疏水/超疏水表面防/除冰原理及其研究进展

液体防冰、电热防冰、气热防冰、机械除冰等传统的防/除冰技术具有显著的防/除冰效果,但存在消耗能源大、防冰时间有限以及除冰不彻底等问题,而基于疏水/超疏水表面的防/除冰技术则具有独特的优势。本文首先阐述了利用疏水表面和超疏水表面防/除冰的原理及其影响因素;然后,总结了常用的疏水表面和超疏水表面在防/除冰中存在的问题,并指出利用液滴的反弹特性可更加有效地抑制结冰;最后,提出未来有必要对撞击液滴的动力学过程、传热过程和结冰过程的耦合特性进行系统研究,进而为利用液滴的反弹特性抑制结冰提供一定的理论指导。     

超疏水表面的过冷水滴捕获规律研究

飞机在飞行过程中经常面临结冰危险,具有迫切的防冰需求,高效节能的超疏水电热复合防冰蒙皮具有广阔的应用前景,但目前设计流程中尚未考虑超疏水表面过冷水滴收集特性。为充分发挥超疏水表面对飞机防冰系统的作用,本文设计了一套液滴直径与流量可精准控制的喷雾装置,确定了过冷水滴捕获率试验的方案,并结合传热及表面特性相关理论总结了不同试验条件下表面捕获率变化规律。试验结果表明,在一定环境条件中,超疏水表面与聚酰亚胺（PI）表面的过冷水滴捕获率相对值保持稳定,约为25%。结合热传递及受力分析,超疏水表面能够有效减少水滴在表面的停留总量及停留时间,从而降低过冷水滴捕获率。本文为新一代超疏水电热复合蒙皮的防冰功率精确设计与能耗优化提供了依据,对保证恶劣环境下无人机正常工作具有重要意义。     

飞机防冰除冰技术的研究进展

结冰会影响飞机的气动性能，严重威胁飞行安全，防止或消除飞机关键部位的结冰尤为重要。首先总结了飞机结冰的主要原因以及冰的类型，对目前广泛采用的多种飞机防冰除冰技术的工作原理及优缺点进行了比较和分析，然后介绍了相关技术的国内外研究现状。在此基础上，重点阐述了两种新型防冰除冰技术——超疏水表面以及等离子体驱动器的防冰除冰机理以及探索性的研究成果。与传统的防冰除冰技术相比，两种新型防冰除冰技术更加绿色环保，能耗更低。     

疏水涂层表面防冰效果的结冰风洞实验研究

采用结冰风洞实验的研究方法,对不同疏水涂层表面的防冰效果进行了研究,建立了综合考虑结冰外形、结冰速率和结冰强度等量化参数的防冰效果评估方法。实验研究表明,硅橡胶的防冰效果并不明显,但添加16烷的硅橡胶却显示出了更好的防冰效果,因此,在高分子涂层中添加小分子材料是一种值得探索的防冰涂层研究方向。疏水涂层只能降低结冰速率,无法完全杜绝材料表面的结冰现象,需要对涂层配方及其防冰机理进行更深入的研究,才能获得更好的防冰效果。研究结果对于防冰理论和技术的发展具有现实的意义。     

超疏水表面技术在发动机防冰部件中的应用

超疏水表面技术对防止发动机进口迎风部件结冰具有重要的工程应用价值。通过介绍接触角、滚动角等润湿性模型及低表面能物质微观成分,阐述了超疏水表面的工作原理,及可用于发动机防冰部件的超疏水涂层表面和超疏水金属表面的制备方法;分析了超疏水表面具有的疏水性能和疏冰性能对发动机防冰的影响;展望了超疏水表面技术在发动机防冰部件的应用前景,并提出了应用超疏水表面技术防冰存在的问题,为研制新型、高效的发动机防冰系统提供了新的思路和途径。     

并列双方柱的疏水涂层防冰效果结冰风洞实验评估

采用结冰风洞实验研究的方法,利用0.3m×0.2m结冰风洞主实验段,在不同结冰气象条件下对涂覆在并列双方柱实验模型表面的不同纳米疏水涂层结冰特性进行了实验研究,对左右并排的方柱实验模型表面的结冰外形进行了测量和比较,建立了基于9个结冰外形几何特征量的防冰效果量化评估方法,对有、无纳米疏水涂层表面的结冰外形几何特征量无量纲化偏差进行了计算和分析。研究表明:基于结冰外形几何特征量的防冰效果量化评估方法可以较好地评估纳米疏水涂层的防冰效果。与未涂覆防冰涂层的铝合金材料相比,硅橡胶及其添加颗粒的纳米涂层均具有一定的防冰性能,与硅橡胶涂层相比,有的添加颗粒的纳米涂层防冰效果略好一点,而有的略差一点,没有明显提高。在硅橡胶基底材料中添加纳米疏水颗粒,可以在涂层表面构筑一些微纳结构,从而起到防冰作用。因此,在硅橡胶涂层中添加纳米疏水颗粒是一种值得探索的防冰涂层制备研究方向,但如果仅采用物理混合搅拌的方法,纳米颗粒难以在硅橡胶涂层表面形成稳定疏水性能的微纳乳突结构。纳米疏水涂层只能降低结冰速率,无法完全杜绝材料表面的结冰现象。      

飞机防冰与除冰的若干技术

阐述了飞机表面“水滴结冰”、“干结冰”、“升华结冰”等结冰现象、结冰形式及其影响因素；总结了现有的飞机液体、电热、气热防冰与气动带、电脉冲除冰技术；还对冰风洞、干空气飞行、模拟结冰飞行、结冰模拟以及自然结冰等飞机防冰试验进行了综述。     

飞机防冰与除冰技术综述

飞机结冰指的是飞机飞行时外表面上水份积聚冻结成冰的现象。飞机结冰不仅影响飞机的气动外形。而且影响飞行安全。在本文中。作者阐述了飞机表面的结冰现象及其影响因素；总结了现有的飞机防冰与除冰技术；最后还对几类飞机防冰试验进行了综述。     

飞机防冰表面材料研究进展

结冰不仅给人们的日常生活带来诸多不便,而且影响飞机的飞行安全,甚至引起重大的经济问题和人身威胁。虽然飞机的防/除冰研究已经进行了数十年,但仍然需要开发出对环境无害、经济且有效的防冰策略。防冰表面材料可通过延长结冰时间和降低冰的附着力减轻甚至消除冰的积聚,是目前飞机防/除冰领域学科发展的前沿方向,制备高性能防冰表面材料具有十分重要的意义。本文综述了当前防冰表面材料的研究现状,对超疏水材料以及润滑层材料等应用于防冰领域的优劣势进行分析,并分析与展望了防冰材料的发展方向。     

超疏水和超润滑防冰表面的制备技术概述

对超疏水和超润滑防冰表面的制备方法进行了综述。分析了制备防冰表面的重要意义,重点介绍了化学涂层、表面微纳结构和液体润滑层3种获得超疏水和超润滑防冰表面方法的研究现状,并对防冰表面的发展进行了展望。     

Experimental study of an anti-icing method over an airfoil based on pulsed dielectric barrier discharge plasma

Aircraft icing has long been a plague to aviation for its serious threat to flight safety. Even though lots of methods for anti-icing have been in use or studied for quite a long time, new methods are still in great demand for both civil and military aircraft. The current study in this paper uses widely used Dielectric Barrier Discharge(DBD) plasma actuation to anti-ice on a NACA0012 airfoil model with a chord length of 53.5 cm in a closed-circuit icing wind tunnel. An actuator was installed at the leading edge of the airfoil model, and actuated by a pulsed low-temperature plasma power source. The actuator has two types of layout, a striped electrode layout and a meshy electrode layout.The ice accretion process or anti-icing process was recorded by a CCD camera and an infrared camera. Instantaneous pictures and infrared contours show that both types of DBD plasma actuators have the ability for anti-ice under a freestream velocity of 90 m/s, a static temperature of -7℃,an Median Volume droplet Diameter(MVD) of 20 lm, and an Liquid Water Content(LWC) of 0.5 g/m~3. The detected variations of temperatures with time at specific locations reveal that the temperatures oscillate for some time after spraying at first, and then tend to be nearly constant values.This shows that the key point of the anti-icing mechanism with DBD plasma actuation is to achieve a thermal equilibrium on the model surface. Besides, the power consumption in the anti-icing process was estimated in this paper by Lissajous figures measured by an oscilloscope, and it is lower than those of existing anti-icing methods. The experimental results presented in this paper indicate that the DBD plasma anti-icing method is a promising technique in the future.     

热气防冰参数对机翼表面溢流结冰的影响研究

机翼热气防冰数值模拟中,根据N-S方程求解流场,用Euler法获得水滴撞击特性,通过蒙皮导热将求解得到的内外流场进行耦合传热并达到稳定后,开始模拟结冰,来进行机翼热气防冰及形成溢流结冰的数值计算。计算结果表明,热空气防冰数值模拟是可行和合理的。采用数值模拟方法对机翼热空气防冰过程进行了模拟,得到了由于引气温度不足或机翼热空气保护面积不同而导致的不同溢冰高度和位置。分析了供气温度、防冰区域对翼面溢流冰形成的影响。结果表明:供气温度直接正向影响热交换后蒙皮表面温度。供气温度越低,溢流冰形高度越高,对气动特性影响也越大;热防护区域范围对溢流结冰结果也会产生影响,热防护区域越大,冻结位置距离驻点越远,而且冰形高度越低,对气动特性影响也越弱。     

飞机热气防冰系统研究

介绍了飞机热气防冰系统的应用背景及基本结构，回顾了其发展历程及国内外研究现状.从防冰表面水滴撞击特性计算、蒙皮外部结冰/溢流水模型建立、热气防冰腔内部结构参数研究以及多物理场防冰表面内外耦合仿真这4个关键问题角度，分析了热气防冰系统的主要研究内容.分析表明:准确预测三维溢流冰形成过程、优化热气防冰腔内部结构参数、确定防冰安全边界和防冰裕度以及冰风洞防冰系统实验的参数缩比等关键研究点是热气防冰系统的发展趋势.      

航空发动机支板热滑油防冰性能试验

在冰风洞内开展了结冰条件下涡轴发动机进气支板的热滑油防冰系统的防冰性能试验研究。试验设计加工了滑油电加热系统,采用可编程逻辑控制器（PLC）监控滑油的温度和流量。在冰风洞中采用全尺寸模型开展滑油防冰性能试验,所开展的涡轴发动机支板热滑油防冰试验参数包括：来流温度为-10,-5℃,来流速度为40 m/s,液态水含量为0.5,1.0 g/m³,过冷水滴平均体积直径为20 μm。试验开展了不同结冰气候条件下、不同滑油通道位置滑油防冰进气支板防冰效果的研究,记录了支板表面温度的变化和结冰情况。试验同时得到了支板防冰能力不足时支板表面的结冰冰型和结冰环境下发动机支板热滑油防冰的特点。     

飞秒脉冲激光诱导TC4微结构表面抑冰特性实验

飞机发动机进气道前缘唇口积冰将会严重威胁航空安全,仿生研究表明具有微纳结构的疏水表面可以起到良好的抑冰效果。针对飞机唇口材料TC4,采用飞秒脉冲激光诱导制备TC4微结构表面,利用三维形貌仪和扫描电镜对TC4合金表面三维形貌和微纳结构进行观测,应用接触角测量仪分析表面浸润改性,依托结冰特性实验系统测试微结构表面抑冰抑霜性能,并分析飞秒脉冲激光加工工艺参数对表面微观结构和抑霜特性的影响机制。研究结果表明：随着激光扫描速度的增大,TC4合金表面形成的拱形沟壑深度增加,沟壑上方出现干涉条纹以及圆形凸起且微纳凸起的尺寸随扫描速度的增大而增大,接触角先减小后增大再减小;加工后表面液滴冻结时间比未加工表面延迟30 s;扫描速度2 000 mm/s时的液滴冻结时间最长,霜层质量最小,高度最低。飞秒激光加工TC4合金表面形成的微纳结构以及表面吸附的有机物能够改变表面接触角;粗糙度和表面形貌能够影响表面结冰时间和结霜量。     

基于数值模拟的NSDBD等离子体激励器防冰特性

飞行器表面在一定气象条件下会产生积冰,积冰会使飞行器气动性能下降,是危害飞行安全的重要因素之一。常见的气热及电热防冰系统已经广泛运用于现有飞行器上。近些年,在纳秒脉冲阻挡介质放电（NSDBD）等离子体激励器的相关研究中发现NSDBD等离子体激励器可对周围流场进行快速加热,考虑到这种热效应可能作为飞机防冰的一种新方式。本文用数值方法对NSDBD等离子体激励器防冰特性开展了研究。首先,建立了基于Messinger模型的积冰模型,对典型积冰条件进行了验证计算;其次,耦合唯象学等离子体模型与非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算等离子体对空气流场的影响;最后,将NSDBD等离子体激励器布置在NACA0012翼型前缘防冰区,结合积冰模型与唯象学等离子模型,对其防冰特性进行了研究。计算结果表明等离子体加热的热气流会覆盖在翼型表面防冰区。在相同的霜冰条件下,开启等离子体激励器时机翼前缘没有出现积冰,说明等离体子激励器应用于机翼防冰是有效的。针对不同的激励器参数对防冰特性的影响规律进行了研究,总体上防冰效果与峰值电压、激励器频率有关,从防冰效果和能耗方面考量,在给定计算条件下,存在最优电压值和最优激励器频率值。激励器分布方式对防冰特性的影响与其具体流场有关,需要具体分析。     

飞机热气防冰系统与冰脊预测的数值模拟

基于流固耦合传热的思想建立了一套飞机热气防冰系统的的数值模拟方法,并将其与积冰热力学模型结合起来,实现了热气防冰系统开启时的机翼积冰预测.采用格心格式有限体积法求解N-S方程获得防冰腔与外流场;通过欧拉法在外流场的基础上获得过冷水滴撞击特性;求解三维热传导偏微分方程获得蒙皮的传热特性;采用交接面插值的方法实现防冰腔到外流场的热量传递;建立了考虑三维溢流效应的积冰热力学模型并在此基础上开展了机翼冰脊的数值预测.数值模拟结果表明:热气防冰系统开启时加热机翼表面温度最高可达308K,加热区后的上下机翼表面均有冰脊形成,通过对结果的分析表明该方法是合理可行的.      

A spongy icing model for aircraft icing

Researches have indicated that impinging droplets can be entrapped as liquid in the ice matrix and the temperature of accreting ice surface is below the freezing point. When liquid entrapment by ice matrix happens, this kind of ice is called spongy ice. A new spongy icing model for the ice accretion problem on airfoil or aircraft has been developed to account for entrapped liquid within accreted ice and to improve the determination of the surface temperature when enter- ing clouds with supercooled droplets. Different with conventional icing model, this model identifies icing conditions in four regimes： rime, spongy without water film, spongy with water film and glaze. By using the Eulerian method based on two-phase flow theory, the impinging droplet flow was investigated numerically. The accuracy of the Eulerian method for computing the water collection efficiency was assessed, and icing shapes and surface temperature distributions predicted with this spongy icing model agree with experimental results well.