疏水涂層表面防冰效果的結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究

肖春華，胡站偉，桂業(yè)偉，林貴平，張 暉

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621000；2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083；3.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心，北京 100083)

0 引言

當(dāng)飛機(jī)在環(huán)境溫度低于冰點(diǎn)或在冰點(diǎn)附近的結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí)，大氣中的過(guò)冷水滴撞擊到飛機(jī)表面，結(jié)冰現(xiàn)象就很容易在機(jī)翼、尾翼、旋翼、進(jìn)氣道、風(fēng)擋玻璃、天線罩和儀表傳感器等部件表面發(fā)生［1］。結(jié)冰不僅增加了飛機(jī)的重量，而且破壞了飛機(jī)表面的氣動(dòng)外形，改變了繞流流場(chǎng)，破壞了氣動(dòng)性能，造成飛機(jī)最大升力下降、飛行阻力上升、操作性能下降和穩(wěn)定性能降低［2］，對(duì)飛行安全造成很大的威脅，因結(jié)冰而引發(fā)的飛行事故屢見(jiàn)不鮮，嚴(yán)重的結(jié)冰甚至可以導(dǎo)致機(jī)毀人亡［3-5］。

目前，飛機(jī)常用的防冰方法有兩種［6-7］：一是主動(dòng)防冰，比如熱防冰、化學(xué)防冰等；二是被動(dòng)防冰，比如疏水表面防冰，這是通過(guò)改變表面的物理化學(xué)性質(zhì)，降低水滴在表面的粘附力，從而達(dá)到防冰效果的方法。由于疏水表面防冰具有污染小、能耗低的特點(diǎn)，因此成為目前防冰研究的熱點(diǎn)之一［7］。

一直以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視飛機(jī)防除冰的能耗問(wèn)題。超疏水涂層通過(guò)降低表面結(jié)冰和壁面之間的粘附力，從而降低結(jié)冰的產(chǎn)生、減少除冰所需的能耗。所以，研究結(jié)冰氣象條件下超疏水表面對(duì)結(jié)冰特性的影響規(guī)律，這對(duì)于節(jié)約飛機(jī)燃油消耗和保障飛行安全均有著現(xiàn)實(shí)的意義。David等分別針對(duì)靜態(tài)和撞擊條件下的結(jié)冰，采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)具有較低粘附力涂層的防冰性能進(jìn)行了研究［8］。Rachid等在寒冷氣候條件下對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片表面的憎冰涂層進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，良好性能的憎冰涂層可以大大降低冰與固體表面之間的剪切強(qiáng)度［9］。Victor等人［10］在不同結(jié)冰條件下，采用低壓直流電對(duì)涂層表面的覆冰進(jìn)行電解，研究發(fā)現(xiàn)，電解可以有效降低或消除冰層和表面間的粘附力。

國(guó)內(nèi)在疏水表面防冰研究上也取得了一些進(jìn)展，主要是針對(duì)高壓輸電線路的防冰問(wèn)題進(jìn)行研究，而關(guān)于飛機(jī)疏水表面防冰的研究比較少。2008年我國(guó)南方雪災(zāi)造成了多個(gè)省份經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失，尤其是高壓輸電線路的結(jié)冰問(wèn)題，造成了很多導(dǎo)線的斷裂和塔架的倒塌，由此我國(guó)開(kāi)始重視輸電導(dǎo)線的防冰問(wèn)題。研究人員針對(duì)超疏水涂層良好的物理化學(xué)特性［11-16］，將超疏水涂層涂覆在輸電導(dǎo)線表面，應(yīng)用于高壓線路的防冰，取得了較好的防冰效果。研究發(fā)現(xiàn)，超疏水涂層可以改變覆冰的性質(zhì)，降低冰層和基體的粘附力。

綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外在疏水涂層表面防冰的研究上取得了一定的進(jìn)展，但是目前還比較缺乏表面疏水性參數(shù)與結(jié)冰特性之間量化關(guān)系的研究工作，特別是結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究工作。因此有必要建立疏水表面對(duì)飛機(jī)結(jié)冰特性的影響實(shí)驗(yàn)方法及量化評(píng)估方法，以加快我國(guó)在飛機(jī)結(jié)冰機(jī)理和防除冰應(yīng)用研究的進(jìn)度，為飛機(jī)防除冰系統(tǒng)的自主研制奠定理論、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

通過(guò)結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，從宏觀角度對(duì)疏水涂層表面的防冰效果進(jìn)行初步探索和研究，比較不同涂層表面的結(jié)冰速率和結(jié)冰強(qiáng)度，獲得不同疏水涂層表面的結(jié)冰外形，建立綜合考慮結(jié)冰外形、結(jié)冰速率和結(jié)冰強(qiáng)度等量化參數(shù)的防冰效果評(píng)估方法。這對(duì)于防冰方法的研究和發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也為微觀角度研究疏水表面的防冰機(jī)理奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模型

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在0.3m×0.2m小型結(jié)冰風(fēng)洞第二實(shí)驗(yàn)段內(nèi)進(jìn)行。0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞是一座回流式、閉口、串列雙實(shí)驗(yàn)段的小型風(fēng)洞［17］，風(fēng)洞第一實(shí)驗(yàn)段尺寸0.48m×0.32m×0.9m(寬×高 ×長(zhǎng))，最大風(fēng)速25m/s；第二實(shí)驗(yàn)段尺寸0.3m×0.2m×0.65m(寬×高×長(zhǎng))，最大風(fēng)速60m/s，由于第二實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)于第一實(shí)驗(yàn)段，因此實(shí)驗(yàn)選擇在第二實(shí)驗(yàn)段內(nèi)進(jìn)行。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞第二實(shí)驗(yàn)段照片F(xiàn)ig.1 Photo of primary test segment of icing wind tunnel

冰型測(cè)繪裝置由高溫受熱的薄刀片、帶刻度的硬紙板、游標(biāo)卡尺和鉛筆組成，用于對(duì)模型表面的結(jié)冰外形進(jìn)行切割和測(cè)繪。

采用電子計(jì)數(shù)天平對(duì)結(jié)冰前后的模型進(jìn)行稱重，電子天平的型號(hào)是JM系列，量程0～2000g，精度0.01g。

采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行拍攝和記錄，相機(jī)的型號(hào)是Canon550D，最高分辨率5184×3456，有效像素1800萬(wàn)，焦距18～55mm，快門(mén)速度30～1/4000s。

疏水涂層采用4種復(fù)合高分子材料，分別為硅橡膠1#、硅橡膠2#、硅橡膠-16烷3#、硅橡膠-16烷4#。硅橡膠1#和2#的主要區(qū)別是配方不同，而硅橡膠-16烷3#和4#的主要區(qū)別是添加的小分子數(shù)量不同。均由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閳A柱，材料為鋁合金。模型直徑為Φ30mm，長(zhǎng)200mm，兩端連接頭直徑為 Φ10mm，長(zhǎng)10mm。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞第二實(shí)驗(yàn)段中心位置，與第二實(shí)驗(yàn)段上、下壁面垂直連接，如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞進(jìn)行流場(chǎng)校測(cè)，主要是實(shí)驗(yàn)段氣流速度和溫度。對(duì)噴霧系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，主要是調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)所需要的水壓、氣壓和溫度。對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行稱重，記錄結(jié)冰前的模型重量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在一定的來(lái)流和結(jié)冰云霧參數(shù)條件下進(jìn)行結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)碼相機(jī)記錄圓柱模型表面結(jié)冰外形的變化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)后，取下結(jié)冰后的模型，再對(duì)模型進(jìn)行稱重，記錄結(jié)冰后模型的重量。利用冰型測(cè)繪裝置對(duì)圓柱中央橫截面的結(jié)冰外形進(jìn)行測(cè)繪，首先用高溫受熱的薄刀片垂直切割模型表面的冰，然后將帶刻度的硬紙板插入切割縫隙內(nèi)，用鉛筆手工描繪結(jié)冰的外形，最后將結(jié)冰外形的輪廓進(jìn)行數(shù)字化處理后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.2 Photo of test model

建立綜合考慮結(jié)冰外形、結(jié)冰速率和結(jié)冰強(qiáng)度等量化參數(shù)的防冰效果評(píng)估方法。定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要由3部分組成：一是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娴慕Y(jié)冰外形，即模型對(duì)應(yīng)橫截面位置的結(jié)冰外形，可以通過(guò)冰型測(cè)繪裝置獲得；二是結(jié)冰速率，是指飛機(jī)部件表面上形成冰的速度，即實(shí)驗(yàn)前后模型的重量差與結(jié)冰時(shí)間的比值(g/s)，如公式(1)所示；三是結(jié)冰強(qiáng)度［5］，是指單位結(jié)冰時(shí)間內(nèi)飛機(jī)部件表面結(jié)冰的厚度(mm/s)，如公式(2)所示。

其中，I、J、t、m1、m2、h1、h2分別代表結(jié)冰速率、結(jié)冰強(qiáng)度、結(jié)冰時(shí)間、初始模型重量、結(jié)冰模型重量、初始結(jié)冰厚度和最終結(jié)冰厚度。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究不同疏水涂層對(duì)模型表面結(jié)冰特性的影響及防冰效果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，確定實(shí)驗(yàn)風(fēng)速30m/s，結(jié)冰環(huán)境溫度約-10℃，結(jié)冰時(shí)間5min，平均水滴直徑40μm，液態(tài)水含量約0.7g/m3。每種涂層的結(jié)冰實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，共計(jì)12次結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test condition and data

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

①開(kāi)啟風(fēng)洞和制冷系統(tǒng)，建立并穩(wěn)定所需要的流場(chǎng)(如來(lái)流速度、溫度等)；

②使模型表面溫度和流場(chǎng)環(huán)境溫度達(dá)到平衡；

③調(diào)節(jié)所需要的結(jié)冰云霧參數(shù)(如液態(tài)水含量和水滴平均直徑等)，開(kāi)啟噴霧裝置；

④允許結(jié)冰到規(guī)定時(shí)間(如5min)；

⑤關(guān)閉噴霧裝置；

⑥拍攝和測(cè)繪結(jié)冰外形；

⑦清理模型表面剩余的冰渣和水膜，重復(fù)①進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

3 疏水表面防冰原理

硅橡膠以聚有機(jī)硅氧烷為基本成分，白炭黑為補(bǔ)強(qiáng)填料，添加氫氧化鋁和其它助劑制成膠料，經(jīng)硫化得到的成品，具有較好的疏水性和疏水遷移性。硅橡膠-16烷是在硅橡膠材料內(nèi)添加16烷小分子。其主要的防冰原理：大量的16烷小分子被添加到硅橡膠材料中，從而在硅橡膠表面形成很多洞穴。該小分子具有在低溫環(huán)境下逸出洞穴、在環(huán)境溫度升高后又回歸洞穴的特性，通常沉積在硅橡膠涂層表面的洞穴內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度降低后，小分子浮在涂層表面形成一種微納結(jié)構(gòu)，從而起到憎水和防冰的作用(圖3)。

圖3 硅橡膠-16烷的防冰原理示意圖Fig.3 Schematic of anti-icing principle of silicone rubber-cetane

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1 結(jié)冰外形

圖4是不同疏水涂層表面的結(jié)冰外形照片，其中包括無(wú)涂層模型表面的結(jié)冰外形照片。由照片可以看出，在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，與無(wú)疏水涂層表面相比，硅橡膠涂層表面的結(jié)冰外形相差不大，結(jié)冰量也非常大，說(shuō)明硅橡膠的防冰效果并不明顯。而相比之下，兩種硅橡膠-16烷涂層表面的結(jié)冰明顯要少于硅橡膠涂層表面的結(jié)冰。因此，從實(shí)驗(yàn)獲得的照片可以定性說(shuō)明，硅橡膠-16烷涂層的防冰效果要比硅橡膠涂層的好。

圖5～8是不同疏水涂層表面3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)冰外形比較。由圖可知，在3次相同的結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)條件下，同種疏水涂層表面的結(jié)冰外形均比較接近，說(shuō)明結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)具有一定的重復(fù)性，可以作為結(jié)冰外形定量比較的依據(jù)之一。

圖4 不同涂層表面結(jié)冰比較Fig.4 Photos of icing on different coatings

圖5 硅橡膠1#涂層表面3次結(jié)冰外形Fig.5 Three ice shapes on silicone rubber 1#

圖6 硅橡膠2#涂層表面3次結(jié)冰外形Fig.6 Three ice shapes on silicone rubber 2#

圖7 硅橡膠-16烷3#涂層表面3次結(jié)冰外形Fig.7 Three ice shapes on silicone rubber-cetane 3#

圖8 硅橡膠-16烷4#涂層表面3次結(jié)冰外形Fig.8 Three ice shapes on silicone rubber-cetane 4#

圖9 是相同結(jié)冰條件下不同疏水涂層表面結(jié)冰外形的比較。由圖可以明顯看出，在相同的結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)條件下，硅橡膠1#和2#涂層表面的結(jié)冰外形均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩種硅橡膠-16烷涂層表面的結(jié)冰外形。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量地說(shuō)明，后者的防冰效果明顯要好于前者。

4.2 結(jié)冰速率和強(qiáng)度

從表1中可以看出不同疏水涂層表面的結(jié)冰速率和結(jié)冰強(qiáng)度。小型結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的環(huán)境溫度控制在-12.2℃～-9.3℃之間，屬于混合冰的凍結(jié)溫度范圍，圖4中硅橡膠2#涂層的結(jié)冰照片也正好顯示出該結(jié)冰是霜冰和明冰的混合體。從表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，硅橡膠1#涂層表面的結(jié)冰速率最大(0.401g/s)，而硅橡膠-16烷3#涂層表面的結(jié)冰速率最低(0.032g/s)。硅橡膠2#涂層的結(jié)冰速率與1#涂層的基本相當(dāng)，而硅橡膠-16烷4#涂層的結(jié)冰速率與3#涂層的屬于同一個(gè)量級(jí)。幾種疏水涂層表面的結(jié)冰速率呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律與圖4中結(jié)冰外形的規(guī)律是非常吻合的。但值得注意的是，幾種涂層表面的結(jié)冰強(qiáng)度規(guī)律卻出現(xiàn)了一點(diǎn)差異。其中，硅橡膠2#涂層表面的結(jié)冰強(qiáng)度最大(0.076mm/s)，而1#涂層表面的結(jié)冰強(qiáng)度其次(0.073mm/s)，這與結(jié)冰速率的規(guī)律存在差異。通常最大結(jié)冰厚度發(fā)生在前緣，只能反映局部位置的結(jié)冰強(qiáng)度，而無(wú)法綜合反映整個(gè)結(jié)冰的效果，因此根據(jù)結(jié)冰厚度計(jì)算的結(jié)冰強(qiáng)度是值得商榷的，是一個(gè)比較片面的衡量參數(shù)。而本文采用的結(jié)冰速率可以較好的反映結(jié)冰的綜合效果。綜合考慮結(jié)冰速率和結(jié)冰強(qiáng)度這兩個(gè)指標(biāo)，可以定量地說(shuō)明，硅橡膠-16烷涂層的防冰效果要好于硅橡膠涂層。

圖9 不同涂層表面結(jié)冰外形比較Fig.9 Comparison of ice shapes on different coatings

5 結(jié)論

采用結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的研究方法，從宏觀的角度對(duì)幾種不同疏水涂層表面的防冰效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得如下結(jié)論：

(1)和光滑模型相比，硅橡膠的防冰效果并不明顯。但是添加16烷的硅橡膠卻顯示出更好的防冰效果。

(2)僅僅依靠疏水涂層，無(wú)法完全杜絕材料表面的結(jié)冰現(xiàn)象，只能降低結(jié)冰速率。

(3)防冰效果的評(píng)估必須綜合考慮結(jié)冰外形、結(jié)冰速率和結(jié)冰強(qiáng)度等量化參數(shù)，實(shí)驗(yàn)研究證明這種方法是可行的。

(4)在高分子涂層中添加小分子材料，是一種值得探索的防冰涂層研究方向。

總而言之，高分子復(fù)合材料的疏水涂層具有一定的防冰效果，但是都無(wú)法完全杜絕材料表面的結(jié)冰現(xiàn)象，必須對(duì)其配方和形成機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，才可能獲得更好的防冰效果，下一步打算從更小的尺度對(duì)疏水涂層表面的防冰機(jī)理進(jìn)行研究。

［1］ LYNCH F T，KHODADOUST A.Effects of ice accretions on aircraft aerodynamics［J］.Progress in Aerospace Sciences，2001，37(8)：669-767.

［2］ KINDR J，POTAPCZUK M G，F(xiàn)EOA，et al.Experimental and computational simulation of in-flight icing phenomena［J］.Progress in Aerospace Sciences，1998，34：275-345.

［3］ PETTY K R，F(xiàn)LOYD CD J.A statistical review of aviation airframe icing accidents in the US［R］.NTSB，Washington，DC.

［4］ Aviation accident statistics［R］.National Transportation Safety Board，2008.

［5］ 裘燮綱，韓鳳華.飛機(jī)防冰系統(tǒng)(第一版)［M］.北京：航空專(zhuān)業(yè)教材編審組，1985.

［6］ 袁慎芳，陶寶祺，石立華.一種飛機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)冰監(jiān)測(cè)及自適應(yīng)除冰的模擬試驗(yàn)［J］.航空學(xué)報(bào)，2000，21(6)：575-577.

［7］ VARANASI K K，DENG T，SMITH J D，et al.Frost formation and ice adhesion on superhydrophobic surfaces［J］.Applied Physic Letters，2010，97(23).

［8］ ANDERSON D N，REICH A D.Tests of the performance of coating for low ice adhesion［R］.AIAA-97-0303，1997.

［9］ KARMOUCH R，COUDE S，ABEL G，et al.Icephobic PTFE coatings for wind turbines operating in cold climate conditions［C］.IEEE Electrical Power＆ Energy Conference，2009.

［10］ PETRENKO V F，COURVILLE Z.Active de-icing coating for aerofoils［R］.AIAA 2000-0632，2000.

［11］顧廣新，武利民.防覆冰涂料的研究與進(jìn)展［J］.供用電，2008，25(3)：35-37.

［12］楊晴，王駿.國(guó)內(nèi)外抗冰融冰技術(shù)研究綜述［J］.云南電力技術(shù)，2008，36(4)：35-38.

［13］蔣興良，肖代波，孫才新.憎水性涂料在輸電線路防冰中的應(yīng)用前景［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2008，2(2)：13-18.

［14］文習(xí)山，龔宇清，姚剛，等.導(dǎo)線覆冰增長(zhǎng)規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］.高壓電技術(shù)，2009，35(7)：1724-1729.

［15］姚剛，龔宇清，韓巍，等.納米SiO2-x改性涂膜疏水性及覆冰試驗(yàn)研究［J］.高壓電技術(shù)，2009，35(9)：2256-2263.

［16］ JIANG Xing-liang，MA Jun，ZHANG Zhi-jing，et al.Effect of hydrophobicity coating on insulator icing and DC flashover performance of iced insulators［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17(2)：351-359.

［17］肖春華，桂業(yè)偉，杜雁霞，等.電熱除冰傳熱特性的結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2010，24(4)：22-24.