低頻振動對超疏水電熱除冰方法的增益效果探究

魏卓，姚井淳，石小鑫，陳增貴，唐亞林，呂湘連，何洋

西北工業(yè)大學空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710072

飛機結冰會破壞氣動布局[1]、干擾儀器設備[2]、劣化操穩(wěn)性能[3]，影響飛行安全。嚴重時極易導致飛行事故，造成大量人員傷亡與財產損失[4-8]。傳統(tǒng)的防除冰技術包括防冰液[9]、氣動式[10]、氣熱式[11]、電熱式[12]等，然而這些防除冰技術存在附加裝置復雜、能耗過大等明顯缺點[13-15]。針對這些問題，研究人員提出了復合式防除冰技術的概念。

如今研究較多、發(fā)展較快的復合式防除冰方法是將主動型電加熱方法與被動型超疏水表面[16-17]相結合的超疏水電熱防除冰技術。楊常衛(wèi)等探討論證了超疏水表面在電熱防除冰系統(tǒng)中的節(jié)能原理[18]，介紹了超疏水材料的機理和特點以及超疏水表面的制備方法。G.Fortin等開展了電熱與疏水涂層復合防冰技術研究[19]，試驗結果表明，復合防冰技術相比純電熱技術降低能耗33%，這是由于疏水表面有助于使水脫離表面，從而減少結冰。C.Antonini等研究了超疏水與電熱復合式防除冰節(jié)能策略[20]，進行了冰風洞試驗，結果表明超疏水涂層的應用顯著降低了機翼前緣防冰所需加熱功率并有效抑制了溢流冰的產生。T.Wang 等設計了一種超疏水石墨烯加熱防除冰薄膜[21]，該薄膜利用了全氟化碳的低極化率和石墨烯納米帶的固有導電特性。陳華偉等制備出一種超疏水電熱復合防除冰涂層[22]，將商用氣相二氧化硅用氟硅烷改性，再與樹脂、導熱顆粒按適當比例混合，提出了一種新的復合防除冰技術設計思路。A.Dolatabadi等通過冰風洞試驗研究了超疏水電熱蒙皮的防除冰性能[23]。試驗表明，與鋁制翼型相比，超疏水表面翼型可在-10℃下完成防冰，并且可以降低50%的防冰能耗。陳增貴等通過冰風洞試驗證實超疏水電熱復合技術在顯著降低能耗的同時能很好地抑制溢流冰，并從冰黏附的角度揭示了抑制溢流冰的原理[24]，且在冰風洞試驗中發(fā)現，超疏水電熱復合系統(tǒng)在達到一定加熱功率時，蒙皮表面的冰黏附強度很低，但仍需提供較多功率才能使積冰脫落而完成除冰[25]。

在超疏水電熱復合系統(tǒng)將冰黏附強度降到一定程度時，提供微小功率的機械作用即可使積冰脫落，由此提出在超疏水電熱方法上再復合低頻振動的復合除冰方法，冰風洞試驗表明低頻振動的增益效果明顯，并闡釋了振動輔助除冰的原理。

1 超疏水電熱低頻振動復合除冰裝置設計制備

超疏水電熱低頻振動復合除冰裝置由超疏水表面、電加熱薄膜和微致動器三個部分構成。電加熱薄膜的制備過程如圖1（a）所示，通過在下層PI 絕緣層上沉積康銅金屬層，濕法刻蝕金屬層后形成加熱線路，再熱壓合上層PI絕緣層的方式制成。線路設計如圖1（b）所示，制備完成的電熱膜厚度僅50μm，延展性良好，柔軟易貼附。

圖1 電熱薄膜設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrothermal film design

參照參考文獻[24]的方法，在電熱薄膜上表面均勻噴涂超疏水涂料獲得超疏水表面。超疏水性能由接觸角的大小來表征，如圖2所示，制備出的超疏水表面接觸角為152.5°。

圖2 超疏水表面接觸角測量圖Fig.2 Contact angle measurement diagram of super hydrophobic surface

根據偏心振動原理，產生低頻振動[25]。在設計時，致動器的振動頻率必須避開裝置固有頻率，避免發(fā)生共振從而破壞試驗裝置。因此需對已貼裝超疏水電熱薄膜的平板進行模態(tài)測試。試驗裝置主體為320mm×100mm×2mm的復材平板。采用力錘敲擊的方法進行模態(tài)測試，如圖3所示，在平板上均勻選取若干點進行標記，使用力錘敲擊，利用加速度傳感器依次采集到各點的加速度變化，使用軟件進行分析。

圖3 力錘敲擊法Fig.3 Hammer percussion method

模態(tài)測試結果如圖4 所示，試驗裝置的一階固有頻率約90Hz。根據振型以及曲線復雜程度分析，130～150Hz 頻段是局部共振段。設計時應避開一階固有頻率以及局部共振頻率，以避免共振破壞試驗裝置。因此選擇110Hz 作為致動器的激勵頻率。

圖4 模態(tài)測試結果圖Fig.4 Diagram of modal test results

考慮試驗裝置的材料力學性質，將致動器振幅選取為20μm。最終設計的微致動器如圖5 所示，設計尺寸為20mm×20mm，質量為10g。

圖5 低頻振動致動器Fig.5 Low frequency vibration actuator

完成的超疏水電熱低頻振動復合除冰裝置如圖6 所示。電加熱薄膜布置在試驗平板外側，薄膜表面均勻噴涂超疏水涂層，通過連接件將單個低頻振動致動器固定在試驗平板內側的幾何中心。

圖6 超疏水電熱低頻振動復合除冰裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of superhydrophobic electrothermal low-frequency vibration compound deicing device

2 試驗平臺、系統(tǒng)搭建及參數設置

2.1 冰風洞試驗平臺

在西北工業(yè)大學翼型、葉柵空氣動力學國家級重點實驗室的GS-3000F 冰風洞開展驗證試驗。GS-3000F 風洞是低速回流式風洞，基本結構如圖7所示，基本參數見表1。

表1 GS-3000F冰風洞性能參數Table 1 GS-3000F ice wind tunnel performance parameters

圖7 GS-3000F冰風洞基本結構Fig.7 Basic structure of GS-3000F ice wind tunnel

2.2 試驗系統(tǒng)

如圖8 所示，試驗系統(tǒng)主要包括冰風洞、試驗模型、直流電源、上位機、攝像機等。試驗模型用于驗證超疏水/電熱/低頻振動復合除冰方法，直流電源用于提供除冰系統(tǒng)所需能量，并通過相機記錄完整除冰過程。

圖8 冰風洞試驗系統(tǒng)Fig.8 Ice wind tunnel test system

2.3 試驗參數

選擇CCAR-25部附錄C標準中的典型結冰氣象條件，平板與來流方向保持30°夾角。在相同條件下進行兩次試驗:（1）超疏水/電熱除冰試驗；（2）超疏水/電熱/低頻振動除冰試驗，試驗參數見表2。

表2 冰風洞試驗參數Table 2 Ice wind tunnel test parameters

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

3.1.1 超疏水/電熱除冰試驗

除冰過程如圖9 所示。此時，電加熱膜工作電壓為28V，電流為1.2A，功率為33.6W。試驗結果表明，在1min內積冰未發(fā)生脫落，判定除冰無效。

圖9 超疏水/電熱除冰方法除冰過程Fig.9 Superhydrophobic/electrothermal deicing process

3.1.2 超疏水/電熱/低頻振動除冰試驗

除冰過程如圖10 所示。此時，電加熱膜工作電壓為28V，電流為1.2A，功率為33.6W。微致動器工作電壓為1.2V，工作電流為0.5A，功率為0.6W。試驗結果表明，除冰系統(tǒng)開啟后積冰即開始脫落，并最終在30s內全部脫落，判定除冰有效。

圖10 超疏水/電熱/低頻振動除冰方法除冰過程圖Fig.10 Superhydrophobic/electrothermal/low-frequency vibration deicing process diagram

兩次試驗的總功率分別為33.6W和34.2W。低頻振動所需功率為0.6W，只占到電熱功率33.6W 的1.8%，以微小功率產生了顯著的除冰效果差異，因此認為低頻振動對超疏水/電熱除冰系統(tǒng)有明顯的增益作用。

3.2 低頻振動作用形式分析

由于平板與冰層的厚度均遠小于其長度與寬度，因此可將其近似等效為薄板模型，薄板受到橫向載荷的作用而發(fā)生彎曲，根據克?；舴蚣僭O，薄板變形后，其中面在垂直方向上的投影形狀保持不變，如圖11所示。

圖11 薄板中面理論Fig.11 Thin plate midplane theory

建立連接層受力斷裂的除冰模型[26]，將冰層分為兩部分，取與平板表面接觸的極薄一層冰作為連接層，該連接層只能傳遞剪切力，如圖12 所示。若不定義連接層，在低頻振動作用時冰層與平板會分別滿足薄板彎曲模型而產生相對位移。但在試驗過程中，冰層脫落之前并未與平板發(fā)生相對位移，因此須定義連接層。

圖12 有連接層的除冰模型Fig.12 Deicing model with connecting layers

假設平板內的應力分布符合伯努利-歐拉假設。在此分析以及假設上建立冰-平板結構的力學模型，如圖13所示。

圖13 冰-平板結構的力學模型Fig.13 Mechanical model of ice-plate structure

冰層與平板發(fā)生彎曲變形后沿z方向產生線性分布的應力，單次振動產生與傳遞的力矩如式（1）所示

式中，σ為平板與冰層所受的正應力；t為平板的厚度。從模型中抽取一個微元進行分析，列出微元平衡方程，如式（2）所示

式中，負號表示方向，正應力σ(x)由平板的形變即振動的振幅決定。式（3）表明，在平板厚度不變時，冰層受到的平板剪切力的大小取決于低頻振動的振幅。在致動器按一定頻率工作時，連接層會受到剪切力沖量的累積作用，導致冰與平板的黏附強度不斷降低，最終從表面脫落。這就是超疏水電熱薄膜除冰失效，而復合微小功率低頻振動即可成功除冰的原因。

4 結束語

本文針對飛機除冰問題，提出了用低頻振動輔助超疏水電熱薄膜的復合除冰方案，并通過冰風洞試驗對該復合方案進行了驗證，結果表明低頻振動對超疏水電熱薄膜的除冰效果有明顯的增益作用。低頻振動通過提供微小功率的機械作用，破壞超疏水電熱膜表面的積冰黏附，使表面冰層成功脫落，在飛機除冰領域有一定的工程應用潛力。