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冷表面结霜过程的分形模型及实验研究

刘耀民  
【摘要】:结霜是自然界以及制冷、低温、航空航天等工程领域中的常见现象。当湿空气接近冷表面时,如果冷表面温度低于空气中水蒸气的饱和温度且同时低于水的三相点温度时,水蒸气便会在冷表面上结霜。结霜现象的存在通常会降低制冷设备的传热性能,增大气体流动阻力,增加能耗,因此对结霜现象进行研究对于深入了解结霜机理、探索有效抑霜除霜手段、节约能源具有重要意义。本文重点对霜晶生长过程中的分形特性进行研究,在实验的基础上建立分形理论与相变动力学理论相结合的结霜模型,主要工作如下: 在不同实验条件下进行冷表面结霜过程实验。通过实验测定结霜过程中霜层厚度、霜层表面温度、结霜速率以及霜晶形态等随结霜时间的变化,重点分析了结霜过程中结霜速率随时间的变化规律,指出结霜速率在结霜初始一段时间内随时间首先呈增大趋势,当增大到一定值之后开始下降,后期结霜速率变化平缓并最终趋近于0。实验获得的数据为结霜模型的验证提供依据。 优化了二值图像计盒维数的计算方法。采用算术递增序列网格划分方法,增强了计算方法对图像尺寸的适应性;通过对网格划分过程中出现的不完整边界网格进行整合处理,提高了计算结果的准确性和稳定性。随后利用该方法对实验采集到的结霜图像的分形维数进行计算。 对霜晶生长过程中的分形特性进行研究。研究表明:霜晶图像的放大倍率对分形维数的计算结果几乎没有影响;结霜过程中霜晶分形维数随结霜时间呈起伏式增大趋势,增大是由于霜晶的不断生长与充实,起伏是由于表面霜晶的融化倒伏及再生长过程;霜晶分形维数与体积分数在反映霜层物性方面其侧重点是不同的,分形维数主要反映霜晶体的形态特征,而体积分数主要反映霜晶体的数量。研究过程还讨论了冷表面温度和相对湿度变化对霜晶分形维数的影响,指出通常情况下冷表面温度越低、相对湿度越大霜晶分形维数越小。 探讨了采用DLA模型模拟霜层生长过程的可行性。指出用程序运行的循环次数来代表霜层生长时间,用改变产生随机粒子几率的方法来模拟霜层生长过程中密度变化的技术路线是可行的。 将分形参数引入相变动力学控制方程并与DLA模型相关联,建立分形理论与相变动力学理论相结合的结霜模型。利用该模型对不同条件下的结霜过程进行模拟并将模拟结果与前期实验结果进行对比,验证该模型的可靠性。结果表明:该模型适用于结霜全过程,可以很好地模拟结霜过程中各种参数的变化。文中也分析了该模型的模拟结果对初始参数取值的敏感性,指出离散霜层厚度与霜层生长判定条件两个参数的关联取值可以降低模拟结果对初始参数取值的敏感度。该模型的建立有利于结霜模型的丰富和发展,同时对探讨分形理论与动力学理论相结合的有效方法也具有实际的借鉴意义。


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