一种过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法

技术领域

本发明涉及过冷液体再辉技术领域，具体涉及一种过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法。

背景技术

过冷液体凝固的现象在各个尺度随处可见，在众多的自然现象和工程科技中有着重要作用。

过冷液体的凝固可以分为五个过程，液体降温、成核、再辉、凝固、固体冷却。液体降温过程中，液体被冷却到过冷状态，直到结晶速率足够大到启动成核-再辉过程。成核过程是再辉过程启动的扳机，在该过程中形成了稳定的晶核从而启动了液体的结晶。再辉过程是动力学控制的结晶过程，实验观测显示该过程形成均匀的固相液体混合物并从成核位点迅速生长至全部液体；在此过程中，相变潜热部分释放使得温度从过冷状态上升至相变温度。凝固过程中，固液混合物在相变温度并逐步完全冻结。在液体完全冻结后，固相的温度开始再一次下降直至与环境温度一致。在上述过程中，再辉过程的结果对后续冻结过程至关重要，尤其是再辉过程中时的固相的质量分数，直接决定了后续结固相所需吸收的热量。然而，当前再辉过程中时的固相的质量分数测量方法适用范围有限，无法满足技术发展对更高精度，更大过冷度范围仿真的需求。如高空中过冷液滴就处于零下四十度的高过冷度环境中在和飞机的碰撞中结冰，当前仿真方法的过冷度带来的局限与失真阻碍了对飞机结冰现象的深入研究。再比如多元合金的过冷凝固过程与其性能有较大关联，初生相分数在提高合金强度方面起着至关重要的作用，而当前相分数测量方法的误差会导致人们对相分数与性能关联性研究的偏差，并最终导致对合金性能预测的偏差。

综上，现有技术中存在由于过冷度的计算适用范围窄和固相的质量分数的计算精度不高导致的飞机结冰仿真精度低、合金性能预测偏差大的缺陷。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，解决了增大过冷度的计算适用范围和提高固相的质量分数的计算精度，进而使飞机结冰仿真精度提升、合金性能预测偏差减小的问题。

本发明提供了一种过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，包括如下步骤：

步骤S1.在过冷液体的再辉过程中，通过测温装置测量与计算获取当前时刻的过冷液体的过冷度ΔT；

步骤S2.通过电平衡加热法实验获取过冷液体的标准潜热L，结合过冷液体的比热C

其中，i指过冷液体的固相。

进一步地，步骤S2中的所述过冷度-固相质量分数函数，通过以下步骤获得：

步骤A1.建立过冷液体的能量守恒方程：

ΔPE

其中，ΔPE

步骤A2.建立过冷液体的相变潜热ΔPE

ΔPE

步骤A3.建立相变潜热被固液两相吸收所带来的固相的分子动能的增加ΔKE

步骤A4.建立过冷液体的内能增加ΔU

步骤A5.将式(2)、式(3)和式(4)代入式(1)得到：

进一步得到：

最终得到过冷度-固相质量分数函数：

其中，

进一步地，步骤S2中的所述通过电平衡加热法实验获取过冷液体的标准潜热L具体包括：

步骤B1.将凝固后的固体材料试样置于相变温度下的固液混合物中，将固体材料试样的温度稳定在固体材料的相变温度T

步骤B2.将固体材料试样取出放入保温的液体中，固体材料试样吸热融化，液体放热降温，根据液体温度采用第j次实验中恒定功率P

步骤B3.计算得到第j次实验中固体材料试样的焓升为：

h

其中，q

步骤B4.上述过程重复步骤B1～B3三次，记录第j次试验中液体温度T

步骤B5.根据h

根据h

根据T

L＝h

进一步地，步骤S1中的所述通过热成像仪测量与计算获取当前时刻的过冷液体的过冷度ΔT具体包括：在过冷液体的再辉过程中，通过热成像仪测量获取当前时刻的过冷液体的温度T

与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

(1)本发明的过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，采用由分子动能公式推导得到的式(3)计算固相所吸收的潜热带来的动能提升即温度提升，从而避免了用液体的比热计算固相所吸收的潜热带来的误差，计算精度高。

(2)本发明的过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，进一步通过能量守恒方程即式(1)推导得到了再辉过程中固相的质量分数与过冷度的函数关系式即式(5)，适用于较大的过冷度范围。

(3)本发明的过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，能够满足更高精度、更大过冷度范围仿真与计算的需求。

(4)本发明得到更为精确的再辉固相质量分数可以在飞机防除冰领域帮助人们更为精确地预测积冰与结冰情况，从而更为高效地控冰除冰。同时也可以在金属制造领域帮助人们更为准确地预测金属初生相分数，从而更为精准地控制金属性能。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明公开的过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法的流程图；

图2为本发明公开的过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法中能量变化的示意图；

图3为本发明公开的过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法的实例1水结冰再辉结束时刻的冰的质量分数的计算结果图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

固相在再辉过程中温度上升所吸收的热量要远小于液体温度上升所能吸收的热量，这导致现有的再辉过程中任意时刻固相质量分数的测量方法直接用液体的比热估计潜热，高估了再辉过程中所能释放出的潜热，因此现有方法仅能适用于低过冷度的条件且有一定误差。而自然现象中的过冷度极易达到30度以上，因此现有再辉过程中时的固相的质量分数测量方法适用范围有限，无法满足技术发展对更高精度，更大过冷度范围仿真的需求

本发明公开了一种过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，包括如下步骤：

步骤S1.在过冷液体的再辉过程中，通过测温装置测量与计算获取当前时刻的过冷液体的过冷度ΔT；其中，示例性地，测温装置选择热成像仪。

步骤S2.通过电平衡加热法实验获取过冷液体的标准潜热L、过冷液体的比热C

具体来说，步骤S1中的通过热成像仪测量与计算获取当前时刻的过冷液体的过冷度ΔT具体包括：在过冷液体的再辉过程中，通过热成像仪测量获取当前时刻的过冷液体的温度T

步骤S2中的通过电平衡加热法实验获取过冷液体的标准潜热L具体包括：

步骤B1.将凝固后的固体材料试样置于相变温度下的固液混合物中，将固体材料试样的温度稳定在固体材料的相变温度T

步骤B2.将固体材料试样取出放入保温的液体中，固体材料试样吸热融化，液体放热降温，根据液体温度采用第j次实验中恒定功率P

步骤B3.计算得到第j次实验中固体材料试样的焓升为：

h

其中，q

步骤B4.上述过程重复步骤B1～B3三次，记录第j次试验中液体温度T

步骤B5.根据h

根据h

根据T

L＝h

步骤S2中的过冷度-固相质量分数函数，通过以下步骤获得：

步骤A1.建立过冷液体的能量守恒方程：

ΔPE

其中，ΔPE

步骤A2.建立过冷液体的相变潜热ΔPE

ΔPE

步骤A3.建立相变潜热被固液两相吸收所带来的固相的分子动能的增加ΔKE

步骤A4.建立过冷液体的内能增加ΔU

步骤A5.将公式(2)、公式(3)和公式(4)代入公式(1)得到：

进一步得到：

最终得到过冷度-固相质量分数函数：

其中，

为了说明本发明所提方法的有效性，以下通过一个具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明，具体实施例如下：

实施例1水结冰再辉过程中的质量分数计算

依照过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，获取水的标准潜热L约为333.6J/g，水的比热C

表1本发明方法及现有方法对在不同过冷度ΔT下冰的质量分数的计算结果对比

实施例2金属铝再辉过程中质量分数计算

依照过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，测得金属铝的标准潜热L约为396J/g，液态金属铝比热C

表1本发明方法及现有方法对在不同过冷度ΔT下固态金属铝的质量分数的计算结果对比

与现有技术相比，本发明的过冷液体再辉过程中固相的质量分数的测量方法，采用由分子动能公式推导得到的式(3)计算固相所吸收的潜热带来的动能提升即温度提升，从而避免了用液体的比热计算固相所吸收的潜热带来的误差，计算精度高；进一步通过能量守恒方程即式(1)推导得到了再辉过程中固相的质量分数与过冷度的函数关系式即式(5)，适用于较大的过冷度范围；能够满足更高精度、更大过冷度范围仿真与计算的需求；得到更为精确的再辉固相质量分数可以在飞机防除冰领域帮助人们更为精确地预测积冰与结冰情况，从而更为高效地控冰除冰。同时也可以在金属制造领域帮助人们更为准确地预测金属初生相分数，从而更为精准地控制金属性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。