Hiện tượng hạt nước đóng băng xuất hiện trong nhiều hệ thống và trong tự nhiên và có thể xảy ra đóng băng trên các bề mặt lạnh nhƣ cáp điện, máy bay, tuabin gió...
Các giọt nước đóng băng trên máy bay hoặc tuabin gió làm giảm lực nâng và tăng lực cản, và do đó ảnh hưởng đến khả năng điều khiển máy bay, hoặc hiệu suất của tuabin gió. Do đó, hiện tƣợng đóng băng trên máy bay có thể gây ra một mối nguy hiểm nghiêm trọng cho chuyến bay. Sự hình thành băng trên tuabin gió hoặc đường dây cáp có thể phá huỷ hoạt động an toàn của thiết bị. Theo đó, các vấn đề về đóng băng đã đƣợc nghiên cứu trong nhiều công trình trong những năm gần đây.
Gần đây, đề tài về sự hóa rắn của hạt nước trên một tấm lạnh rất được quan tâm.
Các nghiên cứu thực nghiệm có thể đƣợc tìm thấy trong bài báo của Anderson cùng
cộng sự năm 1996 [15]. Các nhà nghiên cứu xem xét thực nghiệm và phân tích hệ thống đơn giản của một giọt nước hóa rắn trên một tấm lạnh (Hình10). Các nhà khoa học đã chụp lại hình ảnh hạt nước hóa rắn để đánh giá góc phát triển của
Hình 10: Hạt nước sau hóa rắn ở nhiệt độ phòng [13].
Trang 12 đường biên pha rắn-lỏng. Kết quả thí nghiệm cung cấp một cách kiểm tra đơn giản về các điều kiện tại điểm ba pha, cách này có thể đƣợc sử dụng trong các phân tích lý thuyết của nhiều hệ thống phức tạp hơn. Một điều kiện biên mới tại điểm ba pha được giới thiệu và giải thích các đặc điểm rất quan trọng của các giọt nước hóa rắn trên bề mặt lạnh. Những phát hiện này là rất cần thiết phục vụ cho việc tạo ra các vật liệu tinh khiết.
Oscar R. Enríquez cùng cộng sự [16], Snoeijer và Brunet [17] đã thực hiện các thí nghiệm tương tự để phân tích hình dáng kì dị của hạt nước sau quá trình hóa rắn (Hình 11). Nguyên nhân bắt nguồn từ việc giảm khối lƣợng riêng trong quá trình đóng băng và có thể đƣợc giải thích bằng cách sử dụng một mô hình đƣợc làm đơn giản hóa với cấu trúc chung của hình dáng kì dị này đƣợc mô tả chi tiết.
Hình 11: Quá trình đóng băng của một giọt nước trên đĩa lạnh (T = -20 ° C) [16].
Zhang cùng các đồng nghiệp [18] đã thu đƣợc các kết quả về hình dạng đặc trƣng của hạt nước đóng băng cũng như các dữ liệu về biên chuyển pha, thể tích, chiều cao hạt nước bằng phương pháp chụp ảnh các giai đoạn hóa rắn của hạt nước. Kết quả được phân tích là vì khối lượng riêng thay đổi khi hóa rắn nên thể tích hạt nước
Trang 13 sẽ mở rộng lên phía trên, với hình dạng là đỉnh nón gần nhƣ đối xứng. Ngoài ra Silicon và gecmani cũng tạo ra hình dạng đỉnh nón tương tự sau khi hoàn thành quá trình kết tinh.
Hình 12: Hình dạng giọt nước đá theo thời gian khi nhiệt độ bề mặt của tấm thử nghiệm đƣợc thiết lập là Tw = -2°C [19].
Hu và Jin [19] , Jin cùng các cộng sự [20] sử dụng một kỹ thuật đo nhiệt độ phân tử để hình dung sự phát triển của quá trình hóa rắn của một giọt nước trên một tấm lạnh (Hình 12). Do sự thay đổi mật độ, tức là, sự giãn nở của thể tích khi đóng băng là nguyên nhân tạo ra hình nón gần như đối xứng của hạt nước hóa rắn. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, sau khi một giọt nước rơi xuống bề mặt lạnh, nước ở dưới cùng của giọt nước sẽ được đông lạnh và chuyển thành rắn nhanh chóng, trong khi phần trên của giọt vẫn còn trong trạng thái lỏng. Khi thời gian trôi qua, mặt phân cách giữa nước (pha lỏng) và đá (pha rắn) di chuyển lên liên tục và ngày càng nhiều nước trong giọt biến thành đá rắn. Điều thú vị là, nhiệt độ trung bình của nước lỏng còn lại trong giọt tăng lên, thay vì giảm, và liên tục trong quá
Trang 14 trình đóng băng. Sự gia tăng nhiệt độ của nước lỏng còn lại trong giọt nước được cho là do sự giải phóng nhiệt ẩn trong quá trình hóa rắn. Sự giãn nở thể tích của giọt nước trong suốt quá trình đóng băng chủ yếu là phát triển lên trên tạo ra tăng trưởng chiều cao của giọt chứ không phải là đối xứng tâm và mở rộng vùng tiếp xúc của giọt trên tấm thử. Thời gian đóng băng của các giọt nước để biến thành tinh thể băng hoàn toàn thì phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt của tấm thử.
Về lý thuyết, Nauenberg [21] đã sử dụng thuyết xấp xỉ để mô tả quá trình phát triển biên chuyển pha của giọt nước trên một khối băng khô và kiểm tra ảnh hưởng của tính dẫn nhiệt trong quá trình hóa rắn hạt nước. Gần đây, Zhang và các đồng nghiệp [22] cũng đã phát triển một mô hình với tác động của trọng lực để tái tạo hình dáng của hạt nước sau khi đông cứng hoàn toàn. Về phương pháp số, Schultz và đồng nghiệp [23] sử dụng phương pháp tích phân biên để mô phỏng sự phát triển của quá trình hóa rắn và các biên pha của hạt nước dưới điều kiện không có ảnh hưởng của trọng lực. Vấn đề này sau đó cũng được nghiên cứu bởi Virozub và cộng sự [24] trong đó có sự ảnh hưởng của trọng lực và sức căng bề mặt. Các tác giả đã áp dụng một góc phát triển tại điểm ba pha là hằng số. Trong khi đó, Chaudhary và Li [25] đã trình bày một nghiên cứu thực nghiệm và số liệu về mô hình đóng băng các giọt nước tĩnh trên các bề mặt với khả năng ướt khác nhau và bề mặt được làm lạnh nhanh. Sự phát triển nhiệt độ của các giọt nước được ghi nhận để xác định các quá trình liên quan đến sự thay đổi pha của các giọt. Để có cái nhìn sâu hơn về quá trình truyền nhiệt trong suốt quá trình hóa rắn, mô phỏng nhiệt đƣợc thực hiện bằng phương pháp số, giải phương trình dẫn nhiệt bằng Enthalpy. Năm 2015, Zhang và các đồng nghiệp [26] trình bày cả mô hình và thí nghiệm nghiên cứu về đóng băng của một giọt nước nhỏ trên bề mặt lạnh với các góc tiếp xúc khác nhau và thu được biên dạng hình học của giọt nước hóa rắn trên bề mặt lạnh bằng cách giải phương trình Young-Laplace và sử dụng phương pháp nhiệt dung tương đương để giải quyết vấn đề Stefan.
Trang 15 Như vậy, ta thấy được tầm quan trọng của hiện tượng này ảnh hưởng rất lớn đến không chỉ ngành hàng không mà các ngành công nghiệp liên quan. Việc nghiên cứu rõ bản chất và cơ chế hoạt động của quá trình hóa rắn là rất cần thiết và đang đƣợc các nhà nghiên cứu quan tâm. Dựa trên cơ sở các công trình nghiên cứu và thực nghiệm có sẵn, theo đó bằng việc tính toán mô phỏng số, sử dụng phương pháp theo dấu biên – Front Tracking áp dụng cho hiện tƣợng này sẽ là đề tài mới, do đó sẽ đóng góp một phần quan trọng cho khoa học hiện nay. Trong luận văn, với việc sử dụng phương pháp “Front Tracking” [1] thì kết quả sẽ thể hiện được rõ các mặt biên và ranh giới của các pha bằng các phép nội suy từ lưới mô phỏng tính toán. Bài toán sẽ tập trung vào sự ảnh hưởng của tỷ lệ giữa lực trọng trường và sức căng bề mặt lên hình dạng của hạt nước thể hiện bởi số “Bond” và nhiều trường hợp mô phỏng biểu thị góc tiếp xúc giữa hạt nước với về mặt lạnh khác nhau.