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冰的熔化科学实验原理
冰的熔化科学实验原理涉及到热传导和相变的原理。
冰的熔化过程是一个相变的过程，也即固体向液体的相变。
相变过程中的热量传导是实现熔化的关键。
当冰受到外界加热时，冰内部的分子开始获得更多的热能。
这些热能使得冰内部分子的振动变得更加剧烈。
当冰的温度达到冰的熔点时，分子内部的相互作用力变得较弱，分子之间的稳定结构开始崩溃。
在冰的表面，受到加热的冰开始融化，并形成液态水。
由于液态水的分子之间的相互作用力较弱，分子开始自由移动，形成液体的流动状态。
熔化过程中的热量传导是通过分子之间的相互碰撞和传递来实现的。
当冰的温度较高时，热能会从高温区域向低温区域传递，导致冰的整体温度升高，直到完全融化为止。
总之，冰的熔化科学实验原理主要包括加热引起冰内部分子振动剧烈、分子间的稳定结构崩溃、形成液态水并流动，以及热量传导导致冰的整体温度升高等过程。
冰盘管凝固过程传热特性的理论研究
王丽娜;杨历;杨小静
【期刊名称】《河北工业大学学报》
【年(卷),期】2007(036)003
【摘要】分析了冰盘管在结冰过程中的传热规律,建立了相应的数学物理模型,并用摄动方法对其进行了近似分析求解,得到蓄冷过程中冰层内的温度分布和冰层厚度随时间变化的计算公式,并对蓄冷期间影响蓄冷性能的参数、进行了分析,得到一些有益的结论,可为冰盘管蓄冰系统的设计提供理论依据.
【总页数】5页(P22-26)
【作者】王丽娜;杨历;杨小静
【作者单位】河北工业大学,能源与环境工程学院,天津,300401;河北工业大学,能源与环境工程学院,天津,300401;装甲兵工程学院,基础部,北京,100072
【正文语种】中文
【中图分类】TB657
【相关文献】
1.盘管式蓄冰槽盘管排列方式的传热特性 [J], 方沛明;宛超;辛天龙
2.塑料盘管应用在蓄冰槽上的传热分析 [J], 陈小平;陈子煜;范林;陆震
3.盘管式蓄冰槽传热性能研究综述 [J], 刘月琴;张元明;吕超;姜坪;张越
4.单套管相变蓄冷器凝固过程一种简单解法及其传热特性 [J], 程文龙;陈则韶;陈美英;吴广华
5.内融冰式冰盘管蓄冷槽传热性能研究 [J], 朱颖心;张雁
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相变过程与物质的热性质相变是物质在特定温度和压力下，从一种物态转变为另一种物态的过程。
相变通常包括固态、液态和气态之间的转变，这种转变伴随着物质的热性质的改变。
在本文中，我们将探讨相变的三个主要类型：凝固、熔化和汽化，并研究它们与物质的热性质之间的关系。
1. 凝固过程凝固是物质由液态转变为固态的过程。
在凝固过程中，物质的热能减少，因此凝固是一个放热过程。
当物质达到凝固点时，其分子排列有序，使得物质的粒子间距减小，形成了稳定的固体结构。
凝固过程中的能量变化可以由以下公式表示：热能变化（Q）= 质量（m）×熔化潜热（L）其中，熔化潜热是物质凝固或熔化所需的能量。
2. 熔化过程熔化是物质由固态转变为液态的过程。
与凝固相反，熔化是一个吸热过程，因为熔化过程中物质吸收了能量以克服吸引力，使其分子之间的距离增大。
熔化过程的能量变化可以用以下公式表示：热能变化（Q）= 质量（m）×熔化潜热（L）3. 汽化过程汽化是物质由液态转变为气态的过程。
与熔化类似，汽化也是一个吸热过程，因为在汽化过程中，分子间吸引力的克服需要输入能量。
汽化过程的能量变化可以用以下公式表示：热能变化（Q）= 质量（m）×汽化潜热（L）在相变过程中，物质的性质会发生显著的改变。
比如，水在0摄氏度以下会凝固成冰，而在0摄氏度以上会熔化成液态水。
同样地，在100摄氏度以下，水会沸腾转化为水蒸气。
这种相变过程的温度范围被称为相变区间或相变温度范围。
相变温度是物质独特的属性，对不同的物质而言是不同的。
此外，物质的相变过程对周围环境也产生影响。
例如，蒸发是液态物质转变为气态的过程，会从周围环境中吸收能量，使周围环境的温度降低。
相反，冷凝是气态物质转变为液态的过程，会将能量释放到周围环境中，导致周围环境的温度升高。
总之，相变过程是物质在特定条件下发生物态转变的过程。
凝固、熔化和汽化是相变的三种主要类型，它们与物质的热性质密切相关。
冰融化过程中固液共存态时的比热容嘿，伙计们！今天我们来聊聊一个有趣的话题——冰融化过程中固液共存态时的比热容。
你们知道吗？当我们把冰放到水里的时候，它会慢慢地融化，变成水。
这时候，冰和水就在一起了，但是它们的状态是不一样的。
咱们就来好好聊聊这个话题吧！我们要明白什么是比热容。
比热容是一个物质在单位质量下吸收或释放的热量与温度变化之间的关系。
换句话说，比热容就是一个物质在改变温度时需要吸收或释放的热量。
那么，冰融化过程中固液共存态时的比热容又是什么呢？咱们先来做个小实验吧。
拿一块冰块放进一杯水里，看看会发生什么。
过一会儿，你会发现冰块开始慢慢变小，最后完全融化成了水。
这时候，你会发现冰块和水的温度都是一样的。
这就是因为冰融化过程中固液共存态时的比热容比较低，所以它们会互相传递热量，使得整个系统的温度保持不变。
那么，为什么冰融化过程中固液共存态时的比热容比较低呢？这是因为冰和水的分子结构不一样。
冰是由水分子组成的，但是它的分子排列方式比较松散，所以它的密度比较小。
而水分子则是紧密排列在一起的，所以它的密度比较大。
当冰融化成水时，它的分子排列方式发生了变化，变得更加紧密。
这样一来，冰和水的密度就变得相近了，所以它们之间的传热效率就会降低。
当然啦，冰融化过程中固液共存态时的比热容还跟其他因素有关系。
比如说，冰融化的速度就会受到环境温度的影响。
如果环境温度比较高，那么冰融化的速度就会比较快；反之亦然。
冰融化过程中固液共存态时的比热容还跟冰和水的质量有关。
如果冰和水的质量比较大，那么它们之间的传热效率就会降低；反之亦然。
冰融化过程中固液共存态时的比热容是一个很有趣的现象。
它不仅让我们了解到了物质在改变温度时需要吸收或释放的热量，还让我们明白了为什么冰融化成水时会变得温暖。
所以，下次当你看到冰块融化成水的时候，不妨停下来想想这个有趣的现象吧！。
固－液相变传热强化过程研究进展郭茶秀，刘树兰（郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001）摘要：相变热控技术是从20世纪60年代航天热控技术演变而来，通过相变将热量储存或释放从而达到控制温度的目的。
但是由于部分相变材料的导热系数低，使系统的储能和释能时间增加，不利于有效控制系统的温度。
这种系统只适用于功率不高且功率周期性变化的场所，针对这个问题，国内外学者进行了大量研究，文章对近几年国内外强化相变传热的大量研究进行了综述。
介绍了三种主要的强化传热方法，分别是泡沫金属、金属固体和金属翅片、膨胀石墨。
并探讨了强化相变传热中存在的问题。
关键词：相变；强化传热；综述Review on Intensifying Heat Transfer of Phase ChangeGUO Cha －xiu ，LIU Shu －lan（Chemical Industry and Energy Institute ，Zhenzhou University ，Henan Zhengzhou 450001，China ）Abstract ：Thermal control of phase change evolved from the space thermal control technology of 1960s．It was a process of storing and releasing the heat by phase changing because the thermal control system didn't have heat conduction device ，when the melting process finished ，temperature would soar ，and the protection to electronic devices became inva-lid ，so this system was used for little power or the power change cyclical ，and for high power electronic devices ，the key was to add high thermal conductivity material in the phase change device to strengthen heat transfer or to be used together with other radiator．Aim at this problems ，researches to strengthen the phase change of heat transfer were reviewed at home and abroad in recent years．The three methods were analyzed ，including adding foam metal ，solid metal and metal fins ，and expanded graphite．At the same time ，the problems existing in enhancing phase change were discussed．Key words ：phase change ；heat transfer strengthen ；summarize作者简介：郭茶秀（1974－），女，博士，副教授，主要从事太阳能研究与利用。
固液相变中的热力学分析热力学是研究热能和其他形式能量转化及其关系的科学领域。
在物理、化学、生物等领域中都有应用。
固液相变是一个重要的热力学现象，具有广泛的应用价值和重要的科学意义。
本文将从热力学分析的角度探讨固液相变的相关知识。
一、固液相变的定义固液相变是指物质在温度升高或降低的过程中，从固态转化为液态或从液态转化为固态的过程，同时伴随着内能、熵、焓的变化。
在固液相变中，物质的内能会发生明显的改变，这是由于分子的排列结构改变所致。
在固液相变的过程中，固体向液体转化时需要吸收热量，而液体向固体转化时需要释放热量。
因此，固液相变的热学性质与热能有关。
二、固液相变的热力学分析固液相变的热学性质包括热容、热焓、熵等。
其中，热焓是指物质在相变过程中吸放热量的总量，可以用下式表示：△H = H(液) - H(固)其中，△H表示固液相变时的焓变化，H(液)和H(固)分别代表固液相变前后系统的总焓。
在固液相变过程中，由于需要吸收或释放热量，因此其热容也会发生变化。
另外，固液相变还会对熵产生影响。
熵是描述物质无序程度的物理量，它与分子的排列有关。
在固液相变的过程中，分子的排列结构发生改变，因此熵也会发生变化。
具体来说，固液相变时，熵减少。
三、固液相变的热力学计算固液相变的吸放热量可以通过实验测定得到。
例如，在冰融化的过程中，需要吸收热量，这部分热量称为融化热。
融化热可以通过实验测定来确定。
以冰的融化为例，其融化热的定义如下：L = Q/m其中，L表示融化热，单位为J/g；Q为吸收的热量，单位为J；m为固体质量，单位为g。
根据融化热的定义式，可以计算出实验测得的融化热的数值。
根据热力学的基本原理，可以对固液相变的热力学数据进行计算，从而进一步研究固液相变的规律和性质。
此外，固液相变还可以通过热力学的数学模型来研究。
四、固液相变的应用固液相变在生产和生活中有着大量的应用。
例如，利用冰的融化热来制冷、制热等；利用固液相变储热来进行太阳能、风能、地热能等再生能源的利用；利用固液相变进行制剂制备等。
物质的固液相变过程及其热力学特性分析相变是物质从一种状态转变为另一种状态的过程，在自然界中非常常见。
其中，固液相变是指物质由固态转变为液态，或由液态转变为固态的过程。
固液相变的研究对于理解物质的性质以及工业应用具有重要意义。
在本文中，我们将探讨固液相变的过程以及相关的热力学特性。
固液相变的过程与物质的分子结构和相互作用有关。
首先，让我们来了解固态和液态的基本特性。
固态的物质具有定型的分子排列方式和规则的晶格结构，分子之间的相互作用力较强。
液态的物质则是分子没有明确的排列结构，分子间的相互作用力弱一些。
当固态物质受到外部条件的改变，如温度或压力的变化时，就会发生固液相变。
在固液相变的温度-时间图中，我们可以看到一个特殊点即固液相变点。
相变点取决于物质的性质，不同的物质有不同的相变点。
比如，水的相变点是0摄氏度。
当温度降低到相变点以下，固态的水会逐渐融化成液态。
通过添加热量，我们可以提高水的温度，使其回到液态。
固液相变的热力学特性可以通过物质的熔解热来描述。
熔解热是指固体物质在熔化过程中所吸收的热量。
固体物质在相变点处，吸收的热量转化为分子的动能，使得物质的分子从有序的位置变得无序，从而使固体物质熔化成液态。
物质的熔解热是一个物质固液相变的重要热力学参数，它与物质的结构、物态以及相变点有关。
熔解热可以通过测定固液相变的温度变化和所吸收的热量来计算。
实验上，我们可以使用差热分析仪来测量。
在固液相变过程中，当温度达到相变点时，物质的温度将保持不变，直到固体完全熔化为止。
这是因为相变过程中吸收的热量被用于改变分子的状态，而不是提高温度。
通过测定这一温度变化和相变过程中所吸收的热量，我们可以计算出物质的熔解热值。
物质的熔解热是一种重要的热力学特性，对于工业生产和科学研究具有重要意义。
例如，在工业中，通过控制和利用固液相变的热力学特性，可以实现金属材料的熔化和凝固，从而制备高纯度的金属产品。
此外，熔解热还可以用于制冷和加热设备的设计与优化，以提高能源利用效率。
固液相变蓄能的数学模型和有效导热系数的研究固液相变蓄能是一种有效节能技术，它可以将外界的热量储存起来，在需要的时候释放出来，从而大大降低能源消耗。
本文将从数学模型和有效导热系数的研究入手，以《固液相变蓄能的数学模型和有效导热系数的研究》为标题，探讨固液相变蓄能的机理和关键技术。
1.学模型固液相变蓄能是一种节能存储技术，利用物质的固液物相变过程，将外界的热量储存起来，再根据需求释放出来。
因此，建立一个准确的数学模型，来描述固液相变热蓄能的储存与释放的过程，对于研究固液相变蓄能具有重要意义。
已有的研究报告，广泛使用笛卡尔坐标系，将固液相变蓄能系统定义为一个二维等压面上的封闭系统，该系统可以根据温度变化，通过体积变化来调控物体的热能存储与释放。
研究者根据这种数学模型，以及一些附加参数，建立了一系列的计算模型，以便于描述固液相变蓄能在不同温度范围内的储存和释放情况。
2.效导热系数有效导热系数的重要性在于它决定了固液相变热蓄能的性能参数，特别是储能效率，因此其研究具有重要意义。
就有效导热系数而言，它可以直接反映固液相变热蓄能材料的热性能。
目前，对于有效导热系数的研究，一般是针对不同材料，在不同温度、不同物料加载率下，进行实验测定有效导热系数，以及分析有效导热系数如何与物料温度变化和物料加载率变化而变化的。
而过去的研究成果，也提供了一些用于估算有效导热系数的方法。
3.究结论从上述研究可以看出，固液相变蓄能的研究，特别是数学模型和有效导热系数的研究，对于深入探讨固液相变蓄能机理和实际应用，具有重要意义。
实验数据和模型计算所得的研究结果，可以为固液相变蓄能技术的实际应用提供重要的理论依据与技术支持，丰富固液相变蓄能领域的研究内容。
总之，固液相变蓄能的数学模型和有效导热系数的研究，对于深入探讨固液相变蓄能机理和实际应用，具有重要的意义，是未来研究的重要方向之一。
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第1篇一、实验背景物态变化是自然界中普遍存在的现象，水结冰是其中一种典型的物态变化。
水在温度降低到0℃以下时，会从液态变为固态，即结冰。
为了探究水结冰的过程和特性，我们进行了本次实验。
二、实验目的1. 观察水在不同温度下结冰的现象。
2. 探究水结冰过程中温度变化的特点。
3. 分析水结冰过程中的能量变化。
4. 了解水结冰后体积变化的原因。
三、实验原理水结冰是水分子从液态到固态的相变过程。
在这个过程中，水分子之间的相互作用力增强，使得分子排列更加紧密，从而形成固态的冰。
由于水分子在固态时排列更加紧密，因此冰的密度小于水的密度，导致水结冰后体积增大。
四、实验材料1. 烧杯（100ml）1个2. 纯净水（约50ml）3. 温度计1支4. 冰夹1个5. 透明胶带1卷6. 记录纸1张7. 铅笔1支五、实验步骤1. 将烧杯清洗干净，并用透明胶带将温度计固定在烧杯侧壁。
2. 向烧杯中加入约50ml的纯净水，用温度计测量水的初始温度，并记录下来。
3. 将烧杯放入冰箱冷冻室，每隔5分钟用温度计测量水的温度，并记录下来。
4. 观察水在结冰过程中的现象，如是否有气泡、水是否开始凝固等，并记录下来。
5. 当水完全结冰后，用冰夹取出冰块，观察冰块的外观、质地和体积变化。
6. 将冰块放入烧杯中，用温度计测量冰块的温度，并记录下来。
六、实验结果与分析1. 水结冰过程中的温度变化：实验结果显示，水在结冰过程中，温度逐渐下降，当温度降至0℃时，水开始结冰。
在结冰过程中，温度保持恒定，直到水完全结冰。
2. 水结冰过程中的现象：在结冰过程中，水表面出现气泡，这是由于水中的溶解气体在结冰过程中释放出来。
随着温度的降低，水开始凝固，形成一层薄薄的冰层。
随着冰层的增厚，水中的热量逐渐被释放，水温逐渐下降。
3. 冰块的外观与体积变化：结冰后的冰块呈现出透明、硬质的外观。
与水相比，冰块的体积增大了，这是由于水在结冰过程中体积膨胀的结果。
4. 冰块的温度：实验结果显示，冰块的温度低于0℃，这是因为冰块在结冰过程中释放了热量。
探究冰融化和水凝固时温度的变化规律的实验以探究冰融化和水凝固时温度的变化规律的实验为标题的文章一、引言冰融化和水凝固是我们日常生活中非常常见的现象。
本实验旨在通过观察和记录冰融化和水凝固过程中的温度变化，探究其规律。
通过实验的结果，我们可以更好地理解水的特性和相变过程，同时也有助于加深对分子运动和热传导的理解。
二、实验材料与方法1. 实验材料：- 冰块（约100克）- 温度计- 盛水容器- 热水壶- 实验记录表格2. 实验方法：- 实验前准备：将温度计放入盛水容器中，确保温度计的指针位于刻度的零度位置。
- 步骤一：将冰块放入盛水容器中，记录冰块的质量和容器中的水量。
- 步骤二：将温度计插入盛水容器中，记录下初始温度。
- 步骤三：观察冰融化过程中的温度变化，并记录下每隔一段时间的温度。
- 步骤四：记录下冰完全融化后的温度。
- 步骤五：将盛有水的容器放入冰箱中，等待水凝固过程，并记录下每隔一段时间的温度。
- 步骤六：记录下水完全凝固后的温度。
三、实验结果与分析1. 冰融化过程中的温度变化：通过观察和记录冰融化过程中的温度变化，我们可以得到以下结果：- 初始温度为0℃，随着时间的推移，温度逐渐上升。
- 在冰融化过程中，温度保持在0℃，直到冰完全融化为止。
- 冰完全融化后，温度开始逐渐上升。
2. 水凝固过程中的温度变化：通过观察和记录水凝固过程中的温度变化，我们可以得到以下结果：- 初始温度为室温，随着时间的推移，温度逐渐下降。
- 在水凝固过程中，温度保持在0℃，直到水完全凝固为止。
- 水完全凝固后，温度继续下降，直至达到冰点以下的温度。
四、实验讨论1. 冰融化过程中的温度变化规律：冰融化过程中，温度保持在0℃的原因是冰和水共存时处于热平衡状态。
在冰融化过程中，外界向冰提供的热量主要用于破坏冰的晶格结构，使其转化为液态水。
由于冰和水共存时的热平衡，冰融化过程中的温度保持不变。
2. 水凝固过程中的温度变化规律：水凝固过程中，温度保持在0℃的原因与冰融化过程中相同，即水和冰共存时处于热平衡状态。
科技报道相变材料蓄冷板凝固过程的传热研究杜雁霞 程宝义 贾代勇 袁艳平(解放军理工大学 南京 210007)摘 要 采用精确解法与积分近似相结合的方法,对一种自制相变材蓄冷材料充冷凝固过程的相变导热问题进行了求解。
获得了该蓄冷介质在板式蓄冷器中凝固时的相界面移动速度,边界面热流密度随时间变化的规律,及不同工况下蓄冷板厚度与预测蓄冷时间的关系。
计算结果与实验结果吻合较好。
结果表明,边界面的热流密度随固相区厚度的增加而减小;预测蓄冷时间随冷媒流体温度的降低而减小,随平板厚度的增加而增加。
关键词 热工学;精确法;积分法;相变材料;凝固;传热Study on Heat Transfer of Phase -Change Cool -Storage Slab in SolidificationDu Yanxia ,Cheng B aoyi ,Jia D aiyong ,Yuan YanpingEIEC ,PLA University of Sci .&Tech .N anjing ,210007,ChinaAbstract Accurate solution and approxim ate integral methods were applied to study the heat transfer properties of akind of ph ase -ch ange material developed in this study w hich contained in a slab enclosure during solidific ation .The movement of phase -ch ange interface ,the heat flux rate of the boundary ,and the relationship of the thickness of slab and the predicted time of solidification under different cooling conditions w ere obtained .The calculated results seem to be in good agreement w ith the experimental values .It is found that the thicker of the solid ,the smaller the heat flux rate ;the low er the temperature of the cooling liquid and the thinner of the slab ,the shorter the cool charging time .Keywords P yrology ;accurate solution ;integral method ;ph ase -change material ;s olidification ;heat transfer1引言平板式蓄冷器是相变蓄冷换热器结构的主要形式之一,对其进行传热性能分析是蓄冷器结构优化设计和进行系统蓄冷时间预测的重要前提和基础。
机械工程中的液固相变传热问题研究机械工程是一门涉及机械设备设计、制造和运用的学科。
在机械工程中，液固相变传热问题是一个重要的研究领域。
液固相变传热是指当水或其他液体在温度变化时从液态转变成固态或反过来，热量的传递。
液固相变传热问题在许多实际应用中起着至关重要的作用。
例如，在冷冻和冷却过程中，液体的结冰现象会产生大量的热量。
理解和控制液固相变对于优化冷冻和冷却系统的效率、延长设备的使用寿命以及减少能源消耗至关重要。
在液固相变传热问题的研究中，研究者们通常会关注以下几个方面：相变界面的形态演变、传热速率、热传导性、相变时的温度变化等。
首先，相变界面的形态演变是液固相变传热问题中一个重要的研究方向。
相变界面是指液态和固态之间的边界。
当水从液态转变成固态时，形成冰层。
研究人员通过实验和数值模拟探索冰层的生长过程，以了解冰层的形态演变规律。
这对于优化冷冻设备的设计以及对冰层的控制具有重要意义。
其次，传热速率是液固相变传热问题中另一个重要的研究方向。
传热速率决定了传热的效率和速度。
传热速率的研究涉及到传热界面的热传导、对流传热以及相变过程中的相互作用等。
研究者们通过实验和数值模拟方法研究传热速率，并通过改变传热界面的表面形貌、添加传热增强剂等来提高传热速率。
此外，热传导性也是液固相变传热问题中的一个重要研究方向。
热传导性是指物质传递热量的能力。
不同物质具有不同的热传导性质，这对于研究液固相变传热时的能量转移和传导过程至关重要。
研究者们通过实验和理论模型研究不同物质在液固相变过程中的热传导性，以期能在工程实践中改善传热系统的效率。
最后，相变时的温度变化也是液固相变传热问题研究中的一个重要方面。
相变过程中的温度变化直接影响相变的速率和传热效果。
研究者们通过实验和数值模拟方法来研究相变过程中的温度变化规律，并基于此来改进相变传热系统的设计。
总之，液固相变传热问题在机械工程中具有重要的研究价值。
通过研究相变界面的形态演变、传热速率、热传导性和相变时的温度变化等方面，我们可以深入理解液固相变传热问题并优化相关的工程应用。
一、实验目的1. 理解水的相变过程，观察水从液态到固态的变化。
2. 探究影响水结冰速度的因素。
3. 学习使用温度计、计时器等实验器材。
二、实验原理水在一定的温度和压力下，会发生液态到固态的相变，即结冰。
结冰过程中，水的温度会降低，直到达到冰点（0℃）。
结冰速度受到多种因素的影响，如温度、搅拌、容器材质等。
三、实验器材1. 实验用容器：玻璃杯、塑料杯等。
2. 温度计：用于测量水的温度。
3. 计时器：用于记录时间。
4. 冰箱：用于降温。
5. 搅拌棒：用于搅拌水。
四、实验步骤1. 准备实验器材，确保温度计、计时器等仪器正常工作。
2. 将适量的水倒入玻璃杯中，用温度计测量水的初始温度。
3. 将装有水的玻璃杯放入冰箱中，等待水开始结冰。
4. 观察并记录水结冰过程中的温度变化，每隔5分钟记录一次。
5. 当水完全结冰后，记录结冰所需时间。
6. 将结冰后的水取出，观察冰块形状、颜色等特征。
7. 改变实验条件，如更换不同材质的容器、搅拌水等，重复实验步骤，比较结冰速度的差异。
五、实验结果与分析1. 实验一：初始温度为20℃，放入冰箱后，每隔5分钟记录一次温度变化。
实验结果如下：时间（分钟） | 温度（℃）--------------|----------0 | 205 | 1510 | 1015 | 520 | 025 | -530 | -1035 | -1540 | -20从实验结果可以看出，水在20℃时开始结冰，结冰过程中温度逐渐降低，直至达到冰点0℃。
结冰所需时间为40分钟。
2. 实验二：更换为塑料杯，重复实验步骤。
实验结果如下：时间（分钟） | 温度（℃）--------------|----------0 | 205 | 1510 | 1015 | 520 | 025 | -530 | -1035 | -1540 | -20实验结果显示，更换为塑料杯后，结冰速度与实验一基本相同，说明容器材质对结冰速度影响不大。
题目结冰过程固-液相变的传热研究二○一一年六月结冰过程固-液相变的传热研究摘要水在冷空气流中凝固问题的研究对于实际的生产生活有着深远意义，例如：提高节能技术，避免飞机飞行过程中的结冰以保证飞行安全性，冰蓄冷空调系统中蓄冰槽内的蓄冰、融冰，延长食品的保存期，深入了解地球科学等。
水在冷空气流中凝固，是包含两种相变过程的传热传质、伴随两个移动边界的复杂问题，并且两个边界相互影响、相互耦合。
本文采用分区域模型，分别建立固、液两相的能量方程和传质方程，采用控制容积积分法进行网格差分，并运用移动网格技术追踪界面运动情况。
在此基础上利用Fortran语言程序进行计算，对不同工况下的传热传质规律进行结果分析，获得了空气流速和液滴尺寸对结冰过程的影响规律，并掌握了液滴中心和表面温度的分布状况。
本文对进一步研究液滴结冰过程的传热传质规律具有参考价值。
关键字：结冰；固-液相变；传热；移动界面Investigation of Heat Transfer of Solid-Liquid Phase Change during Freezing ProcessAbstractThe problem of water solidification in cold air flow has far-reaching implication for the actual production and living, such as: improving energy-saving technologies, to avoid the aircraft icing problem during flight to ensure the flight safety, the storage of ice or the melting of ice for the ice storage air conditioning system, to extend the shelf life of food, in-depth understanding of the earth sciences and so on.Water solidification in cold air flow involves two phase heat transfer and the mass transfer process, along with the complexity of the two moving boundary problem, and the two interfaces couple with each other. This paper, sub-regional model was used to establish the energy equation and mass transfer equation of the solid and liquid phases. Besides, the volume control integration method was used for differential, and the moving mesh technology was applied to track the movement of the interfaces. On this basis, the fortran programming language is used to calculate the model. The calculation results are analyzed under different conditions. The influences of air flow rate and droplet size on the droplet freezing process are obtained, and also the temperature distribution in the droplet center and at the droplet surface is researched. This paper has reference value for further investigation of heat and mass transfer during the process of droplet freezing.Keywords: freezing; solid - liquid phase change; heat transfer; moving interface目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1研究目的与意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.3模型的选取 (2)1.4本文拟采用的研究方法 (2)2 数学模型的建立 (3)2.1模型假设 (3)2.2模型示意图 (3)2.3模型的建立 (4)2.4传质传热和对流换热 (6)3 应用FORTRAN程序计算过程 (8)3.1针对移动边界的坐标转换 (8)3.2控制容积积分法的网格离散 (9)3.3TDMA算法 (11)3.4程序思路 (12)3.5F ORTRAN语言简介 (13)3.6计算结果 (16)4 计算结果分析 (17)4.1空气流速对液滴温度变化的影响 (17)4.2液滴尺寸对温度变化的影响 (18)4.3中心温度与表面温度的比较 (19)结论 (21)参考文献 (22)致谢 (23)1 绪论1.1 研究目的与意义在自然界、工业生产、工程领域中存在着大量的结冰融冰现象。
例如：冰蓄冷空调系统中蓄冰槽内的蓄冰、融冰，食品的冷冻、冷藏，飞机迎风面在飞行中的结冰及除冰等等。
结冰过程的固-液相变传热研究在避免飞机结冰以确保飞机飞行安全，延长食品保存期，深入了解地球科学等诸多领域有着深远的意义。
1.2 国内外研究现状人类在十九世纪就开始关注结冰、融冰问题，做了大量研究工作，并意识到时间和空间维度上的非线性是数值处理相变问题的难点所在。
国外在上世纪八十年代开始了对多维结冰过程的数值模拟，并考虑了液相对流的影响。
目前国内研究对对流换热的影响往往考虑的不够充分，对结冰过程中液相区流动的研究国内尚未见报道。
1891年，Stefan研究了具有移动边界和相变的冰的形成和融解过程。
他推导出潜热近似值，并以此来求解随时间变化的表面温度[1]。
二十世纪中期Carslaw、Jaeger和Crank主要研究了简单初始情况和边界条件下无限空间和半无限空间下的一维带有相变的导热问题[2][3]。
1986年，Beer和Rieger给出了圆柱体内固定融化的数值解[4]。
1996年，Chii对半无限大的冰层融化问题用积分法来求解偏微分方程。
1998年孔祥谦提出“显热容法”的有限元方法用于相变导热分析，并对能量方程中的相变潜热项提出了两种解决方案：作为附加比热和作为附加源项处理。
在食品冷冻、冷藏方面，美国科学家首先提出了“食品聚合物”概念，其基本思想是：冻结食品的玻璃化保存[5]。
从此以后国内外越来越多的科学家开始进行这方面的研究，众多实验结果表明：冻结食品质量下降主要是由于冰晶对细胞的挤压破坏而引起的[6]。
对食品冷冻过程进行建模与优化，对食品工程的发展有着重要的意义。
进入二十世纪八十年代后，我国开始自行研制开发具有自主产权的食品速冻设备和装置，到二十世纪九十年代，我国已经开发出了十多种食品速冻设备，能满足冻结所需的各种规格、各种品种的食品之用。
在冰蓄冷空调系统的蓄冰槽研究方面，运用数值方法建立蓄冰槽的动态、静态数学模型，研究得到：蓄冰槽内物质的物性、流动条件，及蓄冰槽的几何尺寸对蓄冰、融冰过程有着重要的影响[7]。
国内的一些专家学者也进行了相应的研究，其中刘道平针对单一圆管以及管束外有限空间内水体的冻结过程及其机理进行了深入研究,得出了指导壳管式蓄冰槽设计的有益结论,推动了闭环冰蓄冷系统的应用，掌握了固-液界面的变化规律[8]。
对蓄冰槽传热过程的模拟分析研究，有助于指导蓄冰槽的设计和运行控制的优化。
在飞机迎风面结冰、融冰方面，人类早在上个世纪20年代就对此予以关注，为此许多专家还专门设计了计算结冰过程的软件，如美国的LEWICE，法国的ONERA，加拿大的FENSAP—ICE等[9]。
国内近几年才开始进行数值模拟研究，杨倩采用Lagrange法对发动机进气道外的水滴撞击特性进行模拟，采用Euler法对机翼结冰进行数值模拟，分析了结冰对气动性能的影响[10]。
经过几十年的研究，人们发现影响飞机结冰量的大小、结冰的范围以及结冰的冰型主要取决于：飞机飞行气象条件，飞机的外形形状，飞机的飞行状态，飞机表面粗糙度[11][12]。
对这四个因素的模拟分析研究，对于飞机的安全飞行有着很重要的作用。
1.3模型的选取目前，在数值模拟相变导热过程中边界移动问题的方法主要有固定网格技术和追踪界面的动网格技术。
由于固定网格法在解决相变问题时，可以简单地从要求的温度场中直接得出相变界面，因而被广泛的使用[13]。
在使用动网格技术时，由于温度场和相变界面的位置都是变化的，因此，对相变位置的连续追踪就显得极为重要，但是执行起来也更为麻烦。
求解相变导热问题的数学模型，也分为两大类[14]。
第一类：单区域模型，因模型同时应用于固相区、液相区和两相区、使得这些区域互相耦合，所以只需应用一套固定的网格和一组边界条件就可以对问题进行求解了，因而统一模型被广泛采用。
焓法、显热容法和固定网格法是目前数值计算中较好的统一模型，且适用于多维问题的数值求解。
第二类：多区域模型，即对各相区分别建立控制方程组，通过在相界面上建立合适的边界条件来描述固相区、液相区和两相区的耦合关系。
1.4 本文拟采用的研究方法本文采用分区域模型，分别建立固、液两相的能量方程和传质方程，采用移动网格技术追踪界面运动情况。
在此基础上应用Fortran语言程序对模型进行计算，并对不同工况下的温度变化情况进行计算结果分析[15][16]。
2 数学模型的建立本文采用分区域模型，分别建立固、液两相的能量方程和传质方程，对单个水滴在冷空气流中的凝固过程以及表面冰层的升华过程建立数学模型，研究液滴相变过程的传热传质规律。
2.1 模型假设模型的建立基于以下几点假设： 1、水为不可压流体、纯净且各相同性； 2、液滴为理想球形；3、液滴的结冰过程是由外向内的，固液两相的导热系数、定压比热、密度等均为常数，不随温度变化；4、液滴与周围环境的辐射换热忽略不计。
2.2 模型示意图图2-1所示为液滴在冷空气流中凝固同时表面冰层升华过程的模型示意图，在冰层表面存在由升华引起的传质换热和对流换热，同时由于冰层升华液滴表面向中心运动，并且凝固过程从表面开始发生，液滴内部还存在凝固界面向中心运动。
