疏水涂層表面防冰效果的結冰風洞實驗研究

肖春華，胡站偉，桂業偉，林貴平，張 暉

(1.中國空氣動力研究與發展中心空氣動力學國家重點實驗室，四川綿陽 621000；2.北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100083；3.中國科學院國家納米科學中心，北京 100083)

0 引言

當飛機在環境溫度低于冰點或在冰點附近的結冰氣象條件下飛行時，大氣中的過冷水滴撞擊到飛機表面，結冰現象就很容易在機翼、尾翼、旋翼、進氣道、風擋玻璃、天線罩和儀表傳感器等部件表面發生［1］。結冰不僅增加了飛機的重量，而且破壞了飛機表面的氣動外形，改變了繞流流場，破壞了氣動性能，造成飛機最大升力下降、飛行阻力上升、操作性能下降和穩定性能降低［2］，對飛行安全造成很大的威脅，因結冰而引發的飛行事故屢見不鮮，嚴重的結冰甚至可以導致機毀人亡［3-5］。

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

一直以來，發達國家都非常重視飛機防除冰的能耗問題。超疏水涂層通過降低表面結冰和壁面之間的粘附力，從而降低結冰的產生、減少除冰所需的能耗。所以，研究結冰氣象條件下超疏水表面對結冰特性的影響規律，這對于節約飛機燃油消耗和保障飛行安全均有著現實的意義。David等分別針對靜態和撞擊條件下的結冰，采用實驗方法對具有較低粘附力涂層的防冰性能進行了研究［8］。Rachid等在寒冷氣候條件下對風力機葉片表面的憎冰涂層進行了實驗研究，研究發現，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度［9］。Victor等人［10］在不同結冰條件下，采用低壓直流電對涂層表面的覆冰進行電解，研究發現，電解可以有效降低或消除冰層和表面間的粘附力。

國內在疏水表面防冰研究上也取得了一些進展，主要是針對高壓輸電線路的防冰問題進行研究，而關于飛機疏水表面防冰的研究比較少。2008年我國南方雪災造成了多個省份經濟和財產的嚴重損失，尤其是高壓輸電線路的結冰問題，造成了很多導線的斷裂和塔架的倒塌，由此我國開始重視輸電導線的防冰問題。研究人員針對超疏水涂層良好的物理化學特性［11-16］，將超疏水涂層涂覆在輸電導線表面，應用于高壓線路的防冰，取得了較好的防冰效果。研究發現，超疏水涂層可以改變覆冰的性質，降低冰層和基體的粘附力。

綜上所述，雖然國內外在疏水涂層表面防冰的研究上取得了一定的進展，但是目前還比較缺乏表面疏水性參數與結冰特性之間量化關系的研究工作，特別是結冰風洞實驗研究工作。因此有必要建立疏水表面對飛機結冰特性的影響實驗方法及量化評估方法，以加快我國在飛機結冰機理和防除冰應用研究的進度，為飛機防除冰系統的自主研制奠定理論、計算和實驗基礎。

通過結冰風洞實驗，從宏觀角度對疏水涂層表面的防冰效果進行初步探索和研究，比較不同涂層表面的結冰速率和結冰強度，獲得不同疏水涂層表面的結冰外形，建立綜合考慮結冰外形、結冰速率和結冰強度等量化參數的防冰效果評估方法。這對于防冰方法的研究和發展具有現實意義，同時也為微觀角度研究疏水表面的防冰機理奠定了實驗基礎。

1 實驗設備和模型

1.1 實驗設備

實驗在0.3m×0.2m小型結冰風洞第二實驗段內進行。0.3m×0.2m結冰風洞是一座回流式、閉口、串列雙實驗段的小型風洞［17］，風洞第一實驗段尺寸0.48m×0.32m×0.9m(寬×高 ×長)，最大風速25m/s；第二實驗段尺寸0.3m×0.2m×0.65m(寬×高×長)，最大風速60m/s，由于第二實驗段流場品質優于第一實驗段，因此實驗選擇在第二實驗段內進行。

圖1 結冰風洞第二實驗段照片Fig.1 Photo of primary test segment of icing wind tunnel

冰型測繪裝置由高溫受熱的薄刀片、帶刻度的硬紙板、游標卡尺和鉛筆組成，用于對模型表面的結冰外形進行切割和測繪。

采用電子計數天平對結冰前后的模型進行稱重，電子天平的型號是JM系列，量程0～2000g，精度0.01g。

采用數碼相機對結冰過程進行拍攝和記錄，相機的型號是Canon550D，最高分辨率5184×3456，有效像素1800萬，焦距18～55mm，快門速度30～1/4000s。

疏水涂層采用4種復合高分子材料，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#的主要區別是配方不同，而硅橡膠-16烷3#和4#的主要區別是添加的小分子數量不同。均由中國科學院國家納米科學中心提供。

1.2 實驗模型

實驗模型為圓柱，材料為鋁合金。模型直徑為Φ30mm，長200mm，兩端連接頭直徑為 Φ10mm，長10mm。實驗模型安裝在0.3m×0.2m結冰風洞第二實驗段中心位置，與第二實驗段上、下壁面垂直連接，如圖2所示。

2 實驗方法和步驟

2.1 實驗方法

實驗前，對結冰風洞進行流場校測，主要是實驗段氣流速度和溫度。對噴霧系統進行調試，主要是調節實驗所需要的水壓、氣壓和溫度。對實驗模型進行稱重，記錄結冰前的模型重量。實驗時，在一定的來流和結冰云霧參數條件下進行結冰風洞實驗，利用數碼相機記錄圓柱模型表面結冰外形的變化過程。實驗后，取下結冰后的模型，再對模型進行稱重，記錄結冰后模型的重量。利用冰型測繪裝置對圓柱中央橫截面的結冰外形進行測繪，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，用鉛筆手工描繪結冰的外形，最后將結冰外形的輪廓進行數字化處理后存儲于計算機中。

圖2 實驗模型照片Fig.2 Photo of test model

建立綜合考慮結冰外形、結冰速率和結冰強度等量化參數的防冰效果評估方法。定量的實驗數據主要由3部分組成：一是實驗模型表面的結冰外形，即模型對應橫截面位置的結冰外形，可以通過冰型測繪裝置獲得；二是結冰速率，是指飛機部件表面上形成冰的速度，即實驗前后模型的重量差與結冰時間的比值(g/s)，如公式(1)所示；三是結冰強度［5］，是指單位結冰時間內飛機部件表面結冰的厚度(mm/s)，如公式(2)所示。

其中，I、J、t、m1、m2、h1、h2分別代表結冰速率、結冰強度、結冰時間、初始模型重量、結冰模型重量、初始結冰厚度和最終結冰厚度。

2.2 實驗條件

實驗的主要目的是研究不同疏水涂層對模型表面結冰特性的影響及防冰效果，根據實驗目的和要求，確定實驗風速30m/s，結冰環境溫度約-10℃，結冰時間5min，平均水滴直徑40μm，液態水含量約0.7g/m3。每種涂層的結冰實驗重復3次，共計12次結冰風洞實驗，實驗條件見表1。

表1 實驗條件和實驗數據Table 1 Test condition and data

2.3 實驗步驟

①開啟風洞和制冷系統，建立并穩定所需要的流場(如來流速度、溫度等)；

②使模型表面溫度和流場環境溫度達到平衡；

③調節所需要的結冰云霧參數(如液態水含量和水滴平均直徑等)，開啟噴霧裝置；

④允許結冰到規定時間(如5min)；

⑤關閉噴霧裝置；

⑥拍攝和測繪結冰外形；

⑦清理模型表面剩余的冰渣和水膜，重復①進行下一次實驗。

3 疏水表面防冰原理

硅橡膠以聚有機硅氧烷為基本成分，白炭黑為補強填料，添加氫氧化鋁和其它助劑制成膠料，經硫化得到的成品，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境下逸出洞穴、在環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，當環境溫度降低后，小分子浮在涂層表面形成一種微納結構，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 實驗結果和分析

4.1 結冰外形

圖4是不同疏水涂層表面的結冰外形照片，其中包括無涂層模型表面的結冰外形照片。由照片可以看出，在規定的實驗時間內，與無疏水涂層表面相比，硅橡膠涂層表面的結冰外形相差不大，結冰量也非常大，說明硅橡膠的防冰效果并不明顯。而相比之下，兩種硅橡膠-16烷涂層表面的結冰明顯要少于硅橡膠涂層表面的結冰。因此，從實驗獲得的照片可以定性說明，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次重復性實驗獲得的結冰外形比較。由圖可知，在3次相同的結冰風洞實驗條件下，同種疏水涂層表面的結冰外形均比較接近，說明結冰風洞實驗具有一定的重復性，可以作為結冰外形定量比較的依據之一。

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

圖5 硅橡膠1#涂層表面3次結冰外形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次結冰外形Fig.8 Three ice shapes on silicone rubber-cetane 4#

圖9 是相同結冰條件下不同疏水涂層表面結冰外形的比較。由圖可以明顯看出，在相同的結冰風洞實驗條件下，硅橡膠1#和2#涂層表面的結冰外形均遠遠大于另外兩種硅橡膠-16烷涂層表面的結冰外形。因此，實驗結果定量地說明，后者的防冰效果明顯要好于前者。

4.2 結冰速率和強度

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

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

5 結論

采用結冰風洞實驗的研究方法，從宏觀的角度對幾種不同疏水涂層表面的防冰效果進行了實驗研究，獲得如下結論：

(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，無法完全杜絕材料表面的結冰現象，只能降低結冰速率。

(3)防冰效果的評估必須綜合考慮結冰外形、結冰速率和結冰強度等量化參數，實驗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，高分子復合材料的疏水涂層具有一定的防冰效果，但是都無法完全杜絕材料表面的結冰現象，必須對其配方和形成機理進行更深入的研究，才可能獲得更好的防冰效果，下一步打算從更小的尺度對疏水涂層表面的防冰機理進行研究。

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