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摘要
为研究微量水蒸气在低温表面上的结霜过程，搭建了低温表面微量水汽混合湿氮气的可视化结霜实验台。实验对比了常规湿度和微量水汽含量条件下，-180℃冷表面上常温氮气流中水蒸气结霜过程和形态，研究了不同微量水汽含量以及环境压力对低温结霜特性的影响。结果表明：相比于常规湿度条件下冷凝冻结机制主导的结霜过程，微量水蒸气(体积分数71×10-6)在低温表面主要通过凝华机制生成微小冰晶沉积在冷表面，形成不均匀分布的无明显枝干的霜晶，随后形成平整疏松的霜层。凝华机制主导的霜层生长过程主要体现为霜层厚度的增大，而密度无明显增大。在微量水蒸气条件下，随着水汽含量由1.53×10-6升高至500×10-6，霜层逐渐增厚并伴随着霜层形态由平坦均匀薄层向簇状霜团转变，增大的接触面积使霜层生长速率加快。环境压力由109kPa升高至190kPa时，增大的水蒸气分压本质上是由水蒸气绝对含量增加引起，霜层生长加快，表面的不平整程度会升高，霜晶形态更丰富。随时间推移，同一时刻不同环境压力下霜层厚度的差异逐渐增大。最后拟合了适用于低温表面上微量水蒸气条件下的无量纲霜层厚度关联式，整体误差在±20%以内。
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