低温罩表面结霜过程数值模拟

　　1引 言

　　大气层和外层空间物体的红外辐射特征一直都是目标探测、跟踪、识别和遥感的有效手段，在当前空间技术研究中受到广泛关注。目标物体的红外辐射包括表面热辐射和表面反射的环境辐射，其中表面热辐射取决于表面温度，通过在其表面增加低温罩可以有效地降低表面温度，减小表面红外辐射强度^[1]。但是在大冷量下降物体表面温度，在大气层中必然会导致表面水汽凝结出现结霜。结霜会使低温罩的热传导性能变差，内部热量传递会导致低温罩表面温度升高，红外辐射强度增加。同时，霜层红外发射率与金属发射率差异较大会造成结霜前后目标红外辐射能量的差别，严重影响对目标物体的红外辐射强度控制。例如，50℃下抛光且未氧化时铝的发射率为0.02，而轻微氧化后为0.2，严重氧化时可达0.45，但发生结霜后，-10℃的霜对波长为(8～14)μm的红外线发射系数高达0.98。

　　因此有必要对目标物体低温罩的结霜过程及其影响因素进行研究，为采取有效方法控制结霜提供依据。目前对结霜问题的研究很多^[2~4]，主要围绕着霜层内传热传质的研究。一般而言，对壁面温度和环境气流存在较小温差的情况，水蒸气通过分子扩散和紊流扩散过程传输到冷表面。如果二者存在较大温差，水蒸气可能在壁面附近凝结或雾化，颗粒间的碰撞和表面对颗粒的吸收成为结霜的主要机理。而当壁面温度极低时，水蒸气成为小冰粒形成霜层，并且由于热扩散这些冰粒而逐渐向冷表面迁移，导致霜层密度增加。

　　在霜层生长过程中，表面温度随时间和空间位置发生变化，表面水蒸气分压力也随之变化，这将改变热边界层和扩散边界层的结构，从而导致传热传质速率随时间和空间位置的变化。

　　2低温罩表面结霜模型

　　2.1模型的建立

　　低温罩在加注低温液体时，液体会大量蒸发汽化，初始阶段主要是将低温罩整体从室温冷却到可以贮存低温液体的温度，随着低温罩温度的降低，壁面处于结露状态，出现水珠并很快冻结，初始结晶开始在冰珠上生长，初始霜晶都是沿纵向生长，霜层增长速率较快。随着霜层的增厚，霜层表面温度升高，局部霜晶末端开始回融，所以霜层纵向生长速率减缓，主要是霜层密实化。当霜层增厚到一定程度，霜层表面温度升高到三相点温度附近，霜层表面开始大面积回融，这是新生长的霜晶回融后，渗透到霜层内部。研究结霜层对低温罩表面温度的影响，必须要研究霜层物性，计算结霜厚度、表面温度。

　　由于霜层的多孔性，空气中水蒸气在压力作用下不断向冷表面移动并凝结的传质过程分为两部分，一部分水蒸气在霜表面直接凝结从而增加霜层的厚度，另一部分水蒸气渗入霜层内部用来增加霜层的密度;在霜层表面，传热过程包括由温差引起的空气与霜层之间的热交换和质传递以及水蒸气凝结所释放的潜热，霜层表面温度即可通过该能量平衡关系来确定。