Исследование процесса образования льда на горизонтальной охлажденной пластине

В горизонтальном слое воды с двумя жесткими границами изучен процесс образования льда на монотонно охлаждаемой пластине. Экспериментально измерены распределения температуры по высоте слоя. Измерения выполнены термометрами сопротивления, дающими усредненные в горизонтальной плоскости значения температуры на заданных уровнях. Обнаружено переохлаждение воды почти до -4°С. Установлено, что процессу образования гладкого прозрачного слоя льда предшествует образование дендритов в слое толщиной около 4-5 мм вблизи верхней холодной границы. В слое толщиной 33,7 мм обнаружено ослабление интенсивности конвективного течения при охлаждении воды до температуры ниже 4°С. Измерена скорость роста толщины слоя льда. Слой воды заданной толщины находился в полости с горизонтальными размерами 240 * 240 мм. Горизонтальные границы слоя состоят из массивных медных пластин. Начальная температура системы была 25,4 °С. В начальный момент времени включалось охлаждение нижней границы до 6 °С. Верхняя граница охлаждалась прокачкой теплоносителем из криотермостата с установкой нижнего предела -15 °С. Скорость охлаждения всей системы на начальном этапе составляла 0,2 °С/мин. За счет слабого подогрева снизу в слое воды в течение первых 150 мин наблюдалось конвективное течение. В режиме рэлей-бенаровской ячеистой конвекции формируется профиль температуры с обратным градиентом в центральной части по высоте слоя. При достижении значения температуры на верхней границе 4 °С конвективное течение практически исчезало. Под холодной верхней границей при дальнейшем охлаждении формируется все более толстый слой устойчиво стратифицированной жидкости. Процесс кристаллизации при данной высоте слоя начинается при практически отсутствующем конвективном течении.

термогравитационная конвекция, нестационарное поле температуры, переохлаждение воды, образование льда

1. Stefan J. Uber die Theorie der Eisbildung, insbesondere uber Eisbildung im Polarmeere // Ann. Physik. 1891. 3rd Ser. Vol. 42. P. 269-286.

2. Christopher R. Ellis, Heinz G. Stefan, Ruochuan Gu. Water temperature dynamics and heat transfer beneath the ice cover of a lake // Limnology and Oceanography. 1991. Vol. 36 (2). P. 324-335.

3. Lepparanta M. A review of analytical sea ice growth models // Atmosphere - Ocean. 1993. Vol. 31 (1). P. 123-138.

4. The Thermal Structure of a Shallow Lake in Early Winter // M.P. Petrov, A.Yu. Terzhevik, R.E. Zdoroven-nov, G.E. Zdorovennova // Water Resources. 2006. Vol. 33. № 2. P. 135-143.

5. Measurements and modelling of the water - ice heat flux in natural waters // Proceedings of the 18th IAHR International Symposium on Ice. 2006. P. 85-91.

6. Roy S. Free convection in liquids under maximum density conditions // Indian J. Phys. 1972. Vol. 46. № 6. P. 245-249.

7. Gebhart B., BendellM.S., Shauleatullah H. Buoyancy-induced flows adjacent to horizontal surfaces in water near its density extremum // Int. J. Heat Mass Transfer. 1979. Vol. 22. P. 132-149.

8. Робиллар Вассер. Нестационарный теплообмен при естественной конвекции воды с учетом эффектов максимума плотности и переохлаждения // Теплопередача. 1981. № 3. С. 149-156.

9. Инаба Фукуда. Экспериментальное исследование свободной конвекции в заполненной водой наклонной прямоугольной полости при температурах, соответствующих окрестности экстремума плотности // Теплопередача. 1984. № 1. С. 107-114.

10. Зубков П.Т., Климин В.Г. Численное исследование естественной конвекции чистой воды вблизи точки инверсии плотности // МЖГ. 1999. № 4. С. 171-176.

11. Александров Д.В., Низовцева И.Г. Нестационарная кристаллизация воды с двухфазной зоной при турбулентных и нетурбулентных граничных условиях // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Физ.-мат. науки. 2010. № 1. С. 133-142. 1 2. Тепловизионные исследования ламинарно-турбулентного перехода в Рэлей-Бенаровской конвекции / B.С. Бердников, В.А. Гришков, К.Ю. Ковалевский, В.А. Марков // Автометрия. 2012. Т. 48. № 3. С. 111-120.

12. Berdnikov V.S., GetlingA.V., Markov V.A. Wavenumber selection in Rayleigh-Benard convection: Experimental evidence for the existence of an inherent optimal scale // Exper. Heat Transfer. 1990. Vol. 3. P. 269-288.

13. Бердников В.С., Марков В.А. Теплопередача и статистические характеристики поля температуры в горизонтальном подогреваемом снизу слое жидкости // Изв. АН БССР. Сер. Физ.-энерг. науки. 1986. № 1. C. 96-102.