超声波作用下液滴冻结过程及规律研究

摘要

目前，世界上大约50%的人口生活在缺水严重的地区，由于人口增长，生活方式转变和水体污染等，水资源危机是人类必须克服的一大难题。相对于淡水而言，海水资源取之不尽，海水淡化作为一种开辟新水源相对成熟的技术，已成为解决缺水问题的途径之一。与其他淡化方法相比，冷冻法海水淡化具有一定的优势：对设备的腐蚀性较轻；没有结垢问题，对环境污染小；冷冻法除了重离子被沉淀外，可以保留一些人体需要的有益微量元素。
　　超声波辅助冻结技术为冷冻法海水淡化提供了一种理想的方法，有促进冰核生成、控制结晶体生长、调整冰晶结构等优点。但是，目前对超声波强化液滴冻结的机理尚不清楚。因此本文通过对水结晶基础理论和超声空化理论的认知，总结国内外超声波对过水冻结过程影响的研究进展，模拟液滴在超声波作用下的冻结过程，并通过设计的实验台对超声波下液滴的冻结进行观察研究，通过模拟和实验结果，分析超声波对液滴冻结过程的影响机理，主要内容如下：
　　1.从微观角度分析液滴冻结过程，在能量平衡及超声波理论的基础上，推导了超声波作用下液滴界面处传质的关系式，分析了液滴温差变化和超声波参数的关系。分析表明：超声波加强了液滴与外界环境的传质，超声波作用下形成的空化气泡是有助于液滴表面的传热传质；空化气泡直径和数量均可以影响液滴的冻结时间。
　　2.搭建超声液滴冻结显微观测实验台，对超声下液滴冻结过程进行微观观测。通过实验，了解超声波作用下液滴冻结的特点。通过对比不同参数下的实验结果，发现改变超声波的功率和频率均可以改变液滴的冻结时间，且改变超声波频率较比改变超声波功率更利于液滴的冻结。
　　3.通过建立液滴冻结过程的CFD模型，基于fluent平台对液滴在超声波作用下的冻结过程，通过对不同条件下的液滴冻结过程进行模拟，得到所对应的不同的数值模拟结果，通过对比结果，因此可以得到结论，较小液滴半径对冻结比较有利；较低的初始温度可以减少降温过程的延续时间和减小液滴内部温度梯度，更有利于减少冻结时间；液滴绕流气流速度越大，液滴冻结时间就越短。同时，在冰冻结发展阶段，撤去超声波作用不仅可以增加液滴冻结速率，还可节省超声波的能源消耗。
　　本文对超声波作用下液滴冻结过程的研究，有助于深入理解超声波辅助冻结的作用机理，明确超声波作用下液滴的冻结规律，为超声波辅助冻结的深入推广和应用提供了基础和参考。

目录

声明

致谢

变量注释表

1绪 论

1.1国内外已有的溶液冻结方法（The existing solution freezing method at home and abroad）

1.2 超声波对溶液及液滴冻结的作用机制、处理方法以及异同（Mechanism, processing methods, the similarities and differences）

1.3 超声波作用下液滴冻结过程实验及理论方法（Experimental and theoretical methods）

1.4本文的主要工作（The main work）

2. 超声波作用下液滴冻结过程的实验研究

2.1实验系统及实验方法（The experiment system and method）

2.2实验结果及分析（Experimental results and analysis）

2.3 小结（Conclusions）

3. 超声波作用下液滴降温过程的理论分析

3.1超声波作用下液滴降温过程的理论模型（The theoretical model of droplet cooling process）

3.2液滴降温过程控制方程（Droplet cooling processcontrol equation）

3.3 小结（Conclusions）

4. 超声波作用下液滴冻结过程的CFD模拟

4.1CFD计算过程及模型介绍（CFD calculation process and the model）

4.2计算方法与主要步骤（Calculation method and main steps）

4.3FLUENT模拟分析（FLUENT simulation analysis）

4.4CFD模拟结果(CFD the simulation results)

4.5 结论（Conclusions）

5. 总 结

5.1 结论（Conclusions）

5.2 展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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