近日,第七届全国结冰与防除冰学术会议召开。会议汇聚了航空航天、能源电力、材料科学、流体力学及低温工程等方向的专家学者,围绕航空器结冰、防覆冰材料、液滴动力学、相变传热以及极端环境装备防护等热点议题展开深入交流。

近年结冰研究关注热点逐步从结冰厚度、除冰效率、覆冰形态等宏观指标转向结冰形成微观过程转向液滴撞击后的铺展行为、结晶成核、冰晶生长路径以及界面润湿状态演化等微观机制,旨在揭示结冰发生的物理本质。

结冰过程本质是流体动力学、传热传质、相变动力学及界面润湿行为的高度耦合瞬态过程。从液滴接触固体表面到最终冻结完成,可能经历铺展、回缩、弹跳、成核、生长以及界面失稳等阶段,时间尺度通常在数毫秒甚至百微秒内。传统观测手段难以捕捉快速演化现象,因此高速摄像机已成为结冰与防除冰实验研究的核心诊断工具。

作为深耕高速摄像技术十五年年的头部厂商,中科君达视界携千眼狼(Revealer)NEO25、NEO Mini、M Pro三大明星系列高速摄像机参展并向与会专家学者展示了高速摄像技术在结冰与防除冰研究中的典型应用。

一、结冰实验研究对高速摄像技术的新要求

结冰与防除冰实验研究中,高速摄像机主要面临以下技术挑战:

1. 高时间分辨率需求:液滴撞击、铺展、结晶成核、冰晶生长等关键物理过程发生在毫秒甚至微秒级,研究人员需要通过高速成像获得完整动态过程,以便建立可靠的物理模型。

2. 空间分辨率与工程适应性:研究常聚焦于毫米级甚至微米级的液滴、微纳结构表面或相变接触线,且实验常在低温、结雾、存在气流剪切复杂环境中进行,对高速摄像机的空间分辨率、防护性能、布设灵活性提出了严苛的要求。

3. 多维度表征需求:研究不仅关注液滴形态变化,研究还希望同步关联力、热、电信号,将高速图像数据与传感器数据同步分析,为多物理场耦合模型提供实验支撑。

二、千眼狼高速摄像技术解决方案

针对上述需求,千眼狼(Revealer)高速摄像机产品与技术围绕时间分辨率、工程适应性、数据协同性提供多维度技术支撑:

1. 核心能力: NEO系列超高速摄像机具备全画幅下25000帧/秒采集能力,G Pro系列高分辨率高速摄像机可提供2100万像素下1000帧/秒采集,NEO Mini、M Pro迷你小尺寸高速摄像机则兼顾高灵敏度和布设灵活性,精准覆盖从液滴宏观弹跳到微观冰晶生长的不同时间尺度观测需求,其配备的高灵敏度和低噪声传感器,确保为弱光信号下的清晰成像。

2. 数据协同:高速摄像机均支持外部信号触发与精确时间戳(IRIG-B),支持集成至多通道数据采集系统中,实现高速视觉与力、热、电信号的纳秒级同步,为建立多物理场耦合模型提供关键实验数据。

三、典型案例解析

1. 超疏水表面液滴冻结过程的可视化研究

广西大学研究团队致力于揭示超疏水材料表面液滴的结冰动力学机制。实验重点需捕捉一个毫米级液滴在低温超疏水表面上的完整冻结过程,尤其是结晶成核瞬间、冰晶扩展机制。

针对成核瞬态捕捉难点,研究人员采用千眼狼(Revealer)S1315高速摄像机,以3000帧/秒(支持全画幅15000帧/秒)记录。针对低温下镜头容易结雾和照明不足问题,采用定制化的恒温防护罩和高亮度LED点光源,且水平布置,使镜头光轴与超疏水样品表面平行,以便清晰呈现液滴侧视轮廓及固-液界面处的细节。

高速序列图像清晰呈现了液滴内部冰核形成、冰晶生长以及整体冻结三个阶段的演化过程。实验结果表明超疏水表面不仅能够延缓结冰时间,而且会改变冰晶扩展路径和冻结模式,高速摄像机采集的序列图像使研究人员能够从过程层面理解超疏水结构对结冰行为的调控机制,为后续防冰材料设计提供了实验依据。

2. 润滑液注入表面防冰机制研究

重庆大学研究团队关注防冰材料优化设计,如润滑剂注入某新型树枝状多孔结构表面(Y-SLIPS),在实际使用过程中不断迁移和损耗,其防冰性能能否长期保持,取决于润滑剂在表面内部的动态演化规律。

为研究这一问题,团队引入千眼狼(Revealer)高速摄像技术,利用M系列高速摄像机,以2000帧/秒记录液滴撞击、铺展、滑移至脱落的轨迹,并通过图像处理计算接触角之后与润滑膜完整性。

在模拟覆冰环境中喷雾液滴在Y-SLIPS表面运动实验中,千眼狼(Revealer)M高速摄像机记录液滴在未处理表面、Y-SLIPS表面撞击→聚集→滑落过程。证实了特定树枝状结构可显著延长润滑剂使用寿命,为长寿命SLIPS表面设计提供了图像证据。

3. 液滴润湿高温表面自由界面大变形过程研究

华北电力大学研究团队研究液滴撞击120°C高温加热基板的润湿、沸腾及自由界面大变形过程,涉及复杂的热-流-固耦合效应。实验过程中,采用高速摄像机连续记录液滴接触高温表面后的界面演化过程,对液滴铺展、回缩以及自由界面大变形行为进行全过程观测。借助高速成像获得的高时间分辨率图像,研究人员得以精确提取液滴轮廓变化、接触线运动以及自由界面动态响应等关键参数。

实验结果表明,高温边界条件显著改变了液滴润湿行为与界面演化规律。液滴在铺展过程中受到热毛细效应、蒸发传热以及表面张力共同作用,其自由界面呈现出复杂的大幅度动态变形特征。高速影像不仅清晰揭示了界面形态演变过程,也为建立液滴撞击高温表面传热模型提供了重要实验依据。

四、结语

结冰与防除冰研究正加速向界面物理、相变动力学、多尺度传热传质及复杂环境耦合机理方向发展。大量关键过程发生在毫秒甚至微秒尺度,传统测试手段难以揭示其演化机制。千眼狼(Revealer)高速摄像技术凭借高时间分辨率与瞬态过程可视化能力,为液滴撞击、结晶成核、冰晶生长及界面演化等研究提供关键证据链。随着高速成像与PIV、DIC、红外热测量等多物理场测量技术融合,全场、多物理场同步诊断将成为结冰与防除冰研究的重要发展方向。