常用金屬材料表面積冰仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

陳典斌，張繼華，王希亮，張雷，李賀，韓東霏

（1.中國人民解放軍63853 部隊(duì)，吉林 白城 137001；2.中國人民解放軍63867 部隊(duì)，吉林 白城 137001）

凍雨是過冷水滴與溫度低于0 ℃的物體碰撞后立即凍結(jié)的降水[1]。凍雨凝結(jié)形成積冰的危害不容忽視[2]。在極端環(huán)境條件[3-5]的影響下，裝備服役條件的改變會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響[1]。過冷水滴迅速在裝備表面凍結(jié)形成結(jié)冰[6-9]，會(huì)帶來以下不良影響：運(yùn)動(dòng)部件凍結(jié)會(huì)引起結(jié)構(gòu)故障；表面結(jié)冰嚴(yán)重會(huì)影響到操縱穩(wěn)定性；發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道及動(dòng)力裝置結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致突發(fā)的損壞或驟停[10]；凍雨滲透進(jìn)入裝備[11-12]內(nèi)部，其內(nèi)、外部精密電子設(shè)備會(huì)因結(jié)冰而產(chǎn)生干擾或破壞[13]，從而造成性能降低或失效；會(huì)增加雷達(dá)天線、氣動(dòng)控制面、直升機(jī)旋翼等的質(zhì)量；降低風(fēng)擋玻璃和光學(xué)設(shè)備的能見度；影響電磁輻射的傳輸；嚴(yán)重的積冰可導(dǎo)致裝備失控、動(dòng)力散失，從而影響其氣動(dòng)性能和各系統(tǒng)的正常工作[14]；裝備出現(xiàn)的故障有可能引發(fā)事故[15]，不僅影響到裝備的工作性能和生存能力，更是嚴(yán)重影響到了人員安全。

裝配了各類高新技術(shù)設(shè)備的裝備在其全壽命周期中，需要在全天候、全地域作戰(zhàn)，能否適應(yīng)各種復(fù)雜極端環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是裝備的一個(gè)重要質(zhì)量特性[16]。為評(píng)價(jià)積冰凍雨環(huán)境對(duì)裝備的影響及其危害程度，驗(yàn)證裝備對(duì)此類極端環(huán)境的適應(yīng)性，數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的分析是必要的。仿真校驗(yàn)測試可以在正式試驗(yàn)開始前發(fā)現(xiàn)并更正絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)試的時(shí)間，極大地提高控制質(zhì)量和精度。在仿真環(huán)境下，可以通過改變環(huán)境參數(shù)和各種工況，測試裝備的設(shè)計(jì)反應(yīng)；可進(jìn)行各種參數(shù)選擇，提高裝備參數(shù)選擇的精確度。文中使用數(shù)值仿真軟件ANSYS 進(jìn)行二維結(jié)冰分析，用以選擇材料最適宜結(jié)冰的放置角度，再選取一種工況對(duì)3 種常見金屬材料進(jìn)行了結(jié)冰仿真，分析為結(jié)冰試驗(yàn)的進(jìn)行提供了數(shù)據(jù)參考。為驗(yàn)證仿真與試驗(yàn)的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行人造結(jié)冰試驗(yàn)。為得到更接近自然真實(shí)的積冰凍雨環(huán)境技術(shù)細(xì)節(jié)和參數(shù)，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求[17-18]，在確定環(huán)境試驗(yàn)主要技術(shù)指標(biāo)和要求的基礎(chǔ)上，主要考慮雨強(qiáng)、被試品初始溫度、環(huán)境溫度、噴淋高度、水溫等條件。通過改變上述參數(shù)，噴淋小粒徑[19-22]水滴模擬凍雨產(chǎn)生積冰及積冰聚集的環(huán)境條件，在常見裝備金屬材料表面形成了結(jié)冰，獲得了基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)確定準(zhǔn)確結(jié)冰試驗(yàn)條件、展開試驗(yàn)實(shí)施及提升試驗(yàn)研究結(jié)果精確性提供理論支撐。

國外結(jié)冰研究始于20 世紀(jì)40 年代[23]，主要技術(shù)手段可分為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究[24]。在試驗(yàn)研究及技術(shù)理論方面，美國、英國、加拿大等軍事強(qiáng)國[25]均建有一定規(guī)模和數(shù)量的氣候風(fēng)洞、覆冰模擬室等相關(guān)氣候環(huán)境試驗(yàn)設(shè)施，可模擬多種冰凍環(huán)境，進(jìn)行環(huán)境條件可控的積冰凍雨試驗(yàn)，可在裝備運(yùn)行前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，為缺陷的更正提供參考和依據(jù)，以最大限度地保證安全[26]，相關(guān)試驗(yàn)已開展多年，并形成了成熟的試驗(yàn)技術(shù)和完善的管理體系。在數(shù)值模擬方面，國外從20 世紀(jì)50—60 年代到現(xiàn)在，開發(fā)了較為成熟的數(shù)值模擬軟件。如NASA 的LEWICE 及LEWICE3D軟件、加拿大的FENSAPE-ICE 軟件（已被ANSYS收購）、法國的ICING CODE、意大利的PLiMIce、英國的TRAJICED、德國的Star-CCM+等，可對(duì)三維結(jié)冰數(shù)值進(jìn)行模擬，主要用于計(jì)算結(jié)冰對(duì)裝備性能及操控穩(wěn)定性的影響[27]。

國內(nèi)結(jié)冰研究起步較晚[28]，多集中于航空和電力領(lǐng)域。航空方面主要對(duì)水滴撞擊特性及翼面結(jié)冰過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究；電力相關(guān)單位均建成了規(guī)模不等的積冰凍雨實(shí)驗(yàn)室，用于模擬積冰環(huán)境對(duì)特高壓設(shè)備的影響。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)從2001 年起步，開發(fā)了如NUAA-ICE3D、NNWICE、AERO-ICE 等結(jié)冰軟件[29]，主要進(jìn)行機(jī)翼結(jié)冰研究及相關(guān)數(shù)值計(jì)算。

1 仿真分析

1.1 水的結(jié)冰特性

水結(jié)冰由液態(tài)轉(zhuǎn)向固態(tài)，結(jié)冰前，在一個(gè)晶格中，1 個(gè)氧原子位于四面體的中心，4 個(gè)氫原子位于正四面體的頂點(diǎn)上，分子間空隙保持一定。結(jié)冰后，密度變小，分子間的劇烈運(yùn)動(dòng)致使頻繁碰撞，各分子間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而相互交錯(cuò)，從而互相填補(bǔ)空隙，體積增大。水的自然對(duì)流在相變過程中存在放熱現(xiàn)象[26]，故在實(shí)際相變過程中的自然對(duì)流不可忽視。水具有獨(dú)特的4 ℃密度反轉(zhuǎn)，其密度在4 ℃時(shí)達(dá)到最大值，故冰水相變系統(tǒng)中的自然對(duì)流不同于一般的自然對(duì)流。結(jié)冰時(shí)，在冰表面和周圍水間的溫度變化區(qū)域[30]內(nèi)，存在緊貼冰層0 ℃表面的向上流和4 ℃外的向下流2 個(gè)自然對(duì)流區(qū)。水在相變溫度tm=0 ℃時(shí)融化，其浮升力B為：

式中：g為重力加速度；ρ∞為水溫tm時(shí)的密度；ρmax為水4 ℃時(shí)的最大密度。浮升力B的方向D取決于水溫tm與對(duì)應(yīng)于密度最大值tmax之間的關(guān)系，即：

如果水溫tm≤4 ℃，則D≤0，因?yàn)棣选蕖堞裮ax和B≥0，這將引起向上的流動(dòng)；當(dāng)0＜D＜1/2 時(shí)，浮升力B的方向開始逆轉(zhuǎn)，且融化區(qū)的溫度介于冰表面0 ℃和水溫t∞之間；當(dāng)D≥1/2，即t∞＞8 ℃時(shí)，浮升力B及流動(dòng)方向則向下，故0＜D＜1/2 是自然對(duì)流的一個(gè)分界條件，冰水相變系統(tǒng)中的逆轉(zhuǎn)溫度在4.8～5.35 ℃[31]。

結(jié)冰在一個(gè)很小的Δt范圍內(nèi)進(jìn)行，水與外界無質(zhì)交換，存在一個(gè)相變區(qū)。相變區(qū)中，參數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，相間導(dǎo)熱遵循傅里葉導(dǎo)熱定律，相變潛熱與溫度無關(guān)。固相區(qū)的熱物性參數(shù)比熱C、導(dǎo)熱系數(shù)λ和密度ρ為常量；液相區(qū)中的密度遵從Βoussinesq假設(shè)，與溫度相關(guān)，液相的動(dòng)力黏度為常數(shù)，固液兩相有密度差[32-33]。在相變區(qū)，顯著的溫度變化會(huì)導(dǎo)致液相率f的明顯變化，溫度誤差微弱不明顯[34]。結(jié)冰過程中，由溫度差而產(chǎn)生的密度差導(dǎo)致了流體的自然對(duì)流，故文中結(jié)冰模擬分析將液相中微小流速的水流認(rèn)為是層流流動(dòng)。

1.2 結(jié)冰模擬

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬淋雨試驗(yàn)時(shí)，若降雨均勻性良好，在某一低溫環(huán)境溫度下，單位試驗(yàn)材料面積及其四周則可看作一理想單元?？紤]到試驗(yàn)材料材質(zhì)不同，在相同低溫環(huán)境下的初始溫度也可能不同，并可能在結(jié)冰相變過程中，影響到自然對(duì)流產(chǎn)生的換熱速度，故建立如下含自然對(duì)流的結(jié)冰模型，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)冰過程的數(shù)值模擬采用ANSYS 軟件，工況情況：幾何模型尺寸為100 mm×100 mm，劃分網(wǎng)格后設(shè)置層流模式，開啟輻射選項(xiàng)，軟件自動(dòng)打開能量方程，材料為液態(tài)水。選擇Βoussinesq 假設(shè)，密度為1 000 kg/m3，比熱容為11 030 J/(kg·K)，導(dǎo)熱率為0.56 W/(m·K)，黏度為0.001 L/m，吸收系數(shù)為0.13 L/m，熱膨脹系數(shù)為1×10-5L/K，其他系數(shù)保持默認(rèn)。設(shè)置邊界條件：選擇液態(tài)水，單元體左、右面設(shè)置為絕熱，上、下面設(shè)置為定溫，上邊線溫度為283 K，下邊線溫度為263 K。設(shè)置算法：壓力選擇PRESTON，動(dòng)量和能量模式保持默認(rèn)，松弛因子保持默認(rèn)，其他選項(xiàng)均保持默認(rèn)狀態(tài)。水具有在4 ℃時(shí)候密度最大的特性，在此單元體內(nèi)，不同溫度的水之間存在著密度差。試驗(yàn)材料在水平、垂直和不同角度放置，結(jié)冰冰層的厚度和形態(tài)可能出現(xiàn)各不相同的情況，不考慮表面光潔度問題，將單元體底面向右分別傾斜0°、30°、45°、60°，進(jìn)行結(jié)冰分析，計(jì)算得到的相關(guān)云圖如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，水中產(chǎn)生了渦流，這是由于不同密度的水自然流動(dòng)而形成的。以上述計(jì)算得到的自然對(duì)流場作為初場，進(jìn)行結(jié)冰計(jì)算。在單元體水平放置時(shí)，底部面結(jié)冰面積大，且速度比傾斜放置時(shí)快。傾斜角度與底部面上的結(jié)冰面積呈反比關(guān)系，隨著傾斜角度的增大，單元體底部面即傾斜面上水流速度增大，因而結(jié)冰速度減緩。底部面均未達(dá)到結(jié)冰狀態(tài)，結(jié)冰主要發(fā)生在底部尖角處。經(jīng)分析可知，水平放置單元體較早達(dá)到結(jié)冰狀態(tài)。水平放置結(jié)冰情況可如圖2 所示。

圖1 采取不同傾斜角度時(shí)的結(jié)冰速度云圖 Fig.1 Cloud diagrams of the ice accretion velocity at different tilt angles

圖2 水平放置時(shí)的結(jié)冰速度云圖 Fig.2 Cloud diagram of the ice accretion velocity in horizontal placement

結(jié)冰過程中的速度流線如圖3 所示?？梢钥闯?，單元上、下表面的溫度不一致，水的流動(dòng)會(huì)比較強(qiáng)烈。等到一段時(shí)間后，已經(jīng)逐步達(dá)到一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，流動(dòng)減緩。

1.3 不同材料表面結(jié)冰分析

為模擬材料表面積冰情況，以不同材料作為試驗(yàn)研究對(duì)象，厚度設(shè)置為3 mm。試驗(yàn)考察材料表面結(jié)冰情況，為得到環(huán)境溫度為263 K 時(shí)的結(jié)冰情況，將材料初始溫度設(shè)為263 K，水溫設(shè)置為278 K。為達(dá)到良好的積冰，模型水平設(shè)置。根據(jù)等值線圖可以繪制出不同材料冰層推進(jìn)過程。材料表面結(jié)冰情況如圖4 所示。經(jīng)分析可知，在相同的環(huán)境條件下，材料初始溫度與環(huán)境溫度相同時(shí)，304 不銹鋼表面的結(jié)冰速度最快，冰層厚度最厚；H62 銅表面的結(jié)冰速度慢，冰層最薄。

圖4 溫度等值線 Fig.4 Temperature contour maps: a) 304 stainless steel;b) 6061 aluminum alloy;c) H62 copper alloy

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建積冰試驗(yàn)臺(tái)，風(fēng)速小于2 m/s；環(huán)境溫度為-1～-6 ℃，水溫為5 ℃，材料初始溫度為環(huán)境溫度；噴嘴陣列采用選取1/8HH3.0T 型壓力式噴嘴組合；噴嘴間距選擇0.7 m，噴淋架高度為3、4 m。被試材料 選擇304 不銹鋼板、6061 鋁板、7075 鋁板、H62 黃銅板、T2 紫銅板、GI 鍍鋅鐵板、Q235 鋼板、TC4鈦合金板8 種，尺寸為100 mm×100 mm。7075 鋁板厚度分別為10、15、20 mm，其他被試材料厚度分別為1、3、6 mm。調(diào)節(jié)管路中水壓為0.07 MPa，降雨強(qiáng)度為0.136 7 mm/min，噴淋均勻性為82%。為模擬真實(shí)降雨環(huán)境，在不同材質(zhì)水平放置的試件表面噴淋30 min，將被試材料放置在環(huán)境溫度中靜止2～4h，使冰硬化。采用量程為0～300 mm 的激光刻度高精度款工業(yè)級(jí)金屬游標(biāo)卡尺測量積冰厚度。整理被試材料，并將其擺放至試驗(yàn)臺(tái)上，在水溫一定的條件下，改變環(huán)境溫度和高度條件的同時(shí)調(diào)整噴淋高度，試驗(yàn)后被試品的形態(tài)如圖5 所示。

圖5 不同環(huán)境溫度和高度條件下被試材料的積冰形態(tài) Fig.5 Freezing form of the test materials under different ambient temperature and height: a) ambient temperature of -1.5,℃ spray height of 3 m;b) ambient temperature of -1.5,℃ spray height of 4 m;c) ambient temperature of -3,℃ spray height of 3 m;d) ambient temperature of -3,℃ spray height of 4 m;e) ambient temperature of -6,℃ spray height of 3 m;f) ambient temperature of -6,℃ spray height of 4 m

以環(huán)境溫度-3 ℃條件下的被試材料為例，不同厚度材料在相同試驗(yàn)環(huán)境條件下的積冰程度各不相同，詳細(xì)的積冰情況如圖6 所示。從圖6 中可以看出，積冰呈凸起狀，這是由于環(huán)境溫度足夠低時(shí)，水滴從一定高度下落過程中，會(huì)因過冷而產(chǎn)生冰晶。水滴與 被試材料的接觸界面溫度較低，故界面最先產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。隨結(jié)冰繼續(xù)而低溫界面逐步上移，當(dāng)界面達(dá)到水滴頂部時(shí)，邊界形成因相變膨脹而體積增大的冰結(jié)構(gòu)，故剩余液體在水滴最頂端變形而形成凸起結(jié)構(gòu)。

圖6 被試材料積冰側(cè)視圖 Fig.6 Side view of ice accretion of test materials: a) 7075 aluminum alloy;b) 304 stainless steel;c) TC4 titanium alloy;d) 6061 aluminum alloy;e) H62 copper alloy;f) T2 red copper;g) GI galvanized iron sheet;h) Q235 steel plate

3 對(duì)比分析

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)[17-18]中要求達(dá)到一般條件下的輕負(fù)荷、中等負(fù)荷、重地面負(fù)荷和船用桅桿負(fù)荷、非常重的地面負(fù)荷和船用甲板負(fù)荷、艦船、地面等的不同試驗(yàn)等 級(jí)所需要的積冰厚度，文中對(duì)裝備、產(chǎn)品組件或精密電子設(shè)備等常用金屬材料開展積冰凍雨試驗(yàn)研究，采用1/8HH3.0T 和1/8HH3.5T 等2 種噴嘴陣列，調(diào)節(jié)管路中水壓、降雨強(qiáng)度和水溫為定值，通過改變環(huán)境溫度和噴淋高度這2 種試驗(yàn)條件，得到被試材料積冰數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 不同試驗(yàn)環(huán)境條件下被試材料積冰情況 Fig.7 Ice accretion of test materials under different experimental ambient conditions: a) line chart of ice accretion on test materials at a spray height of 3 m;b) line chart of ice accretion on test materials at a spray height of 4 m;c) drop lines of ice accretion on test materials at spray height of 3 m and 4 m;d) scatter diagram of test materials with ice accretion ≥6 mm at spray height of 3 m and 4 m;e) the ice accretion line chart 3,4 m spray height;f) the ice accretion scatter diagram 3,4 m spray height

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)水溫為5 ℃，環(huán)境溫度為-1.5、-3 ℃時(shí)，在高度3、4 m 噴淋30 min 后，除10 mm 厚度7075 鋁合金外，被試材料積冰均難以達(dá)到6 mm。當(dāng)水溫不變時(shí)，環(huán)境溫度為-6 ℃，在高度3、4 m 噴淋30 min 后，部分被試材料達(dá)到6 mm積冰。在設(shè)置相同初始溫度和材料厚度條件下，不考慮其他任何環(huán)境條件的影響，仿真分析是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的理論研究，即在相同時(shí)間和環(huán)境條件下，同種厚度被試材料的積冰速度受到材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。據(jù)仿真分析可知，304 不銹鋼積冰速度快、冰層厚；6061 鋁合金次之；H62 銅合金積冰速度慢、厚度小。由圖7e 結(jié)果可知，相同厚度的304 不銹鋼、6061 鋁合金和H62 銅合金3 種被試材料積冰厚度的試驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)值分析結(jié)果不完全相同，曲線波動(dòng)較大。初步判斷分析原因是，被試材料從網(wǎng)上購置，表面光潔度可能不一致，并未達(dá)到同一水平，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)冰程度的改變；結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)M未選擇在試驗(yàn)室內(nèi)部進(jìn)行，而是選擇露天開闊處作為試驗(yàn)場地，現(xiàn)場試驗(yàn)開始時(shí)，將測量得到的環(huán)境溫度、被試材料溫度、水溫、現(xiàn)場風(fēng)速等數(shù)值作為試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但因場地露天，溫場均勻性控制可能會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致試件結(jié)冰厚度與仿真結(jié)果不盡相同。改變?cè)囼?yàn)噴嘴陣列型號(hào)及水溫對(duì)被試材料積冰數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 試驗(yàn)環(huán)境條件改變對(duì)被試材料積冰的影響 Fig.8 Effect of change of experimental ambient conditions on the ice accretion of the test materials: a) waterfall diagram of ice accretion on the test materials;b) histogram of ice accretion on the test materials;c) double Y graph of ice accretion on the test materials;d) scatter diagram of ice accretion on the test materials

1/8HH3.0T 型號(hào)噴嘴的直徑為1.5 mm，1/8HH3.5T型號(hào)噴嘴的直徑為1.6 mm。當(dāng)選擇不同型號(hào)的噴嘴陣列時(shí)，在相同水溫和環(huán)境溫度條件下，從整體趨勢(shì)上看，噴嘴直徑與積冰變化未呈線性關(guān)系。當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境溫度不變，而水溫降低時(shí)，水溫與積冰呈較明顯的遞增趨勢(shì)。在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，環(huán)境溫度-9 ℃時(shí)，所有被試材料積冰均達(dá)到6 mm 以上。

4 結(jié)論

試驗(yàn)室模擬降雨環(huán)境下，不同噴淋高度，積冰不同，4 m 噴淋高度的積冰優(yōu)于3 m 噴淋高度。在相同水溫、噴淋高度和材料厚度的條件下，隨著環(huán)境溫度降低，積冰增加。不同尺寸的噴嘴噴淋出的水滴粒徑尺寸不同。理論上來說，小尺寸水滴會(huì)增大部件表面的水滴收集區(qū)和積冰覆蓋區(qū)，直接影響積冰程度；大尺寸水滴與固壁面的相互作用帶來了水滴的返流和再附著，造成局部表面水滴收集率下降而產(chǎn)生強(qiáng)積冰。為獲得所需的積冰，建議今后針對(duì)待考察的材料特性，對(duì)噴嘴及其陣列進(jìn)行選擇和優(yōu)化，通過調(diào)整水壓合理控制降雨量，適量增加或減少噴淋時(shí)間以對(duì)積冰厚度進(jìn)行控制。建議進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，將數(shù)值分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以增大分析的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。