为了研究液滴冻结过程中液滴内部固-液相界面的动态变化特性以及液滴形变的变化规律，基于液滴冻结可视化实验平台，对冷铜表面液滴冻结过程进行了可视化实验研究，分析了不同冷表面预设温度下液滴过冷度和液滴冻结时间的变化规律以及液滴体积对液滴冻结时间的影响。实验结果表明:在液滴冻结过程中，液滴内部固-液相界面呈现出凹界面特性;在表面张力和固-液相界面的凹面特性的共同作用下，液滴完全冻结后会在其顶部形成明显的乳状凸起;液滴冻结前期固-液相界面的推移速度较快，冻结速度较快，随着时间的推移，固-液相界面的推移速度逐渐减小，致使冻结速度减小;随着冷表面温度的降低，液滴冻结所需要的过冷度不断增加。研究发现了临界过冷度的存在，约为-12℃，适当增加液滴的临界过冷度可延缓其冻结过程。液滴冻结时间主要取决于液滴过冷时间，液滴过冷时间受冷表面温度的影响较大;液滴体积对液滴过冷时间的影响并不是单调的。

液滴冻结过程的演变规律

选取的实验工况为:空气温度Ta=15.0℃，空气相对湿度φ=40.0%，空气流速u=0.650 m●S—1，液滴体积V=15.0μL，冷表面(预设)温度Tw=—29.5℃。

根据晶体生长理论可知，晶体的生长过程实际上就是晶体-流体界面向流体中的推进过程，可以看作是固-液相界面向液相区中推进的过程，固-液相界面并不是平坦的界面，而是具有一定弧度的凹界面。冷表面液滴的冻结过程如图1所示。随着固-液相界面的推进，液相区的质量不断减小，相变过程中密度变化引起体积增大的效果在未冻结的液相区不断累积，导致液滴发生变形，最终在液滴顶部形成一个明显的乳状凸起;液滴冻结过程中，早期液滴形状的变化仅体现在高度方向上，而整体仍保持为半球形，如图2所示。

图1冷表面液滴冻结的演变过程

关于液滴在冻结完成后顶部形成乳状凸起的现象，王皆腾等认为固-液相界面是因为液滴的形状而呈现出凹曲面的分布特性，而且液滴两侧的冻结速度大于中心区域，这导致液滴的变形出现在液滴顶部。根据晶体生长理论，从界面张力的角度出发，弯曲界面上的界面张力将导致垂直于界面的附加力的出现，使得弯曲界面两侧的压强不等，即产生界面压强。这意味着界面张力有使界面面积缩小的倾向，凹曲面会产生向上的附加压强，促进固-液相界面向上的推移过程，固-液界面为凹面时比平面更加有利于液滴的凝固。由于固-液相界面为凹曲面，在其向上的推移过程中，密度变化引起体积膨胀的效果会在液滴上部液相区不断累积，表现为液滴高度的增加，最终在表面张力的作用下，液滴顶部会形成明显的乳状凸起，如图2所示。

图2液滴冻结过程中的形状变化过程

图3液滴固相体积分数随时间的变化曲线

为探究液滴冻结过程所遵循的动力学规律，即固-液相界面推进的动力学规律，拟采用固相体积分数的变化来模拟固-液相界面的推进过程。为了便于液滴固相体积分数的计算，假定液滴始终保持半球状，通过测量液滴的高度和宽度来确定液滴不同时刻时的固相体积分数，液滴固相体积分数随时间的变化曲线如图3所示。在不同冷表面(预设)温度的条件下，伴随着液滴的冻结，初期固相体积分数增长迅速，几乎呈现线性增长趋势，但随着时间的推移，增长速率逐渐变缓;通过纵向对比可知，冷表面(预设)温度越低，固相体积分数的增长速率越快，液滴冻结所需的时间越短。液滴冻结初期固-液相界面推进速度较快一方面是因为铜板的导热热阻较小，另一方面则是由于液滴与铜板的接触面积相对较大，但是随着时间的推移，冰晶的形成在增加了传热热阻的同时也减小了液相与低温固相的接触面积，导致换热效果变差，固-液相界面推进速度减慢。随着冷表面(预设)温度的降低，固-液相界面的推进速度增加，液滴的冻结时间缩短。这是由于冷表面与过冷液滴之间的温差增大，液滴单位时间内的换热量增加，导致固-液相界面推进速度增加，液滴冻结时间缩短。

基于液滴冻结可视化实验平台，本文对冷铜表面液滴的冻结过程进行了可视化实验研究，利用固相体积分数的变化来描述液滴冻结的演变过程，获得了液滴内部固-液相界面的动态变化特性和液滴形变的变化规律，并在此基础上分析了液滴过冷度和液滴冻结时间的变化规律。得到如下主要结论。

液滴冻结过程中，液滴内部固-液相界面呈现凹界面特性。由于凹界面的存在，液滴密度变化引起的膨胀变形体现为液滴高度的增加，在表面张力的作用下，液滴顶部会形成明显的乳状凸起;液滴冻结前期，冻结速度较快，而后随着时间的推移冻结速度逐渐减小;冷表面温度越低，液滴冻结越快。