Ледяные кристаллы с жидкой водой. Смешанная фаза

Ледяные кристаллы без жидкой фазы

Условия классического обледенения. Жидкие переохлажденные капли

К л а с с и ч е с к и м о б л е д е н е н и е м называют обледенение в условиях жидких переохлажденных капель воды. Обледенение самолета в полёте обычно происходит в холодных кучево-дождевых облаках, температура внутри которых ниже 0^оС. Жидкие капли, находящиеся в таких облаках, являются переохлажденными, поскольку их температура тоже должна быть ниже 0^оС. Облако, полностью состоящее из таких капель, представляет условия обледенения жидкими переохлажденными каплями. Облака с полностью жидкими переохлажденными каплями в диапазоне температур между – 4^оС и 0^оС являются широко распространенным явлением в атмосфере.

При температурах ниже – 20^оС большинство облаков полностью состоит только из ледяных кристаллов, а такие облака называют ледяными.

Начиная с 1940-х годов, получено много свидетельств того, что условия смешанной фазы наряду с отдельным существованием только ледяных кристаллов и только капель жидкой воды являются обычным явлением в атмосфере, особенно в средних широтах, где было собрано и изучено много данных. Некоторые из этих данных были получены в результате специальных лётных исследований, а большая часть была связана с изучением возможности обледенения в различных типах облаков. По мере снижения окружающей температуры от -4^оС и более - вероятность того, что, по крайней мере, несколько ледяных кристаллов будет присутствовать в облаке, возрастает, поскольку количество активных замерзших ядер растёт с падением температуры. Облако, в котором одновременно присутствуют переохлажденные жидкие капли воды и кристаллы льда, называется облаком со с м е ш а н н о й ф а з о й.

Рассматривая процесс замерзания капель воды, можно заключить, что спонтанное образование ледяных ядер непосредственно из пара возможно лишь при большом перенасыщении пара и очень низких температурах (ниже -60^ОС). Поэтому образование частиц льда в переохлажденном двухфазном потоке с каплями воды может происходить двумя способами. Во-первых, вследствие процесса, при котором ледяные ядра спонтанно образуются в каплях воды, а замерзание капли происходит в результате роста льда вокруг этих ядер. Во-вторых, в результате замерзания капли, содержащей инородное ядро льдообразования, которое активизируется, начиная с некоторого уровня переохлаждения.

Данные атмосферных наблюдений показывают, что во всех облаках ледяные кристаллы появляются даже при температурах Т = -5^ОС. Переохлажденные капли могут существовать в атмосфере при температуре не ниже -40^ОС.

В атмосферных условиях процесс фазового перехода идет так быстро, что смешанная фаза сохраняется в течение непродолжительного периода. Поскольку установлено, что условия смешанной фазы часто встречаются в атмосфере, при определенных условиях переход от смешанной фазы к полностью ледяным кристаллам происходит постепенно, в течение так называемого «периода релаксации фазы», который связан со скоростью перехода от одной фазы к другой.

Симметричный рост ледяных кристаллов непосредственно из паровой фазы дает большое разнообразие их форм, основные виды которых представляют плоские и объёмные кристаллы. Основная форма кристалла зависит от значения температуры, при которой происходит его рост. Основная форма кристалла зависит от степени перенасыщения льда воздухом. По мере падения в облаках ледяные кристаллы постоянно подвергаются изменениям температур и перенасыщению воздухом, что приводит к разнообразному и сложному изменению их формы. В облаках со смешанной фазой масса ледяных частиц возрастает за счет столкновения с переохлажденными жидкими каплями, которые примерзают к ним, в результате чего происходит процесс так называемого «нарастания». Характеристики «наросших» частиц (масса, плотность, конечная скорость) отличаются от характеристик ледяных кристаллов, возникших исключительно из паровой фазы.

Другим механизмом, связанным с ростом ледяных частиц в облаках, является их скопление. Скопление частиц зависит от количества их столкновений, которые становятся более частыми при больших скоростях падения частиц. По сравнению с плоскими кристаллами объёмные кристаллы претерпевают большие изменения, что приводит к росту их скоплений. Скопление кристаллов связано также с их прилипанием друг к другу при столкновении. Вероятность прилипания возрастает при температурах выше значения - 5^оС, когда поверхность льда становится липкой. Кроме того, кристаллы сложной формы, такие как, например, древовидные, прилипают к другим кристаллам, поскольку они сцепляются с ними при столкновении. Таким образом, одна снежинка может состоять из скопления сотен ледяных кристаллов.

Разнообразие ледяных частиц в атмосфере также растет за счет поломки кристаллов, что приводит к увеличению количества частиц. Например, некоторые кристаллы являются очень хрупкими и при механическом на них воздействии могут разламываться на большое количество ледяных частиц. Более сложный путь увеличения количества частиц, называемый «расщеплением», связан с примерзанием капель воды к внешней поверхности частицы льда после столкновения с ней и последующим за этим разрывом частицы из-за увеличения её размеров, что приводит к возникновению большого количества ледяных осколков.

Таким образом, с течением времени в атмосферных облаках происходит постепенная кристаллизация, причём, при температурах до 0÷-40°С процесс проходит через стадию переохлаждения капель. При более низких температурах t<-40°С переохлаждения капель не наступает, а идёт их кристаллизация.

Следует отметить, что отличить ледяные облака от облаков со смешанной фазой, содержащих очень маленькое количество жидкой воды, весьма трудно и, соответственно, трудно классифицировать такие облака с точки зрения их воздействия на самолет и двигатель.

Дата добавления: 2014-10-17