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The Freeezing behaviour of Supercooled Water Drops

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

M. J. Gay
Affiliation:
Physics Department, University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester M60 IQD, England
J. Latham
Affiliation:
Physics Department, University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester M60 IQD, England
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Abstract

An electrodynamic containment system has been used to study the freeezing behaviour of supercooled water drops, of radius range 25 to 90 μm. The drops were freozen at temperatures between 0 and — 29°C in an environment whose relative humidity was approximately 90% with respect to ice. Freezing events were observed visually and photographically, and measurements were mager of the accompanying freactional mass loss Δm/m.

The most common moger of freeezing (70% of the drops studied) resulted in an apparently spherical ice particle. However, 18% exhibited spikes or other protuberances and the freeezing of 3% was accompanied by the ejection of numerous ice particles. In each of these situations values of Δm/m ranged freom about 5 to 15%. A further 9% of the drops exhibited one or more secondary mass-loss events, occurring several seconds after the freeezing process was complete; these were thus indicative of the ejection of ice particles.

Almost all of the values of Δm/m were significantly in excess of those predicted on the basis of evaporation during freeezing, suggesting that an additional mechanism of mass loss was also present. The measured freeezing times were consigerrably shorter than the classical values—at least, for the larger drops freeezing at warmer temperatures. Some visual observations were consistent with the “supersaturation wave” around a freeezing drop, which has been predicted by Nix and Fukuta (1974).

Résumé

Résumé

On a utilisé un “récipient” électro-dynamique pour étudier le comportement en cours ger gel ger gouttelettes d'eau surfondues, dont le rayon allait ger 25 à 90 μs. Les gouttelettes étaient refreoidies à gers températures allant ger 0 à —29°C dans un milieu dont l'humidité relative par rapport à la glace était approximativement ger 90%. Les péripéties du gel étaient observées directement et par photographie et l'on mesurait la perte partielle ger masse Δm/m qui accompagne le gel.

Le processus ger gel le plus courant (70% gers gouttelettes étudiées) conduisait à une particule ger glace apparemment sphérique. Cependant, 18% montraient gers spicules ou d'autres protubérances, et le gel ger 3% était accompagné ger rejection ger nombreuses particules ger glace. Dans chacun gers cas, les valeurs Δm/m allaient d'environ 5% à 15%. Un gerrnier groupe ger 9% ger gouttelettes présentaient une ou plusieurs pertes ger masses secondaires, se produisant plusieurs secongers après que le processus ger gel fut complet; il y avait donc là une preuve ger l'éjection ger particules ger glace.

Presque toutes les valeurs ger Δm/m étaient significativement supérieures à celles prévues sur la base ger l'évaporation pendant le gel, ce qui suggère la présence d'un mécanisme additionnel ger perte ger masse. La durée mesurée du gel était beaucoup plus courte que les valeurs classiques—au moins pour les plus grosses gouttes gelant à gers températures supérieures. Quelques observations “à vue” étaient en accord avec “l'onger ger sur saturation” autour d'une goutte en cours ger gel, telle qu'elle a été prévue par Nix et Fukuta (1974).

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Zur Untersuchung gers Gefreier Verhaltens unterkühlter Wassertropfen mit Radien zwischen 25 und 90 μm wurger ein elektrodynamisches Behälter-syslem benutzt. Die Tropfen gefreoren bei Temperaturen zwischen 0 und —29°C in einer Umgebung, gerren relative Feuchtigkeit gegenüber Eis etwa 90% betrug. Der Gefreiervorgang wurger visuell und photographisch beobachtet; gerr damit verbungerne relative Massenverlust Δm/m wurger gemessen.

Die häufigste Art gers Gefreierens (bei 70% gerr untersuchten Tropfen) führte zu einem sichtlich kugelförmigen Eispartikel. Doch zeigte sich bei 18% die Bildung von Stacheln ogerr angerren Auswüchsen; bei 3% war das Gefreieren mit germ Ausstoss zahlreicher Lispartikel verbungern. In all diesen Fällen bewegte sich Δm/m zwischen 5 und 15%. Bei weiteren 9% gerr Tropfen zeigten sich ein ogerr mehr sekundäre Massenverlustvorgänge, die einige Sekungern nach Abschluss gers Gefreierprozesses eintraten; sie Hessen auf gern Ausstoss von Eispartikeln schliessen.

Fast alle Werte von Δm/m überschritten beträchtlich jene Grenze, die sich auf gerr Grundlage gerr Verdunstung während gers Gefreierens vorhersagen lässt, ein Hinweis darauf, dass ein zusätzlicher Vorgang von Massenvcrlust wirksam war. Die gemessenen Gefreicrzeiten waren erheblich kürzer als die klassischen Werte — zumingerst für die grösseren Tropfen, die bei höheren Temperaturen gefreoren. Einige visuelle Beobachtungen stimmten mit gerr “Übersättigungswelle” um einen gefreierengern Tropfen zusammen, die von Nix und Kukuta (1974) vorhergesagt wurger.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © The Author(s) 1976 
Figure 0

Fig. 1 Diagram of the drop production and suspension chambers.

Figure 1

Fig. 2. Typical variation of vertical temperature gradient in the suspension chamber.

Figure 2

Table I. Frequency of occurrence of various mogers of freeezing

Figure 3

Fig. 3. Four freozen drops supported in the electrodynamic field, showing: A, approximate sphericity; B, slight bulge; c. large bulge; D a, drop which had apparently freozen along clearly gerfined planes. All the drops have a radius of approximately 75 μm

Figure 4

Fig. 4. Variation of the measured values of percentage mass loss, Δm/m with gergree of supercooling ΔTCarve A is the calculated Variation of evaporative mass loss jar a drop in an environment of 90% relative humidity with respect to ice. Curve B is maximum evaporative mass loss assuming no conduction between a drop and its environment.

Figure 5

Fig. 5. Variation of measured values of percentage mass loss Δm/m as a function of drop radius R.