导师序言

过冷水滴的碰撞结冰现象广泛存在于电力通信、气象、航空航海及低温制冷等生产生活领域。大多数的结冰会带来不利影响甚至导致危害。例如，电线、铁塔、风机叶片等的结冰会影响电力设备的正常运行，飞机结冰则会威胁飞行安全。冰雹/冻雨等气象灾害、食品/生物等低温冷藏也都与过冷水结冰密切相关。

近年来，随着航空/天/海、特高压输电、5G通讯等国家重大战略的制定，气象预测、低温存储、高效节能等经济与环保的发展，过冷水滴碰撞结冰的机理研究变得更为迫切。一方面，过冷水处于亚稳态，其相变结冰过程有别于常规的稳态结冰； 另一方面，宏观结冰现象实际上是始于单个微观过冷水滴碰撞结冰并逐渐积累的过程。为了准确预测和有效控制过冷水滴碰撞结冰过程，以降低乃至消除结冰导致的危害，需要结合流体力学、传热传质学、热力学等多学科，深入认识和掌握过冷水滴的碰撞结冰机理。

本研究采用实验测量、数值模拟和理论分析相结合的方法，系统研究过冷水滴的结冰与碰撞机理及其耦合特性。物理过程上，先解耦研究过冷水滴的相变结冰和常温水滴的流体碰撞过程，进而分析过冷水滴碰撞结冰的耦合特性； 物理尺度上，从单个微观过冷水滴碰撞结冰出发，并以此为基础拓展到宏观积冰过程。主要创新性工作包括： 揭示了过冷水滴成核的体积效应和时间效应，建立了考虑过冷效应及成核再辉的过冷水滴冻结模型，提出了过冷水滴冻结时间的计算关联式； 引入动态接触角模型，并考虑椭球水滴的初始形状，改进了水滴碰撞最大铺展系数计算关系式； 获得了不同润湿性表面上水滴碰撞结冰的统一最终形态分布图； 构建了单个微观过冷水滴的碰撞结冰现象与宏观积冰过程之间的联系，建立了变物性宏观积冰模型，并给出了不同来流参数下积冰模型选择的建议。综上，本研究分析了过冷水滴结冰与碰撞的耦合机理，阐明了过冷水滴碰撞结冰过程中的传热与流动机制，改进和完善了微/宏观结冰模型，提高了结冰预测准确度，对结/防/除冰相关应用的设计和优化有重要的指导意义。

本书作者张旋博士，2019年7月博士毕业于清华大学能源与动力工程系，同年获评北京市优秀毕业生，其学位论文被评为清华大学优秀博士论文，现被邀将该论文内容凝练成专著，作为导师甚感欣慰。希望本书的出版能够促进和加深读者对于过冷水滴结冰与碰撞的理解，并为相关研究人员提供一些参考。

吴晓敏

2020年8月于清华园