水霧粒徑對冰附著力影響的實驗研究

劉 禎, 孔維梁, 劉 洪, 王福新

(上海交通大學 航空航天學院, 上海 200240)

0 引 言

冰附著力受到關(guān)注的主要原因在于：一是相對傳統(tǒng)的防除冰方法，現(xiàn)有研究已表明防冰材料可以減小冰附著力、推遲液滴結(jié)冰時間以及減少冰積聚，從而以其獨特的優(yōu)勢在防除冰中顯示出巨大的潛能[1-3]，而防除冰方法的開發(fā)也需要對冰附著力的認知；二是對飛機上非防護表面的結(jié)冰脫落的預(yù)測需要準確地分析其融冰和脫冰特性，因其事關(guān)飛機的起降安全。

冰附著力的研究主要包含冰附著力的機理，冰附著力的影響因素2個方面。

對冰附著力的機理的研究一般都是從基底表面的濕潤性能出發(fā)的，以Young等式[4]、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型[5-6]為理論依據(jù)。冰與基底表面之間的相互作用會影響冰附著力的大小[2-3,7]。Soltis等人[3]通過實驗得出，隨著表面粗糙度增加，過冷水與表面微觀結(jié)構(gòu)接觸越充分，因而冰附著力越大。而Saito 等人[7]發(fā)現(xiàn)當基底的表面粗糙度增大到一定程度時，其冰附著力反而會減小，這是因為表面微觀結(jié)構(gòu)與冰之間的空氣泡的數(shù)量的增加導致冰與基底之間附著點減少。表面粗糙度相同時，基底表面微觀結(jié)構(gòu)不同也會導致冰附著力的不同，因為特殊的表面微觀結(jié)構(gòu)會使冰有不同數(shù)量的附著點[3]。綜上所述，研究冰附著力的機理必須考慮冰與基底表面之間的相互作用，冰與基底之間附著點會影響冰附著力的大小。

冰附著力的影響因素包括基底因素和環(huán)境因素[1-3]。其中影響冰附著力的環(huán)境因素主要包括：成冰(動態(tài)或者靜態(tài))以及溫度。常見的成冰方式有2種：一種為靜態(tài)結(jié)冰，即靜止的水滴或者水層緩慢結(jié)冰；另一種為動態(tài)結(jié)冰，即水滴以動態(tài)的方式撞擊基底表面然后結(jié)冰[1-3]。靜態(tài)結(jié)冰中的水基于毛細作用力達到力學平衡，而動態(tài)結(jié)冰涉及水滴撞擊基底的過程[1-3]。在飛機飛行中的飛機結(jié)冰問題主要為動態(tài)結(jié)冰問題。在動態(tài)結(jié)冰的條件下，影響冰附著力的環(huán)境因素包括：溫度(T)、風速(v)、水含量(LWC)和平均粒徑(MVD)[1-3]。

文獻中因為基底和環(huán)境因素以及測量方法的不同，實驗結(jié)果也不同[2]，范圍從70～931kPa，這是因為冰附著力的影響因素眾多而且復(fù)雜，不同的基底、不同的測試方法、不同的成冰方式以及不同的溫度均會導致冰附著力結(jié)果的不同。

有關(guān)溫度對冰附著力的影響的研究起始于1962年，Stallabrass和Price[8]的實驗結(jié)果呈現(xiàn)出動態(tài)結(jié)冰的冰附著力隨溫度降低而降低的趨勢。而在1983年，Itagaki等人[9]在分析其實驗結(jié)果中卻得出動態(tài)結(jié)冰的冰附著力受溫度影響很小。溫度是影響冰附著力的重要環(huán)境因素，而溫度對冰附著力的影響呈現(xiàn)出多樣的規(guī)律。這是因為冰附著力的影響因素的復(fù)雜性：在最近的研究中，在Tarquini 等人[2]的實驗中溫度范圍為-15～0℃，結(jié)果表明動態(tài)結(jié)冰的冰附著力隨著溫度降低而增大；Soltis等人[3]的實驗中溫度范圍為-16～-8℃，在其所選材料和溫度范圍內(nèi)，動態(tài)結(jié)冰的冰附著力隨溫度線性下降；Guerin等人[10]在研究冰附著力時發(fā)現(xiàn)了動態(tài)結(jié)冰的冰附著力隨溫度變化的3個區(qū)間(溫度范圍-25～0℃)，區(qū)間的范圍和基底材料有關(guān)，冰附著力在溫度從0℃下降中會依次經(jīng)過AZ(Adhesive Zone)、TZ(Transition Zone)、CZ(Cohesive Zone)，冰附著力先增加后減小。以上的實驗研究不但溫度范圍不同，其他冰附著力的影響因素也不同。此外，Janjua[11]探索了靜態(tài)結(jié)冰的冰附著力受基底溫度以及環(huán)境溫度的影響，得出的結(jié)論是兩者均會影響冰附著力，但是環(huán)境溫度的影響更大，并從傳熱的角度解釋了這一現(xiàn)象，這表明在實驗中需要考慮傳熱因素。

除此之外，其它環(huán)境因素對冰附著力的影響也在展開，Tarquini[2]等人的實驗中未發(fā)現(xiàn)冰附著力與LWC的關(guān)系，但是發(fā)現(xiàn)在高LWC情況下，冰附著力有所下降。Momen等人[12]在實驗中發(fā)現(xiàn)在低LWC和小MVD情況下，冰附著力會略微減小,而且冰附著力隨著LWC的增加而減小，并指出MVD對冰附著力的影響需要進一步的研究。但關(guān)于環(huán)境因素對冰附著力影響的研究，正如Tarquini等人[2]所指出的，大多數(shù)文獻未列出詳細具體的環(huán)境條件。例如：Stallabrass和Price[8]只提供了水霧的MVD；Itagaki[9]未提供任何水霧的參數(shù)；Tarquini等人[2]、Soltis等人[3]、Momen等人[12]的實驗中提供了LWC以及MVD，但是只采用了常規(guī)小粒徑水霧(50μm以下)，未研究大粒徑水霧的情況。這種情況的存在使得各研究間缺乏可比性。其次，現(xiàn)可查閱的文獻中對冰附著力的研究只分別進行了靜態(tài)結(jié)冰和動態(tài)結(jié)冰的實驗且有的進行了相關(guān)機理的研究，但未進行相應(yīng)的對比分析。

另外，值得注意的是，張辰等人[13]研究發(fā)現(xiàn)，過冷大粒徑水滴撞擊壁面與小粒徑水滴撞擊壁相比存在異常,表明大粒徑水霧的結(jié)冰特性和常規(guī)小粒徑水霧相比是存在較大差異的。

基于以上分析，本文在保持LWC不變的條件下，開展了3種不同粒徑的水霧(包含大粒徑水霧和常規(guī)小粒徑水霧)分別在靜態(tài)結(jié)冰和動態(tài)結(jié)冰下的冰附著力(剪切力)的對比性試驗，并分析了兩者的差異。

1 實驗方案

1.1 實驗裝置

如圖1所示，實驗是在溫控箱(高低溫交變濕熱試驗箱LRHS-504B-LJS)中進行的，實驗系統(tǒng)主要分為4個系統(tǒng)：噴霧發(fā)生系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、實驗參數(shù)測定系統(tǒng)和冰附著力測試系統(tǒng)。噴霧發(fā)生系統(tǒng)的主體是霧化噴嘴，霧化噴嘴兩頭通路分別為水路和氣路，水路(實驗中采用的水是0℃的純凈水冰水混合物)上有水泵、過濾器和壓力傳感器以及流量傳感器，氣路上有氣泵、過濾器、壓力傳感器。噴霧系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)水壓、流量和氣壓來調(diào)節(jié)水霧的LWC與MVD，其中MVD的范圍為40～280μm。

1 水霧噴頭; 2 氣路; 3 水路; 4 USB插口; 5 離心冰附著力測試系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)主要通過溫控箱，可以在-50～0℃范圍內(nèi)控制溫度。同時，在溫控箱外的管路上使用絕熱材料，以減少熱交換。

1.2 參數(shù)的設(shè)置與測量

實驗中環(huán)境溫度T的測量基于溫控箱中的溫度傳感器。

根據(jù)水含量的定義，水霧LWC可通過測量單位時間內(nèi)撞擊單位面積基底表面的水滴質(zhì)量來表征。單位時間內(nèi)撞擊單位面積基底表面的水滴質(zhì)量在實驗中控制為不變量，其值不變，可認為LWC不變。水霧的MVD通過Winner319工業(yè)噴霧激光粒度分析儀來測定，如圖2所示。

圖2 Winner319工業(yè)噴霧激光粒度分析儀

1.3 冰附著力的測量

離心裝置是一種常用的測量冰附著力的方法[1-3,8-12,14]，在冰附著力的測量中具有簡單、快速和重復(fù)性較高的特點。而且，因為冰的特殊性質(zhì)，動態(tài)結(jié)冰所形成的冰難以直接施加力的作用，離心裝置適合用于動態(tài)結(jié)冰的冰附著力的測量。

如圖3所示，冰附著力測試系統(tǒng)采用離心測力裝置，其中電機采用Maxon RE35，該電機可以在低溫環(huán)境下工作。懸臂梁臂長620mm，基底位于懸臂梁的一端，材料為Al6061，平面尺寸為20mm×30mm。在懸臂梁的另一端設(shè)有配重，以保持整個離心測力裝置的平衡。冰的質(zhì)量m的測量在冰脫落發(fā)生后，采用電子秤測量。靜態(tài)結(jié)冰的冰，將0℃的水置入冰附著力測量裝置上的無底容器(底部為基底)生成；動態(tài)結(jié)冰的冰，采用噴霧生成。

在實驗中，在冰的附著完成后，起動電機，控制懸臂梁以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，逐漸增加轉(zhuǎn)速，直到冰脫落發(fā)生。冰脫落發(fā)生時，冰附著力與離心力相等，即F=mrω2，其中m為冰的質(zhì)量，r為半懸臂長，ω為轉(zhuǎn)速。相應(yīng)的剪切應(yīng)力τ=F/A，其中A為基底的面積。

圖3 離心測力裝置

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

在實驗中采用Al6061作為基底材料，保持不變。在不同溫度T=-5、 -10、-15、-20和-25℃時，分別測量不同形成方式冰的附著力，第一實驗組采用靜態(tài)結(jié)冰的方式，第2、3、4實驗組采用動態(tài)結(jié)冰的方式，調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)保持單位時間內(nèi)撞擊單位面積基底表面的水滴質(zhì)量為2g/min不變，MVD分別為40、80和250μm，測量冰附著力。為消除傳熱因素的影響，在實驗中冰的附著完成后，靜置30min后再進行冰附著力的測量。每種條件下，冰附著力測量值為測量3次后所取平均值。實驗得到了如圖4所示的結(jié)果。

2.2 動態(tài)結(jié)冰與靜態(tài)結(jié)冰的對比

在本實驗中，冰附著力隨實驗條件不同呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。由圖4的實驗結(jié)果可以看出，對于靜態(tài)結(jié)冰和MVD分別為80和250μm的動態(tài)結(jié)冰，隨著溫度的降低，冰附著力逐漸增大，與Stallabrass、Price[8]和Tarquini等人[2]以及 Soltis等人[3]得出的結(jié)果相同。但是，對于MVD為40μm的情況，在溫度降低為-15℃時，動態(tài)結(jié)冰的冰附著力反而減小；以及對于MVD為80μm的情況，在溫度降低為-20℃時，動態(tài)結(jié)冰的冰附著力減小。Guerin等人[10]的實驗結(jié)果所呈現(xiàn)的曲線同樣出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點，這里將該轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的溫度稱為臨界溫度。不同的是，本實驗測得動態(tài)結(jié)冰的冰附著力隨溫度的變化在臨界溫度之后是無規(guī)律的，而非隨著溫度的降低而增加。

圖4 Al6061基底在T=-5、-10、-15、-20和-25℃時的冰附著力

不同粒徑下動態(tài)結(jié)冰和靜態(tài)結(jié)冰的冰附著力的對比結(jié)果如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)動態(tài)結(jié)冰和靜態(tài)結(jié)冰這2種成冰方式在到達臨界溫度前，對冰附著力的大小影響很小，動態(tài)結(jié)冰與靜態(tài)結(jié)冰所成冰的冰附著力相近。但是在溫度到達臨界溫度之后，動態(tài)結(jié)冰的冰附著力與靜態(tài)結(jié)冰相比明顯要小，而且其隨溫度的變化是無規(guī)律的。

為了確定臨界溫度的范圍，在臨界溫度附近增加了實驗，對于MVD為40μm的情況，該臨界溫度在-15℃左右(-17.5～-12.5℃)；對于MVD為80μm的情況該臨界溫度在-17.5℃左右(-20～-15℃)；對于MVD為250μm的情況，在-25℃之前未發(fā)現(xiàn)臨界溫度。

在實驗中同時觀察到了在臨界溫度附近冰的類型的變化(見圖6)。冰的類型有明冰、霜冰以及混合冰3種：明冰形成的環(huán)境條件是溫度相對較高、水含量較大，部分水滴在撞擊基底表面后會在結(jié)冰前流動，形成的冰致密透明，密度較大；霜冰形成的環(huán)境條件是溫度相對較低、水含量較低、水滴平均粒徑較小，水滴在撞擊基地表面時迅速結(jié)冰，甚至在撞擊前結(jié)冰，形成的冰疏松多孔，乳白色，密度較小?；旌媳敲鞅退幕旌?。

動態(tài)結(jié)冰的機理是水滴通過撞擊與基底表面接觸，在凝固前進入基底表面微觀結(jié)構(gòu)，然后凍結(jié)[2-3,11]。在到達臨界溫度前，圖6(a)、(b)和(c)中動態(tài)結(jié)冰所成冰為明冰，形成的冰透明致密，在形成最終冰的形態(tài)之前會有水膜的出現(xiàn)，與靜態(tài)結(jié)冰所成冰的類型是相同的，所以此時靜態(tài)結(jié)冰和動態(tài)結(jié)冰的冰附著力相近。而在到達臨界溫度后，圖6(d)和(e)中動態(tài)結(jié)冰所成冰為混合冰或者霜冰，為乳白色的冰，在冰形成的過程中，可以觀察到水霧在撞擊基底表面后迅速結(jié)冰，而且圖6(d)和(e)中動態(tài)結(jié)冰所成冰可以明顯觀察到疏松多孔的結(jié)構(gòu)，此時表面微觀結(jié)構(gòu)與冰之間空氣泡的數(shù)量較多，冰與基底之間的附著點較少，因此冰附著力較小。所以對于MVD為40μm，溫度為-15℃以及MVD為80μm，溫度為-20℃的情況，動態(tài)結(jié)冰的冰附著力反而減小。

(a) Ice adhesion of freezer and impact(MVD=40μm)

(b) Ice adhesion of freezer and impact(MVD=80μm)

(c) Ice adhesion of freezer and impact(MVD=250μm)

(a) -5℃，MVD=250μm (b) -15℃，MVD=250μm (c) -25℃，MVD=250μm

綜上所述，與靜態(tài)結(jié)冰相比，在動態(tài)結(jié)冰過程中，由于存在水滴對基底表面的撞擊過程，在不同的環(huán)境條件下，所成冰的類型可能完全不同。在基底表面可能出現(xiàn)明冰、霜冰或者混合冰的冰層，嚴重影響冰的附著力的大小。這也可以解釋，不同條件下冰的附著力隨溫度的變化在到達臨界溫度后呈現(xiàn)出不同的趨勢，且不具有明顯的規(guī)律性。平均粒徑越大，越不容易產(chǎn)生混合冰或者霜冰，所以在實驗結(jié)果中，其它環(huán)境參數(shù)不變的情況下，平均粒徑越大，臨界溫度越低。

2.3 平均粒徑對冰附著力的影響

從圖5可以初步分析得出平均粒徑對冰附著力的影響，在實驗范圍內(nèi)，其他環(huán)境參數(shù)不變的情況下，平均粒徑越大，臨界溫度越低。臨界溫度的一個重要特點是冰的類型發(fā)生了明顯的變化，在到達臨界溫度之前，所成冰為明冰，而在到達臨界溫度附近時所成冰為混合冰，到達臨界溫度之后所成冰則為混合冰或者霜冰。如圖6所示，在基底和LWC不變的情況下，大粒徑水霧形成的冰結(jié)構(gòu)較為致密，為明冰，而小粒徑水霧形成的冰結(jié)構(gòu)較為疏松，為混合冰或者霜冰，冰的類型不同導致了冰附著力的差異。

大粒徑的環(huán)境更利于產(chǎn)生明冰，而小粒徑的環(huán)境更利于產(chǎn)生混合冰和霜冰。而且溫度越低，越利于產(chǎn)生混合冰和霜冰。因此，在其他環(huán)境參數(shù)不變的情況下，平均粒徑越大，臨界溫度越低。

3 結(jié) 論

本實驗研究了以Al6061為基底在-25～-5℃之間的靜態(tài)結(jié)冰與動態(tài)結(jié)冰(水霧LWC恒定，MVD=40、80、250μm)的冰附著力的變化情況，得出了以下結(jié)論：

(1) 存在一個臨界溫度，動態(tài)結(jié)冰和靜態(tài)結(jié)冰這2種成冰方式在到達臨界溫度前，對冰附著力的大小影響較小，而且冰附著力的大小隨著溫度降低而增加；但是在溫度到達臨界溫度之后時，動態(tài)結(jié)冰所成冰的冰附著力相對于靜態(tài)結(jié)冰明顯要小，且冰的類型從明冰逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌媳蛩?/p>

(2) 平均粒徑對冰附著力的影響主要體現(xiàn)在對臨界溫度的影響。在實驗范圍內(nèi)，其它環(huán)境參數(shù)不變的情況下，平均粒徑越大，臨界溫度越低。

為更深入地探討在環(huán)境參數(shù)影響下的變化規(guī)律，在后續(xù)工作中，有必要擴大可變化的參數(shù)類型和變化范圍等，并著重研究大粒徑水霧動態(tài)結(jié)冰的冰附著力的變化特性。

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