如果冰和水的质量比较大，那么它们之间的传热效率就会降低；反之亦然。
冰融化过程中固液共存态时的比热容是一个很有趣的现象。
它不仅让我们了解到了物质在改变温度时需要吸收或释放的热量，还让我们明白了为什么冰融化成水时会变得温暖。
所以，下次当你看到冰块融化成水的时候，不妨停下来想想这个有趣的现象吧！。
06 凝固过程的传热
纯金属在铸型中凝固时的传热模型 K-导热 C-对流 R-辐射 N-牛顿界面换热
06 凝固过程的传热
06.1
凝固过程传热基础
06.2
06.3
非金属型铸造的凝固传热
金属型铸造的凝固传热
06.1
凝固过程传热基础
一、凝固过程传热的特点
①有热源（凝固潜热释放）的传热且热源位置（固-液界面 处）在不断地移动，释放的凝固潜热量也随着凝固进程 而非线性地变化着。 ②系统同时存在两个界面，且界面处发生极为复杂的传热 现象。在液-固界面，即使对于宏观一维传热的单相凝固， 由于生长界面凹凸不平或固相以枝晶生长，即可能存在 三维传热现象，并存在对流传热；在铸型-金属固相界面， 存在界面热阻，甚至由于固相收缩存在气隙，形成微观 对流和辐射传热。 ③材料的热物理性质随降温发生非线性变化。
金属型铸造的凝固传热
三、界面温度Ti
对于虚拟的M-S间界面处，根据能量守恒和热流连续 条件，从凝固层传出的热流密度等于传入铸型的，即
TS TM S ( ) x ' 0 M ( ) x ' 0 x' x' T f Ti S M N（Ti T0） erf ( )
M T f T0 Ti T0 M erf ( )
x' x E0 S ' S0 S t ' t0 t
06.3
金属型铸造的凝固传热
这样问题就转化为求虚拟系统中的传热问题，即
T T t ' x' 2
2
其通解为
T A Berf
x' 2 t '
同样可以根据边界条件，确定凝固时间、温度场和界 面热阻等内容。
固_液相变传热强化过程研究进展
固－液相变传热强化过程研究进展郭茶秀，刘树兰（郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001）摘要：相变热控技术是从20世纪60年代航天热控技术演变而来，通过相变将热量储存或释放从而达到控制温度的目的。
但是由于部分相变材料的导热系数低，使系统的储能和释能时间增加，不利于有效控制系统的温度。
这种系统只适用于功率不高且功率周期性变化的场所，针对这个问题，国内外学者进行了大量研究，文章对近几年国内外强化相变传热的大量研究进行了综述。
介绍了三种主要的强化传热方法，分别是泡沫金属、金属固体和金属翅片、膨胀石墨。
并探讨了强化相变传热中存在的问题。
关键词：相变；强化传热；综述Review on Intensifying Heat Transfer of Phase ChangeGUO Cha －xiu ，LIU Shu －lan（Chemical Industry and Energy Institute ，Zhenzhou University ，Henan Zhengzhou 450001，China ）Abstract ：Thermal control of phase change evolved from the space thermal control technology of 1960s．It was a process of storing and releasing the heat by phase changing because the thermal control system didn't have heat conduction device ，when the melting process finished ，temperature would soar ，and the protection to electronic devices became inva-lid ，so this system was used for little power or the power change cyclical ，and for high power electronic devices ，the key was to add high thermal conductivity material in the phase change device to strengthen heat transfer or to be used together with other radiator．Aim at this problems ，researches to strengthen the phase change of heat transfer were reviewed at home and abroad in recent years．The three methods were analyzed ，including adding foam metal ，solid metal and metal fins ，and expanded graphite．At the same time ，the problems existing in enhancing phase change were discussed．Key words ：phase change ；heat transfer strengthen ；summarize作者简介：郭茶秀（1974－），女，博士，副教授，主要从事太阳能研究与利用。
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题目结冰过程固-液相变的传热研究二○一一年六月结冰过程固-液相变的传热研究摘要水在冷空气流中凝固问题的研究对于实际的生产生活有着深远意义，例如：提高节能技术，避免飞机飞行过程中的结冰以保证飞行安全性，冰蓄冷空调系统中蓄冰槽内的蓄冰、融冰，延长食品的保存期，深入了解地球科学等。
水在冷空气流中凝固，是包含两种相变过程的传热传质、伴随两个移动边界的复杂问题，并且两个边界相互影响、相互耦合。
本文采用分区域模型，分别建立固、液两相的能量方程和传质方程，采用控制容积积分法进行网格差分，并运用移动网格技术追踪界面运动情况。
在此基础上利用Fortran语言程序进行计算，对不同工况下的传热传质规律进行结果分析，获得了空气流速和液滴尺寸对结冰过程的影响规律，并掌握了液滴中心和表面温度的分布状况。
本文对进一步研究液滴结冰过程的传热传质规律具有参考价值。
关键字：结冰；固-液相变；传热；移动界面Investigation of Heat Transfer of Solid-Liquid Phase Change during Freezing ProcessAbstractThe problem of water solidification in cold air flow has far-reaching implication for the actual production and living, such as: improving energy-saving technologies, to avoid the aircraft icing problem during flight to ensure the flight safety, the storage of ice or the melting of ice for the ice storage air conditioning system, to extend the shelf life of food, in-depth understanding of the earth sciences and so on.Water solidification in cold air flow involves two phase heat transfer and the mass transfer process, along with the complexity of the two moving boundary problem, and the two interfaces couple with each other. This paper, sub-regional model was used to establish the energy equation and mass transfer equation of the solid and liquid phases. Besides, the volume control integration method was used for differential, and the moving mesh technology was applied to track the movement of the interfaces. On this basis, the fortran programming language is used to calculate the model. The calculation results are analyzed under different conditions. The influences of air flow rate and droplet size on the droplet freezing process are obtained, and also the temperature distribution in the droplet center and at the droplet surface is researched. This paper has reference value for further investigation of heat and mass transfer during the process of droplet freezing.Keywords: freezing; solid - liquid phase change; heat transfer; moving interface目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1研究目的与意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.3模型的选取 (2)1.4本文拟采用的研究方法 (2)2 数学模型的建立 (3)2.1模型假设 (3)2.2模型示意图 (3)2.3模型的建立 (4)2.4传质传热和对流换热 (6)3 应用FORTRAN程序计算过程 (8)3.1针对移动边界的坐标转换 (8)3.2控制容积积分法的网格离散 (9)3.3TDMA算法 (11)3.4程序思路 (12)3.5F ORTRAN语言简介 (13)3.6计算结果 (16)4 计算结果分析 (17)4.1空气流速对液滴温度变化的影响 (17)4.2液滴尺寸对温度变化的影响 (18)4.3中心温度与表面温度的比较 (19)结论 (21)参考文献 (22)致谢 (23)1 绪论1.1 研究目的与意义在自然界、工业生产、工程领域中存在着大量的结冰融冰现象。
例如：冰蓄冷空调系统中蓄冰槽内的蓄冰、融冰，食品的冷冻、冷藏，飞机迎风面在飞行中的结冰及除冰等等。
结冰过程的固-液相变传热研究在避免飞机结冰以确保飞机飞行安全，延长食品保存期，深入了解地球科学等诸多领域有着深远的意义。
1.2 国内外研究现状人类在十九世纪就开始关注结冰、融冰问题，做了大量研究工作，并意识到时间和空间维度上的非线性是数值处理相变问题的难点所在。
国外在上世纪八十年代开始了对多维结冰过程的数值模拟，并考虑了液相对流的影响。
目前国内研究对对流换热的影响往往考虑的不够充分，对结冰过程中液相区流动的研究国内尚未见报道。
1891年，Stefan研究了具有移动边界和相变的冰的形成和融解过程。
他推导出潜热近似值，并以此来求解随时间变化的表面温度[1]。
二十世纪中期Carslaw、Jaeger和Crank主要研究了简单初始情况和边界条件下无限空间和半无限空间下的一维带有相变的导热问题[2][3]。
1986年，Beer和Rieger给出了圆柱体内固定融化的数值解[4]。
1996年，Chii对半无限大的冰层融化问题用积分法来求解偏微分方程。
1998年孔祥谦提出“显热容法”的有限元方法用于相变导热分析，并对能量方程中的相变潜热项提出了两种解决方案：作为附加比热和作为附加源项处理。
在食品冷冻、冷藏方面，美国科学家首先提出了“食品聚合物”概念，其基本思想是：冻结食品的玻璃化保存[5]。
从此以后国内外越来越多的科学家开始进行这方面的研究，众多实验结果表明：冻结食品质量下降主要是由于冰晶对细胞的挤压破坏而引起的[6]。
对食品冷冻过程进行建模与优化，对食品工程的发展有着重要的意义。
进入二十世纪八十年代后，我国开始自行研制开发具有自主产权的食品速冻设备和装置，到二十世纪九十年代，我国已经开发出了十多种食品速冻设备，能满足冻结所需的各种规格、各种品种的食品之用。
在冰蓄冷空调系统的蓄冰槽研究方面，运用数值方法建立蓄冰槽的动态、静态数学模型，研究得到：蓄冰槽内物质的物性、流动条件，及蓄冰槽的几何尺寸对蓄冰、融冰过程有着重要的影响[7]。
国内的一些专家学者也进行了相应的研究，其中刘道平针对单一圆管以及管束外有限空间内水体的冻结过程及其机理进行了深入研究,得出了指导壳管式蓄冰槽设计的有益结论,推动了闭环冰蓄冷系统的应用，掌握了固-液界面的变化规律[8]。
对蓄冰槽传热过程的模拟分析研究，有助于指导蓄冰槽的设计和运行控制的优化。
在飞机迎风面结冰、融冰方面，人类早在上个世纪20年代就对此予以关注，为此许多专家还专门设计了计算结冰过程的软件，如美国的LEWICE，法国的ONERA，加拿大的FENSAP—ICE等[9]。
国内近几年才开始进行数值模拟研究，杨倩采用Lagrange法对发动机进气道外的水滴撞击特性进行模拟，采用Euler法对机翼结冰进行数值模拟，分析了结冰对气动性能的影响[10]。
经过几十年的研究，人们发现影响飞机结冰量的大小、结冰的范围以及结冰的冰型主要取决于：飞机飞行气象条件，飞机的外形形状，飞机的飞行状态，飞机表面粗糙度[11][12]。
对这四个因素的模拟分析研究，对于飞机的安全飞行有着很重要的作用。
1.3模型的选取目前，在数值模拟相变导热过程中边界移动问题的方法主要有固定网格技术和追踪界面的动网格技术。
由于固定网格法在解决相变问题时，可以简单地从要求的温度场中直接得出相变界面，因而被广泛的使用[13]。
在使用动网格技术时，由于温度场和相变界面的位置都是变化的，因此，对相变位置的连续追踪就显得极为重要，但是执行起来也更为麻烦。
求解相变导热问题的数学模型，也分为两大类[14]。
第一类：单区域模型，因模型同时应用于固相区、液相区和两相区、使得这些区域互相耦合，所以只需应用一套固定的网格和一组边界条件就可以对问题进行求解了，因而统一模型被广泛采用。
焓法、显热容法和固定网格法是目前数值计算中较好的统一模型，且适用于多维问题的数值求解。
第二类：多区域模型，即对各相区分别建立控制方程组，通过在相界面上建立合适的边界条件来描述固相区、液相区和两相区的耦合关系。
1.4 本文拟采用的研究方法本文采用分区域模型，分别建立固、液两相的能量方程和传质方程，采用移动网格技术追踪界面运动情况。
在此基础上应用Fortran语言程序对模型进行计算，并对不同工况下的温度变化情况进行计算结果分析[15][16]。
2 数学模型的建立本文采用分区域模型，分别建立固、液两相的能量方程和传质方程，对单个水滴在冷空气流中的凝固过程以及表面冰层的升华过程建立数学模型，研究液滴相变过程的传热传质规律。
2.1 模型假设模型的建立基于以下几点假设： 1、水为不可压流体、纯净且各相同性； 2、液滴为理想球形；3、液滴的结冰过程是由外向内的，固液两相的导热系数、定压比热、密度等均为常数，不随温度变化；4、液滴与周围环境的辐射换热忽略不计。
2.2 模型示意图图2-1所示为液滴在冷空气流中凝固同时表面冰层升华过程的模型示意图，在冰层表面存在由升华引起的传质换热和对流换热，同时由于冰层升华液滴表面向中心运动，并且凝固过程从表面开始发生，液滴内部还存在凝固界面向中心运动。