等離子體激勵(lì)與電加熱式防冰性能對(duì)比

謝理科，梁華，*，吳云，2，方雨霖，魏彪，3，蘇志，劉雪城，鄭博睿

1．空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038

2．西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049

3．中國(guó)人民解放軍95655部隊(duì)，邛崍 611500

4．西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，西安 710048

當(dāng)飛機(jī)在結(jié)冰的氣象條件下飛行時(shí)，云層中的過冷水滴會(huì)撞擊到飛機(jī)部件的迎風(fēng)面并迅速凍結(jié)。機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、擋風(fēng)玻璃、儀表傳感器等關(guān)鍵部件的結(jié)冰嚴(yán)重降低了飛機(jī)的可控性、穩(wěn)定性和安全性。例如，機(jī)翼結(jié)冰會(huì)改變其表面氣動(dòng)形狀，使得升力降低、阻力升高，嚴(yán)重影響氣動(dòng)性能［1-3］。發(fā)動(dòng)機(jī)唇口結(jié)冰會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率和推力，嚴(yán)重的情況下，大冰塊被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作［4］。擋風(fēng)玻璃上的結(jié)冰減少了視野范圍，增加了飛行難度［5］。儀表傳感器（如速度傳感器）結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障或數(shù)據(jù)失真，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致飛行員誤判，致使飛機(jī)墜毀［6-7］。

目前，在傳統(tǒng)的防除冰技術(shù)中，飛機(jī)上應(yīng)用最廣泛的防除冰方法是通過發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)產(chǎn)生的熱空氣輸送至結(jié)冰區(qū)域的熱氣防除冰方法［8-9］。但由于其加熱效率低、能耗高、管路系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)，促使了電熱防除冰方法的發(fā)展［10-11］。傳統(tǒng)的飛機(jī)電加熱防除冰方法是通過電阻絲將電能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過熱傳導(dǎo)經(jīng)蒙皮將熱能傳遞到飛機(jī)表面，使表面冰融化成小塊，并通過氣動(dòng)離心力將其吹走。其具有可靠性高、易于自動(dòng)化等顯著優(yōu)點(diǎn)［12-14］。

對(duì)于大型飛機(jī)而言，蒙皮大多為合金材料，其導(dǎo)熱性能好，電熱膜加熱單元貼附在飛機(jī)蒙皮內(nèi)部，通過加熱蒙皮表面來進(jìn)行電熱防除冰，但這會(huì)使得熱傳導(dǎo)過程中存在能量損耗；對(duì)于貼附在外部蒙皮的電熱膜防除冰，既要防止電阻絲磨損，又要防止熱量向蒙皮內(nèi)部傳導(dǎo)，因而需要通過內(nèi)外功能不同的絕緣層來對(duì)加熱單元分別進(jìn)行隔熱和防護(hù)［15-16］。隨著飛機(jī)減重的需要，尤其是對(duì)于小型無人機(jī)而言，機(jī)翼蒙皮選擇復(fù)合材料，與金屬材料相比，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)小、耐高溫能力低，如波音787飛機(jī)機(jī)翼電加熱防除冰采用的是噴涂金屬多層沉積技術(shù)，將液態(tài)金屬直接噴涂到玻璃纖維織物上以形成導(dǎo)電層，通過產(chǎn)生持續(xù)均勻的熱量來加熱復(fù)合材料機(jī)翼前緣。因而對(duì)于當(dāng)前工程上的電熱防除冰，電阻絲加熱的不僅是合金表面，還有采用復(fù)合材料的飛機(jī)蒙皮表面，其面臨著加熱元件制作、嵌入飛機(jī)蒙皮后的傳熱性能、電氣布線互連系統(tǒng)等技術(shù)難點(diǎn)，這在一定程度上限制了電加熱防冰方法的發(fā)展［17-18］。

表面介質(zhì)阻擋放電（SDBD）是等離子體應(yīng)用于流動(dòng)控制領(lǐng)域研究最廣泛的氣體放電方法，改變激勵(lì)參數(shù)，其可以在放電過程中產(chǎn)生更多的熱，從而加熱其周圍的空氣［19-22］。與傳統(tǒng)的電熱防除冰方法相比，等離子體激勵(lì)防除冰方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、帶寬大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，其在飛機(jī)防除冰領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，有望成為一種新型高效的防除冰方法［23-25］。

根據(jù)激勵(lì)方式的不同，表面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)可分為納秒脈沖表面介質(zhì)阻擋放電（NS-SDBD）等離子體激勵(lì)和正弦交流表面介質(zhì)阻 擋 放 電（AC-SDBD）等 離 子 體 激 勵(lì)［26-28］。Liu等［29-30］比 較 了 相 同 功 耗 下AC-SDBD和NS-SDBD的防除冰效果，結(jié)果表明NS-SDBD誘導(dǎo)的熱效應(yīng)可以防止結(jié)冰，其融冰效果比AC-SDBD更有效。并且，還比較了有調(diào)制波形和連續(xù)波形的AC-SDBD等離子體激勵(lì)的除冰效果，以及AC-SDBD與電阻絲電熱膜的防除冰效果，認(rèn)為在相同功耗下，調(diào)制的AC-SDBD的效果最好，其次是連續(xù)波形的AC-SDBD和電阻絲電熱防除冰。而后，等離子體激勵(lì)防除冰研究更加深入，人們普遍認(rèn)為等離子體激勵(lì)與來流作用后，以氣動(dòng)熱的形式進(jìn)行防除冰［31-35］。

石墨烯電熱是一種新型的電加熱裝置，與傳統(tǒng)的電阻絲加熱膜相比，其具有加熱均勻、電能-熱能轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)［36-37］。因此針對(duì)3種不同的防除冰方法進(jìn)行對(duì)比研究。首先，針對(duì)等離子體激勵(lì)下的放電，利用示波器、電壓探頭和電流探頭記錄和分析等離子體激勵(lì)的放電波形，獲得等離子體激勵(lì)所消耗的功率。而后，在結(jié)冰風(fēng)洞中，在低溫來流條件下，利用紅外熱像儀對(duì)3種防結(jié)冰方法的表面溫度特性進(jìn)行記錄和分析。最后，在溫度T=?15 ℃，液化水含量（Liquid Water Content，LWC）為1 g/m3，平均液 滴 直 經(jīng)（Median Volume Droplet Diameter，MVD）為25 μm，風(fēng)速v=35 m/s的結(jié)冰條件下進(jìn)行防冰試驗(yàn)，記錄整個(gè)防除冰過程中翼型表面溫度和防冰視頻，對(duì)防冰效果及等離子體和電加熱的功耗進(jìn)行精確的數(shù)值分析。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 防冰系統(tǒng)與電源

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了梳狀等離子體激勵(lì)器、普通電阻絲電熱膜和石墨烯電熱膜防冰裝置，3種防冰系統(tǒng)均布置在翼型前緣。圖1為等離子體激勵(lì)器結(jié)構(gòu)示意圖及其在翼型上的安裝，等離子激勵(lì)器包含高壓、低壓電極層和絕緣介質(zhì)層。高壓電極間距為5 mm，寬度為3 mm，低壓電極為一整片銅箔，尺寸為90 mm×60 mm，高壓、低壓電極厚度均為0.06 mm。絕緣介質(zhì)是厚度為0.18 mm的聚酰亞胺（Kapton）膠帶。等離子體激勵(lì)系統(tǒng)包括等離子體激勵(lì)器和參數(shù)化高壓脈沖電源。通過調(diào)節(jié)電源的脈沖幅值、脈沖寬度、上升時(shí)間和下降時(shí)間來控制輸出波形。

電熱膜如圖2所示，加熱材料分別為電阻絲合金與石墨烯，二者均通過聚酰亞胺膜包裹。電阻絲電熱膜由2條電阻絲并聯(lián)而成，間距為2.00 mm，每條電阻絲寬度為3.75 mm，電阻絲的覆蓋面積與等離子激勵(lì)器的高壓電極的相同。與電阻絲電熱膜不同，石墨烯電熱膜的電極則是一張薄膜，其覆蓋區(qū)域?yàn)?0 mm×60 mm。電熱膜加熱系統(tǒng)由電熱膜和直流穩(wěn)定電源組成。2種電加熱膜在機(jī)翼前緣的安裝與圖1中等離子體激勵(lì)器的相同。等離子體激勵(lì)器厚度和2種電加熱膜厚度均為0.3 mm，在防冰過程中，其對(duì)翼型形狀的影響可以忽略不計(jì)。

圖1 等離子體激勵(lì)器結(jié)構(gòu)示意圖及其在翼型上的安裝Fig. 1 Schematic diagram of plasma actuator configura?tion and its installation on airfoil

圖2 電熱膜Fig. 2 Electric heating device

1.2 冰風(fēng)洞與翼型

防冰試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行。圖3為冰風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖，風(fēng)洞為閉環(huán)結(jié)冰風(fēng)洞，包括動(dòng)力段、冷凝段、穩(wěn)流段、收縮段、測(cè)試段和擴(kuò)散段等。結(jié)冰風(fēng)洞測(cè)試段為矩形，長(zhǎng)為0.65 m，寬為0.30 m，高為0.20 m，最大風(fēng)速為170 m/s。MVD可根據(jù)供水和供氣壓力的比值進(jìn)行調(diào)節(jié)，在20~50 μm范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)噴嘴數(shù)量，可將LWC調(diào)整為0.5 g/m3或1.0 g/m3。測(cè)試段可調(diào)溫度范圍為?40 ℃~常溫。試驗(yàn)采用的模型為NACA0012翼型，如圖1中所示，其弦長(zhǎng)為200 mm，展長(zhǎng)為190 mm。

圖3 冰風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of icing wind tunnel structure

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖4為測(cè)量系統(tǒng)。圖中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括電參數(shù)采集系統(tǒng)、表面溫度采集系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)防冰過程采集系統(tǒng)。電參數(shù)采集系統(tǒng)主要由示波器（DPO4104B）、高壓探頭（P6015A）和電流探頭（TCP0030A）組成，用于采集激勵(lì)器放電時(shí)的電壓、電流等電參數(shù)。表面溫度采集系統(tǒng)主要由FLIR SC7300M熱像儀、熱像儀控制平臺(tái)和專用光學(xué)玻璃組成。熱像儀垂直安裝在模型表面，通過光學(xué)玻璃（鍍鍺玻璃）采集模型表面溫度分布的動(dòng)態(tài)變化，采集頻率為25 Hz。動(dòng)態(tài)防冰過程采集系統(tǒng)，主要包括尼康D7000相機(jī)、加熱玻璃、三腳架。攝像機(jī)固定在風(fēng)洞的右側(cè)正面，以捕捉防冰的動(dòng)態(tài)過程。試驗(yàn)所有結(jié)冰條件為T=?15 ℃，LWC=1 g/m3， MVD=25 μm，v=35 m/s，噴灑之前進(jìn)行加熱，達(dá)到低溫條件下的熱平衡狀態(tài)，并以噴霧裝置噴灑過冷水滴的開始時(shí)刻為0時(shí)刻，隨后采集240 s內(nèi)翼型表面的結(jié)冰情況及溫度變化情況。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)Fig. 4 Measurement system

2 結(jié)果和討論

2.1 電特性

影響等離子體激勵(lì)器功耗的主要因素有2個(gè)，即激勵(lì)電壓和激勵(lì)頻率。為了更準(zhǔn)確地比較等離子體激勵(lì)和電加熱膜的防冰效果，控制二者具有相同的功耗顯得尤為重要。采集等離子體激勵(lì)器兩端的放電電壓和流過的電流，從而計(jì)算激勵(lì)器所消耗的功率。電熱膜由直流穩(wěn)定電源供電，其功率可通過純電阻電路計(jì)算，因而容易控制準(zhǔn)確的量。等離子體激勵(lì)的電壓為脈沖式，其 功耗計(jì)算復(fù)雜，Zheng等［38］在研 究中發(fā)現(xiàn)，NS-SDBD等離子體激勵(lì)的功率可以通過對(duì)電壓和電流的積分來計(jì)算，在阻抗匹配不變的情況下，功耗與激勵(lì)電壓呈二次關(guān)系，與放電頻率為線性關(guān)系。

圖5為等離子體激勵(lì)器電特性曲線。經(jīng)過多次放電試驗(yàn)測(cè)試，選擇電壓峰值Upp=8 kV，上升時(shí)間、下降時(shí)間和脈沖寬度均為100 ns作為激勵(lì)參數(shù)，其單脈沖電壓和電流波形如圖5（a）所示，可以看出，電流的峰值出現(xiàn)在脈沖電壓的上升和下降階段。通過對(duì)單脈沖放電電壓和電流的瞬時(shí)值進(jìn)行積分可以得到單脈沖能量，結(jié)合放電頻率進(jìn)一步計(jì)算等離子體激勵(lì)器的功耗。因而，其功率計(jì)算公式為

式 中：P為 放 電 功 率；f為 放 電 頻 率；T0為 脈 沖 周期；u（t）為瞬時(shí)電壓；i（t）為瞬時(shí)電流；t為時(shí)間。

通過計(jì)算不同頻率（1~10 kHz，間隔為1 kHz）下的單脈沖能量，繪制其功率隨頻率的變化曲線圖，如圖5（b）所示。隨著放電頻率的增加，電源與激勵(lì)器的匹配變差，單脈沖能量值會(huì)略有下降。工作頻率高，功耗大，電源在供電時(shí)可能出現(xiàn)容量不足，從而出現(xiàn)單脈沖能量降低的現(xiàn)象。從功耗與頻率的散點(diǎn)圖來看，其擬合曲線幾乎是一條直線，這與Zheng等［38］的研究結(jié)果一致。單脈沖能量的輕微降低對(duì)功耗與頻率的線性關(guān)系影響不大，可以通過改變放電頻率來靈活地改變激勵(lì)器的能耗。

圖5 等離子體激勵(lì)器電特性曲線Fig. 5 Electrical characteristic curve of plasma actuator

電阻絲電熱膜電路和石墨烯電熱膜電路均為純電阻電路，因而可通過焦耳定律直接獲得二者的功率，采用的電源為可調(diào)直流源（ZXD2400），其電壓的調(diào)節(jié)范圍為0~120 V，最大功率為3 kW，自身能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量和顯示電路中的電壓與電流。電阻絲電熱膜和石墨烯電熱膜均為定制的，通過試驗(yàn)測(cè)量，當(dāng)電阻絲電熱膜和石墨烯電熱膜的電壓分別為10.57 V和24.35 V時(shí)，二者輸出功率與等離子體激勵(lì)時(shí)輸出的功率一致。

2.2 防冰性能

選 取T=?15 ℃、LWC=1 g/m3、MVD=25 μm、v=35 m/s的典型結(jié)冰條件，比較3種方法的防冰效果。為了保證測(cè)試段結(jié)冰條件的穩(wěn)定性，在開啟噴霧系統(tǒng)前，結(jié)冰風(fēng)洞首先在預(yù)設(shè)的低溫和35 m/s風(fēng)速下運(yùn)行5~10 min，使試驗(yàn)段達(dá)到熱平衡，而后開啟防除冰裝置并同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使得翼型表面達(dá)到熱平衡。開啟噴霧系統(tǒng)，該時(shí)刻為t0=0 s，直至t=240 s時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

等離子體激勵(lì)電壓為8 kV，激勵(lì)頻率為4 kHz，從圖5（b）可以得知，其放電功率為62.5 W。電阻絲電熱膜的電壓和電流分別為10.57 V和5.93 A，輸入功率為62.7 W；石墨烯電熱膜的電壓和電流分別為24.35 V和2.57 A，輸入功率為62.6 W。3個(gè)防除冰系統(tǒng)的功耗基本上保持一致。圖6為在打開噴霧裝置后的240 s內(nèi)，基準(zhǔn)狀態(tài)和采用不同防除冰方法的防冰效果。

圖6 基準(zhǔn)狀態(tài)和采用不同防除冰方法的防冰效果Fig. 6 Benchmark state and anti-icing effect of differ?ent anti-icing methods

等離子體激勵(lì)器防除冰系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程如圖6（b）所示，當(dāng)噴霧裝置打開時(shí)，過冷水滴迅速撞擊翼型前緣，在等離子體的熱效應(yīng)作用下，過冷水滴吸收熱量，溫度升高，無法凍結(jié)在前緣，在來流的作用下，其沿著翼型表面流向后緣。等離子體產(chǎn)生的加熱區(qū)域沒有形成冰層，因而，實(shí)現(xiàn)了非常好的防除冰效果。電阻絲電熱膜的防除冰動(dòng)態(tài)過程如圖6（c）所示，在打開噴霧裝置后，熱平衡狀態(tài)下翼型表面溫度較高，過冷水滴未能凝結(jié)成積冰。與等離子體激勵(lì)不同的是，當(dāng)t=30 s時(shí)，在翼型的前緣處的2根電阻線之間的空間出現(xiàn)了微小的積冰，形成了小凸起，隨著時(shí)間的推移，小凸起越來越多。黏性力較低的冰塊會(huì)被來流吹走，當(dāng)t=120 s時(shí)，幾乎所有的電阻絲周圍都有小冰塊，小冰塊的體積也比t=30 s時(shí)的大得多，當(dāng)t=240 s時(shí)，在翼型的前緣形成一個(gè)個(gè)交錯(cuò)的鋸齒冰塊，表明電阻絲電熱薄膜只能在其加熱的地方起到有效防冰，而在無法加熱的區(qū)域則無法防冰。圖6（d）為240 s內(nèi)石墨烯電熱膜的動(dòng)態(tài)防結(jié)冰過程，由于石墨烯電熱膜具有均勻的加熱效果，翼型前緣沒有出現(xiàn)像電阻絲電熱膜一樣的小冰塊，石墨烯電熱膜達(dá)到了優(yōu)異的防冰效果。

2.3 熱特性

基準(zhǔn)狀態(tài)下翼型表面溫度分布云圖如圖7所示。由圖7可見，在沒有防冰系統(tǒng)的情況下，整個(gè)過程中翼型表面溫度都低于0 ℃，在冰層變厚的過程中，過冷水滴撞擊翼型表面時(shí)損耗的能量使得翼型表面的溫度有所升高。

圖7 基準(zhǔn)狀態(tài)下翼型表面溫度分布云圖Fig. 7 Cloud map of temperature distribution on airfoil surface at benchmark state

圖8為等離子體激勵(lì)防護(hù)下翼型表面溫度分布的動(dòng)態(tài)示意圖，打開等離子體激勵(lì)器的電源后，激勵(lì)器表面溫度迅速升高。當(dāng)t=t0時(shí)，即開啟噴霧裝置時(shí)，激勵(lì)器表面溫度基本保持不變，翼型表面溫度基本達(dá)到熱平衡。由于激勵(lì)器高壓電極的發(fā)射率與聚酰亞胺膜的發(fā)射率不一致，為了避免銅箔引起的試驗(yàn)誤差，一方面通過試驗(yàn)前的多次放電加快銅箔的氧化，另一方面使用相同顏色的漆噴涂于銅箔電極表面，從而能夠較好地保證二者的發(fā)射率一致。翼型前緣沿展向的溫度分布呈網(wǎng)格分布。在2個(gè)高壓電極之間的區(qū)域內(nèi)，溫度分布呈“V”形，其原因是等離子體激勵(lì)器引起的大量對(duì)流換熱進(jìn)入了低溫來流。等離子體激勵(lì)器產(chǎn)生的熱量分布從高壓電極的邊緣向周邊擴(kuò)散，高壓電極邊緣溫度最高，兩電極中間溫度最低。在t=t0時(shí)刻開啟噴霧裝置后，進(jìn)入防冰狀態(tài)，過冷水滴撞擊激勵(lì)器表面，激勵(lì)器表面溫度分布發(fā)生較大變化，翼型前緣激勵(lì)器表面溫度有所下降，但仍保持在0 ℃以上。沿弦向，激勵(lì)器表面溫度逐漸升高，在等離子體保護(hù)區(qū)，下游位置溫度最高，超過28 ℃。整個(gè)防冰過程中，激勵(lì)器保護(hù)區(qū)域表面溫度均在0 ℃以上，達(dá)到了完美的防冰效果，與圖6（b）中防冰過程實(shí)際畫面一致。

圖8 等離子體激勵(lì)器作用下翼型表面溫度分布云圖Fig. 8 Cloud map of temperature distribution on airfoil surface under protection of plasma actuator

電阻絲電熱膜作用下翼型表面溫度分布云圖如圖9所示。電熱膜表面溫度上升至平衡狀態(tài)后，其溫度分布也與等離子體激勵(lì)器相似。表面溫度“V”型分布也出現(xiàn)在機(jī)翼前緣。盡管電阻絲電熱膜和等離子體激勵(lì)器的熱源呈條狀分布，但熱源的來源不同，電阻絲電熱膜根據(jù)歐姆定律從電阻產(chǎn)生熱量，等離子體激勵(lì)器通過高壓電極電離空氣放電產(chǎn)生熱量。熱源集中在電阻絲上，電阻絲間隙熱量少，因此，在來流作用下，縫隙處降溫幅度較大，且距離熱源越遠(yuǎn)，降溫幅度越大，這導(dǎo)致了一個(gè)“V”形的溫度分布形式。t=30 s時(shí)，翼型前緣電阻絲電熱膜表面部分區(qū)域溫度出現(xiàn)至0 ℃以下，這與圖6（c）中電阻絲電熱膜防冰過程圖吻合。而后，翼型前緣表面溫度低于0 ℃的區(qū)域越來越多，當(dāng)t=240 s時(shí)，翼型前緣電阻絲之間形成了一排交錯(cuò)的0 ℃以下的結(jié)冰區(qū)域。翼型前緣間隔結(jié)冰的主要原因有：①冷空氣對(duì)流換熱。當(dāng)?shù)蜏貋砹鞔颠^翼型表面時(shí)，與翼型進(jìn)行對(duì)流換熱帶走熱量。翼型前緣與來流接觸面積最大，對(duì)流換熱最強(qiáng)，散熱最快，導(dǎo)致前緣溫度最低。②與過冷水滴熱傳導(dǎo)。當(dāng)過冷水滴撞擊翼型表面時(shí)，由于溫度差而發(fā)生熱傳導(dǎo)，翼型前緣的熱傳導(dǎo)系數(shù)最大，過冷水滴被翼型前緣加熱后，大部分流向翼型的上表面和后緣。因此，翼型前緣的散熱比翼型其他部位要高得多。

圖9 電阻絲電熱膜作用下翼型表面溫度分布云圖Fig. 9 Cloud map of temperature distribution on airfoil surface under protection of resistance wire elec?tric heating film

圖10為石墨烯電熱膜作用下翼型表面溫度分布云圖。與電阻絲電熱膜不同，石墨烯電熱膜表面溫度分布的均勻性極佳，整體溫度也較低。石墨烯電熱膜的表面最高溫度僅為25 ℃，在整個(gè)防冰過程中，其防護(hù)區(qū)域的最低溫度一直保持在0 ℃以上。這說明石墨烯電熱膜具有良好的防冰效果。在相同功率條件下，石墨烯電熱膜的防冰效果優(yōu)于電阻絲電熱膜。出現(xiàn)這種情況的主要原因是，與電阻絲電熱膜的條形電極不同，石墨烯電加熱膜的加熱電極是整體石墨烯電極，這意味著更均勻的產(chǎn)熱面積。當(dāng)過冷水滴撞擊到電阻絲之間的間隙時(shí)，這種熱量的傳導(dǎo)受阻，導(dǎo)致電阻絲之間的間隙出現(xiàn)低溫結(jié)冰區(qū)，這也說明防冰裝置熱源分布的均勻性對(duì)翼型防冰十分重要。

圖10 石墨烯電熱膜作用下翼型表面溫度分布云圖Fig. 10 Cloud map of temperature distribution on air?foil surface under protection of graphene elec?tric heating film

圖11為防冰過程中3種防冰系統(tǒng)表面溫度的動(dòng)態(tài)變化曲線。采集3種防冰系統(tǒng)的溫度區(qū)域如圖8~圖10中的矩形框所示，其中矩形框的左邊框剛好位于翼型前緣，以該區(qū)域的最高溫度、最低溫度和平均溫度的動(dòng)態(tài)變化情況作為分析。

圖11（a）展示了噴霧裝置開啟60 s后的3種防冰系統(tǒng)保護(hù)下的翼型前緣溫度分布曲線?？梢钥闯?，3種防冰系統(tǒng)的保護(hù)區(qū)域（圖8~圖10中矩形框所示區(qū)域）的溫度分布差異較大。等離子體激勵(lì)器保護(hù)區(qū)域溫度波動(dòng)最大，呈波狀分布，最高溫度為35 ℃，最低溫度只有0.2 ℃。與等離子體激勵(lì)器類似，電阻絲電熱膜防冰下的表面溫度也有波動(dòng)，但波動(dòng)程度（最高溫度與最低溫度之差）較小，僅為等離子體激勵(lì)器的57.14%。與上述2種防冰系統(tǒng)不同，石墨烯電熱膜保護(hù)下的翼型表面溫度波動(dòng)很小。在翼型前緣，電阻絲電熱膜表面溫度出現(xiàn)低于0 ℃的區(qū)域。而石墨烯電熱膜的表面最低溫度為0.3 ℃。這說明石墨烯電熱膜均勻的產(chǎn)熱功能對(duì)防冰過程有積極的作用。

噴霧前，3種防冰系統(tǒng)有一個(gè)加熱階段，圖11（b）~圖11（d）以加熱開始時(shí)刻為0時(shí)刻。未噴霧時(shí)，當(dāng)防冰系統(tǒng)開啟后，翼型表面的溫度迅速上升，噴霧裝置噴霧后，最高溫度和平均溫度達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)上述的t0時(shí)刻。如圖11（b）所示，等離子體激勵(lì)器的最高溫度在60 s內(nèi)上升到65 ℃，升溫過程分為2個(gè)階段，0~20 s為第1階段，平均溫升速率為3.25 ℃/s，第2階段為20~60 s，平均溫升速率為0.25 ℃/s，約為第1階段的7.7%。在60 s后，等離子體激勵(lì)器表面溫度基本穩(wěn)定。此時(shí)，打開結(jié)冰風(fēng)洞的噴霧裝置。由于來流冷空氣和過冷水滴的沖擊，激勵(lì)器表面的最高溫度瞬間下降，降幅約為10 ℃。

圖11 3種防冰系統(tǒng)防冰過程中表面溫度變化曲線Fig. 11 Surface temperature change curves of three anti-icing systems during anti-icing process

電阻絲電熱膜表面最高溫度在58 s內(nèi)達(dá)到108 ℃，且升溫過程相對(duì)穩(wěn)定，升溫速率處于連續(xù)緩慢下降過程。整個(gè)過程的平均溫升速率為1.86 ℃/s。在t=58 s開啟結(jié)冰風(fēng)洞噴霧裝置，表面最高溫度瞬間下降，下降幅度達(dá)到28 ℃。與等離子體不同的是，電阻絲電熱膜在溫度波動(dòng)過程中的最高溫度仍有較明顯的下降，最終保持在70 ℃左右。石墨烯電熱膜表面的最高溫度在80 s以內(nèi)達(dá)到58 ℃，升溫過程相對(duì)穩(wěn)定，升溫速率緩慢下降，平均溫升速率為0.725 ℃/s，分別為等離子體激勵(lì)器的67.1%和電阻絲電熱膜的40.0%。進(jìn)入防冰狀態(tài)后，石墨烯電熱膜表面的最高溫度并沒有經(jīng)歷瞬時(shí)降低過程。與前2種防冰系統(tǒng)相比，石墨烯電熱膜的降溫過程更緩和。

如圖11（d）所示，翼型表面最低溫度與防冰效果直接相關(guān)，為了達(dá)到更好的防冰效果，表面最低溫度必須保持在0 ℃以上。打開電源后，等離子體激勵(lì)器表面的最低溫度迅速達(dá)到0 ℃以上，并保持相對(duì)穩(wěn)定。進(jìn)入防冰狀態(tài)后，由于過冷水滴的沖擊，激勵(lì)器表面與過冷水滴進(jìn)行換熱，導(dǎo)致表面最低溫度輕微下降，但始終保持在0 ℃以上，因而不會(huì)結(jié)冰。而電阻絲電加熱膜，其表面最低溫度在整個(gè)過程中從未超過0 ℃，這說明電阻絲電熱膜表面一定會(huì)存在結(jié)冰區(qū)域，即圖6（c）中翼型前緣電阻絲之間的間縫。石墨烯電熱膜表面的最高溫度雖然低于電阻絲電熱膜，但其表面最低溫度高，始終高于0 ℃。進(jìn)入防冰狀態(tài)后，石墨烯電熱膜表面的最低溫度有相對(duì)明顯的下降。

為了更好地解釋防冰過程中的傳熱，分析了3種防冰系統(tǒng)的傳熱機(jī)理，如圖12所示。3種防冰系統(tǒng)的熱生成方法是不一樣的，電阻絲電熱膜通過電阻絲產(chǎn)生熱量，沒有電阻絲的區(qū)域無熱源，熱量來源于介質(zhì)傳輸，如圖12（a）所示。石墨烯電熱膜整片作為熱源，如圖12（b）所示。等離子體激勵(lì)器的熱量是壁面附近的空氣放電產(chǎn)生，如圖12（c）所示。

圖12 防冰傳熱機(jī)理示意圖Fig. 12 Schematic diagram of anti-icing heat transfer mechanism

圖12中水滴1和水滴2表示在電極附近的過冷水滴，水滴3表示離電極較遠(yuǎn)的過冷水滴。當(dāng)過冷水滴撞擊防冰系統(tǒng)表面時(shí)，對(duì)于電阻絲電熱膜來說，水滴1和水滴2不僅要直接吸收熱源的熱量，還要吸收熱源傳遞到電阻絲間隙的熱量。這將導(dǎo)致電阻絲電熱膜表面無熱源區(qū)域的熱量迅速下降。因此，當(dāng)水滴3撞擊電阻絲電熱膜表面時(shí)，剩余的熱量不足以將其加熱到0 ℃以上，導(dǎo)致電阻絲間隔處的凝固點(diǎn)很小，從而導(dǎo)致翼型前緣結(jié)冰。與電阻絲電熱膜不同，當(dāng)過冷液滴撞擊石墨烯電熱膜表面時(shí)，所有的液滴都能直接從熱源吸收熱量，因?yàn)楸砻嫠械狞c(diǎn)都是熱源。因此，在表面平均溫度較低的情況下，石墨烯電熱膜也能達(dá)到較好的防冰效果。等離子體激勵(lì)器的熱源分布類似于電阻絲電熱膜，但由于壁面附近空氣的快速加熱形成了熱氣膜，水滴3還可以從熱氣膜中吸收熱量，因而，仍然可以取得較好的防冰效果。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了等離子體激勵(lì)器、電阻絲電熱膜和石墨烯電熱膜3種防冰系統(tǒng)，并進(jìn)行了防冰試驗(yàn)。首先，利用電壓波形和電流波形分析了等離子體激勵(lì)的放電過程，驗(yàn)證了放電功率與激勵(lì)頻率之間的線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)等離子體激勵(lì)器的激勵(lì)電壓與頻率、電阻絲電熱膜與石墨烯電熱膜的輸入電壓，保持三者功率一致。在防冰試驗(yàn)中，通過攝像機(jī)和熱成像儀記錄了防冰系統(tǒng)啟動(dòng)至結(jié)束期間翼型表面結(jié)冰和溫度變化情況，得到了以下結(jié)論：

1）在相同功耗下，石墨烯和等離子體均能有效實(shí)現(xiàn)防冰。電阻絲電熱膜通過電阻絲產(chǎn)生熱量，沒有電阻絲的區(qū)域無熱源，其熱量來源于介質(zhì)傳導(dǎo)，當(dāng)無法提供足夠熱量時(shí)，翼型表面的最低溫度低于0 ℃易出現(xiàn)結(jié)冰。對(duì)于石墨烯電熱與電阻絲電熱，二者均為純電阻電路，因而在相同功率下產(chǎn)生的焦耳熱也是相同的，在防除冰效果上的差異主要是因?yàn)槎叩慕Y(jié)構(gòu)差異使得熱量存在分配上的差異。石墨烯電熱膜整片作為熱源，盡管在防冰過程中平均溫度最低，但能夠有效維持翼型表面最低溫度在0 ℃以上。等離子體激勵(lì)器產(chǎn)生的熱量來源于高電壓條件下近壁面的空氣放電，既提升了翼型表面溫度，也提升了周圍空氣溫度，因而在壁面附近空氣的快速加熱形成的熱氣膜，有效維持了翼型表面等離子體激勵(lì)區(qū)域較高的溫度。

2）防冰過程中，翼型前緣是最難防冰的，因此防冰裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)使大部分熱量集中在機(jī)翼前緣。此外，熱源分布應(yīng)盡可能均勻，以保證每個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的熱量加熱來流（如石墨烯電熱膜），而不是依賴附近的熱源（如電阻絲電熱膜），合理的能耗分配對(duì)防冰和節(jié)能具有重要的意義。