Nucleation and Solidification of a Water Drop after Impact onto a Cold Substrate

Surface icing poses significant challenges for various technical applications, including aircraft, wind turbines, and power lines operating in cold environments. The accumulation of ice on critical components can reduce efficiency, cause functional limitations, or even result in system failure. Icing often involves large water drops impacting cold surfaces, where the liquid near the substrate cools below the melting point and enters a supercooled state. The freezing starts with nucleation, followed by rapid propagation of an ice layer and/or dendrites within the liquid. Afterward, a slower equilibrium freezing completes the solidification.

While significant progress has been made in understanding freezing phenomena, the interaction between nucleation, ice propagation, and fluid dynamics during drop impact presents a complex, multi-physics challenge. This complexity is further amplified in real-world applications, such as aircraft icing, where wind speed interactions and environmental conditions play a significant role. Additionally, from an application perspective, the effectiveness of anti-icing methods, especially patterned surfaces, requires further evaluation under such dynamic conditions. Therefore, refining our understanding of the freezing processes during drop impact is essential for both fundamental insights and practical applications.

By utilizing a high-speed observation system, this study investigates the nucleation and solidification of a water drop after impact onto cold substrates, focusing on three main experimental scenarios: (i) room-temperature drop impacts on a cold silicon surface, (ii) supercooled drop impacts on polished and rough aluminum surfaces, and (iii) supercooled drop impacts on patterned substrates.

In the first set of experiments (i), the freezing behavior of a room-temperature drop after impact onto a cold surface was studied. Three distinct freezing regimes were observed, and a theoretical model for contact temperature, incorporating the liquid's thermal properties, was developed. By accounting for the formation of a supercooled water layer, the thresholds of these regimes were successfully identified. The second set of experiments (ii) examined the freezing behavior of supercooled drops at high impact velocities induced by wind, with a focus on the effects of surface roughness. Air bubbles generated during impact and spreading were observed to enhance nucleation rates, especially on rough surfaces. The third set (iii) investigated the freezing of a supercooled water drop after impact onto patterned substrates with hydrophilic stripes. The stripes enhance bubble entrapment in the wettability boundary regions, which can lead to the formation of void regions after the drop freezes. However, hydrophilic stripes appear to have no significant influence on ice nucleation, likely due to the complex interplay of bubble entrapment, lacuna formation, and wettability contrasts.

These findings enhance our understanding of the nucleation and solidification of a water drop after impact onto cold substrates, highlighting the interplay of impact dynamics, heat transfer, and substrate design. This knowledge supports advanced anti-icing and de-icing strategies for applications such as aviation and cold-environment technologies.

Das Vereisen von Oberflächen stellt erhebliche Herausforderungen für verschiedene technische Anwendungen dar, darunter Flugzeuge, Windkraftanlagen und Stromleitungen in kalten Umgebungen. Die Ansammlung von Eis auf kritischen Komponenten kann die Effizienz verringern, funktionale Einschränkungen verursachen oder sogar zu einem Systemausfall führen. Vereisung tritt häufig auf, wenn große Wassertropfen auf kalte Oberflächen treffen, wobei die Flüssigkeit in der Nähe des Substrats unter den Schmelzpunkt abkühlt und in einen unterkühlten Zustand übergeht. Der Gefrierprozess beginnt mit der Keimbildung, gefolgt von der schnellen Ausbreitung einer Eisschicht und/oder dendritischer Strukturen innerhalb der Flüssigkeit. Anschließend wird die Erstarrung durch ein langsameres Gleichgewichtsgefrieren abgeschlossen.

Trotz bedeutender Fortschritte im Verständnis von Gefrierphänomenen bleibt die Wechselwirkung zwischen Keimbildung, Eisbildung und Strömungsdynamik während des Tropfenaufpralls eine komplexe, multiphysikalische Herausforderung. Diese Komplexität wird in realen Anwendungen wie der Flugzeugvereisung durch Windgeschwindigkeiten und Umweltbedingungen noch verstärkt. Darüber hinaus erfordert aus anwendungstechnischer Sicht die Wirksamkeit von Anti-Vereisungsmethoden, insbesondere von strukturierten Oberflächen, eine genauere Bewertung unter solchen dynamischen Bedingungen. Daher ist eine Verfeinerung unseres Verständnisses der Gefrierprozesse während des Tropfenaufpralls sowohl für grundlegende Erkenntnisse als auch für praktische Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

Mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeits-Beobachtungssystems untersucht diese Studie die Keimbildung und Erstarrung eines Wassertropfens nach dem Aufprall auf kalte Substrate und konzentriert sich auf drei Hauptszenarien: (i) Aufprall von Wassertropfen bei Raumtemperatur auf eine kalte Siliziumoberfläche, (ii) Aufprall unterkühlter Tropfen auf polierte und raue Aluminiumoberflächen und (iii) Aufprall unterkühlter Tropfen auf strukturierte Substrate.

Im ersten Experiment (i) wurde das Gefrierverhalten eines Wassertropfens bei Raumtemperatur nach dem Aufprall auf eine kalte Oberfläche untersucht. Es wurden drei verschiedene Gefrierregime beobachtet, und ein theoretisches Modell für die Kontakttemperatur wurde entwickelt, das die thermischen Eigenschaften der Flüssigkeit berücksichtigt. Durch die Berücksichtigung der Bildung einer unterkühlten Wasserschicht konnten die Schwellenwerte dieser Regime erfolgreich identifiziert werden. Das zweite Experiment (ii) untersuchte das Gefrierverhalten unterkühlter Tropfen bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten, die durch Wind induziert wurden, mit einem Schwerpunkt auf den Auswirkungen der Oberflächenrauheit. Luftblasen, die während des Aufpralls und der Ausbreitung entstehen, wurden beobachtet, die Keimbildungsraten, insbesondere auf rauen Oberflächen, zu erhöhen. Das dritte Experiment (iii) untersuchte das Gefrieren eines unterkühlten Wassertropfens nach dem Aufprall auf strukturierte Substrate mit hydrophilen Streifen. Die Streifen fördern die Blasenbildung in den Benetzungsgrenzbereichen, was zur Bildung von Hohlräumen nach dem Gefrieren des Tropfens führen kann. Hydrophile Streifen scheinen jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Eisbildung zu haben, was vermutlich auf die komplexe Wechselwirkung zwischen Blasenbildung, Hohlraumbildung und Benetzbarkeitskontrasten zurückzuführen ist.

Diese Ergebnisse vertiefen unser Verständnis der Keimbildung und Erstarrung eines Wassertropfens nach dem Aufprall auf kalte Substrate und unterstreichen das Zusammenspiel von Aufpralldynamik, Wärmeübertragung und Substratdesign. Dieses Wissen unterstützt fortschrittliche Anti-Vereisungs- und Enteisungsstrategien für Anwendungen wie die Luftfahrt und Technologien in kalten Umgebungen.