表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

利用压力-流量测量和流动显示方法研究了6种具有不同微纳结构尺寸的超疏水表面的减阻效果以及表面微结构形状对气-水界面稳定性的影响。实验结果表明:设计的各种超疏水表面在层流和湍流下均具有一定的减阻效果；在相同的固体面积分数情况下，微结构间距越小，减阻效果越好；在具有最小结构间距的微纳二级结构表面上实现了最大减阻率（38.6±4.5）%。流动显示观测发现:减阻率与微结构的层级、尺寸、形貌及槽道流态有关，它们均对气-水界面稳定性有一定的影响，揭示了复合微纳结构之所以能够显著提升减阻效果，是由于添加纳米二级结构减小了原有表面的固体面积分数，并提高了气-水界面的稳定性。此外，对于具有双内凹（伞状）微结构表面的微槽道，即使表面为亲水材料，也可以有效捕捉气体，形成稳定的气-水界面，从而实现超疏水性能。     

仿秦岭箭竹叶微纳结构疏冰蒙皮（英文）

飞机结冰极大威胁飞行安全，严重时导致机毁人亡。适应恶劣寒冷环境的飞机防除冰技术是国际难题，也是中国多型飞机研制必须突破的重大技术瓶颈。本文首次提出一种仿生疏冰雪对象——秦岭箭竹，建立仿秦岭箭竹叶多层不等高微纳结构，揭示了这种独特结构对过冷微小水滴形成弹跳，滚动成冰及滑落的疏冰机制；提出一种基于分层组装的柔性大幅面微纳结构制备方法，实现仿秦岭箭竹叶疏冰结构制备；获得的仿秦岭箭竹叶疏冰表面相较于同材料光滑表面冰粘附强度降低80%，表明秦岭箭竹叶微纳结构具有优异的疏冰效果。结合实际工程应用，研制基于功率密度分区的仿生与电热相结合的疏冰复合蒙皮，据此获得的疏冰复合蒙皮成功完成中小型无人机防除冰功能飞行，并且已成功列装某型号高原型无人机，满足了高寒条件下的有效防除冰飞行要求。仿秦岭箭竹叶疏冰蒙皮也在大型运输机、直升机，以及风力发电、高速列车等领域具有广阔的应用前景。     

超疏水/电热协同防/除冰策略在冰风洞中的实验研究（英文）

无人机结冰严重威胁飞行安全。无人机可供能量不足，因此需要一种节能的结冰防护策略。本文以一种内嵌电热膜与外喷涂超疏水涂层（Super-hydrophobic coating and embedded electro-thermal film, SHS-EET）的一体化玻璃纤维复合翼型为研究对象，采用比例积分微分法（Proportional integral derivative,PID）调节表面温度和加热功率。在结冰风洞中开展试验验证了该策略的防/除冰性能。结果表明，没有热源的超疏水涂层不能避免积冰的形成。此外，SHS-EET策略下除冰时间缩短了64.6%，能耗降低了72.3%。当表面温度低于10℃时，SHS-EET实现了干防冰效果，对比电热膜布置在蒙皮内表面的玻璃纤维复合翼型（Fiberglass airfoil with underground electro-thermal film, FG-UET）只能实现湿防冰效果，能耗降低了27.5%。混合防/除冰策略有利于无人机结冰防护系统的发展。     

石墨烯基光热除冰表面的激光制备（英文）

重要设备，如飞机机翼、风力涡轮机、太阳能电池板等结冰会引起空气动力学形状变化和重要部件变形，严重威胁运行安全。然而，制造柔性、共形的光热除冰表面仍然具有挑战性。本文采用激光直写技术，设计并制备了多孔疏水的激光诱导石墨烯（Laser induced grapheme, LIG）基光热抗霜除冰表面。采用激光照射聚酰亚胺（Polyimide, PI）薄膜制备LIG薄膜。激光照射后，LIG薄膜呈现多孔结构和高C/O比。由于多孔结构和高C/O比的存在，LIG膜具有疏水性（CA,～123.2°）、高吸收率和良好的光热转化率，因此，LIG薄膜具有光热抗霜除冰能力。本文工作显示了开发柔性、共形的光热抗霜/除冰表面的巨大潜力。     

防除冰过程中的传热传质特性（英文）

通过数值模拟和实验研究了抑制冰形成的两种方法：被动的表面功能化和主动的超声振动技术。由于表面凸起的宏观结构能在液滴扩展和收缩过程中改变其形状，因此液滴撞击具有立方体、单个和交叉三角脊以及悬空棱镜等宏观结构的超疏水表面时的接触时间可以有效降低。受到超声振动的基板会形成非线性的等效剪切应力分布，从而导致撞击液滴出现不同的动力学模式，并提高了除冰性能。研究揭示了表面宏观结构和超声振动技术对抗冰和除冰的有效性，为设计和优化抗冰/除冰系统提供了潜在方法。     

Cu_2O改性ZnO纳米阵列表面的润湿性与紫外响应行为研究

在ITO基底上采用电化学沉积法制备了Cu_2O改性的ZnO纳米阵列,通过场发射电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪等对其微纳结构和表面润湿行为进行了研究。实验结果显示,低表面能Cu_2O粒子的吸附增强了ZnO纳米阵列的超疏水性。很多材料表面对水滴有较高黏附力是因为材料表面微槽中密封的空气而产生的毛细管附着力,而ZnO纳米棒阵列表面对水滴的高黏附性是因为其表面的范德华力作用。改性后样品表面形成的ZnO-Cu_2O微纳分层结构减小了样品表面与水的接触面积。另外,加上Cu_2O自身的低表面自由能,共同导致范德华力减小从而使得表面对水滴的黏附小而具有很好的超疏水性。     

超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究

针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,通过水洞实验研究了具有超疏水表面航行器模型的阻力特性,获得了其减阻特性曲线,并得到了超过20%的减阻效果.对超疏水表面进行了表面能特性和滑移特性分析,认为表面组分中的疏水基团和表面微观结构分别导致了超疏水表面的低表面能效应和壁面滑移效应,两者是超疏水表面具有减阻作用的直接原因.     

机翼展向不同部位结冰对飞机气动力特性影响研究

机翼展向不同部位结冰对飞机气动力特性的影响规律是机翼防除冰系统设计需要考虑的重要因素之一。通过风洞试验方法,将机翼不同部位的模拟冰型加装在飞机模型上进行常规测力试验,研究巡航构型、着陆构型下的机翼展向不同部位结冰后的升力特性、阻力特性、俯仰力矩特性的变化规律。同时通过数值计算的手段,分析机翼不同部位结冰的流场细节特征。研究结果表明,机翼中段结冰对飞机气动力特性影响最为严重,翼根和翼尖结冰影响较小,研究结果为制定高效合理的防除冰系统提供技术依据。     

一种新型直筒-锥段型钢结构冷却塔气动性能的LES数值分析

作为一种外形新颖的典型风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔表面风荷载随机分布特性亟待研究。以国内拟建最高的某新型直筒-锥段型钢结构冷却塔(塔高189 m)为例,采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法对其进行风场数值模拟,获取了直筒和锥段两部分结构的外表面三维气动力时程。将平均和脉动风压系数分别与相关规范及国内外冷却塔实测及风洞试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。进而提炼出此类直筒-锥段型钢结构冷却塔外表面平均、脉动和极值风荷载以及阻力系数等气动参数分布规律。最终给出了此类新型的直筒-锥段型钢结构冷却塔结构平均和极值风压估算公式及其分布曲线。     

光引发活性ATRP聚合制备纳米二氧化硅超疏水表面

利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)和2-溴代异丁酰溴(BIB)对纳米二氧化硅进行改性制备了原子转移自由基聚合(ATRP)纳米活性中心,采用紫外光引发丙烯酸十二氟庚酯活性聚合接枝在纳米二氧化硅表面并沉积在玻璃基材表面制备了超疏水表面。通过热失重分析纳米活性中心的接枝率,采用水接触角研究了纳米活性中心含量和光聚合时间对超疏水性能的影响。结果表明:随着纳米二氧化硅活性中心浓度增加,工艺稳定性变好,但光聚合沉积形成超疏水表面所需的时间要长。纳米二氧化硅活性中心浓度为3.63μmol/g为最佳,经40 min光引发活性聚合后,二氧化硅表面含氟聚合物的接枝率达到34.12%,接触角达到164°,表面微纳结构致密。     

吹气式旋转帽罩防冰特性

为研究吹气式旋转帽罩防冰特性，采用三维模拟技术对其进行数值分析，从流场、水撞击和积冰特性3个方面分析了吹气式旋转帽罩的防冰机理和效果，并利用防冰试验器开展了试验研究，从 帽罩表面积冰厚度和范围两方面分析防冰情况，验证了在结冰环境下吹气式旋转帽罩的防冰效果。结果表明，吹气式旋转帽罩防冰结构具有良好的防冰效果。     

硬质合金润湿图案化表面的超快无泵水自输运特性研究（英文）

提出了一种在硬质合金表面制备可以实现水自输送的润湿图案化表面的方法,即激光加工法,该方法可以不需要在基底表面上沉积材料。该润湿图案化表面包含楔形超亲液沟槽以及外围的超疏液表面,借助该图案化表面,液滴可以实现快速自输送。通过单因素试验发现,导致硬质合金表面极端润湿的关键因素是激光加工过程中产生的微纳织构,且微纳织构的形成受激光加工参数的影响。与此同时,通过单因素试验找到了微纳织构产生的合理激光加工参数。最后,通过水滴运输实验发现,当超亲液的楔形槽楔角是3°时,该润湿图案化表面对水的运输速度能够达到362 mm/s。还分析了水在该表面上的运输机制,发现水的自驱动运输是由图案化表面引起的水滴自身拉普拉斯压力梯度控制的。     

超疏水表面水下电解补气方法研究

利用石墨电极电解装置，研究了人工海水电解过程中电流随电极极距和数目的变化规律，并观察了矩形管道中电解装置在不同工作电压下超疏水表面的气膜状态，验证了超疏水表面电解补气的可行性。结果表明:电解装置工作过程中电压与电流呈线性关系，在电压一定的条件下，电流随电极数目的增加而增加，随极距的增加而减小。计算电解效率后发现，增加电极数目虽然有利于提高电流，但是电解效率却有所下降。在湍流流动中，观测到超疏水表面气膜在水流冲刷下破坏消失，当电解装置在低电压下工作时，产气量较小，补气装置呈间歇工作状态，并只能使部分超疏水表面气液界面恢复；当增加电压后，电解装置产气量增加，可以观察到更加明显的镜面现象，证明了超疏水电解补气装置的可行性。     

结冰与金属表面分离过程的数值模拟与实验研究（英文）

通过研究结冰与物体表面粘结特性，掌握它们之间的分离过程对优化除冰方案具有重要意义。当前研究较多的开展了基于纳米尺度的结冰分离，但其研究内容与真实宏观状态结冰分离过程相差较远，有必要研究宏观尺度的结冰分离过程。本文设计并搭建了用于测试法向和切向结冰粘结力的试验台，在不同温度下展开实验并获得了结冰冰柱与金属表面的法向和切向粘结力。引入宏观的结冰分离机制，引入粘结单元层本构模型，在Abaqus中空对结冰与金属表面分离过程进行数值模拟。通过对比数值模拟和实验验证结果，深入的了解了结冰粘结特性并实现了结冰与金属平面分离过程数值模拟。     

超疏水旋转圆盘气膜层减阻的实验研究

在冯卡门旋流中，对均匀超疏水表面与网纹超疏水表面在雷诺数Re~O（105）量级上的减阻性能与表面气膜状态进行了实验观测。2种超疏水表面均使用物理喷涂法在有机玻璃板上喷涂纳米疏水颗粒制备。网纹超疏水表面制备时增加了丝网掩模的步骤，因此其表面增加了毫米级网格纹理。实验结果表明:对于冯卡门旋流中的超疏水表面减阻而言，存在一个临界雷诺数Re_c，当Re < Re_c时，超疏水表面具有稳定的减阻效果，减阻率高达30%；当Re>Re_c时，减阻效果随Re的增加快速丧失。相较均匀超疏水表面，网纹超疏水表面可以有效提高其表面附着的气膜层的动态稳定性。此外，可通过主动补气的方式有效恢复网纹超疏水表面气膜层，进而恢复减阻效果，这将为超疏水表面实现可持续的减阻提供新的技术方案。     

多孔复合微结构的制备与减反射性能

主要研究了多孔-金字塔和多层多孔-金字塔两种多孔复合微结构的减反射性能。多孔-金字塔是将带有金字塔结构的单晶硅片置于HF/Fe(NO3)3溶液中二次化学腐蚀得到的,而多层多孔-金字塔复合微结构是将带有金字塔结构的单晶硅片置于HF/CH3CH2OH溶液中二次电化学腐蚀得到的。用扫面电镜和UV-vis-NIR分光光度计分别分析了这两种复合结构的表面形貌和反射率。结果表明,在400~800 nm波长范围内,多孔-金字塔和多层多孔-金字塔复合微结构的平均反射率分别为5%和2.1%。多孔-金字塔微结构表面的孔洞较大,表面的金字塔有少量的塌陷,但多层多孔-金字塔微结构表面的孔洞细小且覆盖均匀,表面的金字塔基本上保持完好。通过比较,电化学方法制备的多层多孔-金字塔复合微结构的减反射效果要优于采用化学腐蚀制备的多孔-金字塔复合微结构的减反射效果。     

新型电热结构防除冰性能研究（英文）

创新性地开发机翼电热防/除冰系统仍然是航空航天领域面临的巨大挑战，提高电热防/除冰系统的能量利用率受到了防除冰领域专家的广泛关注。本文创新性地设计了一种多孔电热防除冰结构，多孔基体通过模板法制备得到。电热结构从上至下由绝缘涂层、导电层、电热层和隔热层组成。研究了导电银浆层厚度及导电液含量在不同功率下绝缘层和隔热层的温度变化。结果表明，室温条件下，当输入功率为4 W、银浆层厚度为300μm时，绝缘层的温度最高可达134℃。在-20℃的冰脱落实验中，发现当输入功率为18 W时，顶层温度可快速达到0℃，而底层温度维持在-12.5℃左右，能量损失较少。本文可为电热防除冰材料体系的设计提供理论指导。     

3m×2m结冰风洞试验技术研究进展

3 m×2 m结冰风洞于2013年建成，近年来该风洞的试验技术研究取得了一系列的进展。首先对风洞概况和相关试验技术进行了介绍，包括总体情况、性能指标、试验能力等，重点阐述了该结冰风洞已形成的云雾场参数校测、冰形特征捕获、热气防冰和电热除冰等试验技术。其次，对发动机、直升机结冰与防除冰、过冷大水滴和冰晶雨雾模拟等结冰风洞试验技术新的发展方向进行了分析和探讨，提出了发展思路。可为结冰风洞建设与试验技术的研究提供参考。     

考虑相变时间效应的结冰试验相似参数

结冰风洞试验是进行飞机结冰和防除冰研究的主要手段,结冰试验相似准则是进行结冰风洞试验的理论基础。针对目前的结冰试验相似准则在明冰模拟方面的不足,本文采用液/固相变的基本理论,对飞机结冰过程的液/固相变传热特性进行了分析和研究。在此基础上,提出了一个新的结冰试验相似参数CT,该参数与基于Messinger结冰热力学模型所得到的相似参数的主要区别是考虑到了结冰的干模式和湿模式,体现了相变的时间效应。通过将新的相似参数引入现有结冰试验相似准则中,可有效避免试验压力与速度选取的随意性。以 NA-CA0012翼型和某超临界翼型为对象,对新相似参数的有效性进行了数值仿真评估,结果显示,采用本文提出的相似参数及相应的试验参数确定方法,能够得到与参考条件一致的水滴收集率和结冰,初步说明新相似参数的是有效的,研究结果对于提高明冰及混合冰试验模拟的精度具有较好的参考价值。     

疏水微槽道内层流减阻的实验研究

研究了光滑和带有横向凹槽结构的疏水微槽道内层流的流动特性和表面滑移效应.在硅片上加工了矩形截面微槽道,利用十八烷基三氯硅烷(octadecyltrichlorosilane OTS)在槽道内壁形成疏水薄膜.实验结果表明在光滑疏水微槽道内的水流压降比无滑移条件下的理论值减少8%.对于侧壁带有凹槽结构的疏水微槽道,流动阻力可以降低10%~30%.笔者采用micro-PIV测量得到的壁面表观滑移速度约为槽道中心速度的8%,滑移长度约为2 μm.实验结果与滑移壁面条件下三维槽道内层流的解析解吻合,同时得到了带有凹槽结构的疏水微槽道内的流速分布.