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

冰附著力受到關注的主要原因在于：一是相對傳統的防除冰方法，現有研究已表明防冰材料可以減小冰附著力、推遲液滴結冰時間以及減少冰積聚，從而以其獨特的優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也需要對冰附著力的認知；二是對飛機上非防護表面的結冰脫落的預測需要準確地分析其融冰和脫冰特性，因其事關飛機的起降安全。

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的，以Young等式[4]、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型[5-6]為理論依據。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構接觸越充分，因而冰附著力越大。而Saito 等人[7]發現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構與冰之間的空氣泡的數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，基底表面微觀結構不同也會導致冰附著力的不同，因為特殊的表面微觀結構會使冰有不同數量的附著點[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境因素[1-3]。其中影響冰附著力的環境因素主要包括：成冰(動態或者靜態)以及溫度。常見的成冰方式有2種：一種為靜態結冰，即靜止的水滴或者水層緩慢結冰；另一種為動態結冰，即水滴以動態的方式撞擊基底表面然后結冰[1-3]。靜態結冰中的水基于毛細作用力達到力學平衡，而動態結冰涉及水滴撞擊基底的過程[1-3]。在飛機飛行中的飛機結冰問題主要為動態結冰問題。在動態結冰的條件下，影響冰附著力的環境因素包括：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境因素以及測量方法的不同，實驗結果也不同[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果的不同。

有關溫度對冰附著力的影響的研究起始于1962年，Stallabrass和Price[8]的實驗結果呈現出動態結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]在分析其實驗結果中卻得出動態結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境因素，而溫度對冰附著力的影響呈現出多樣的規律。這是因為冰附著力的影響因素的復雜性：在最近的研究中，在Tarquini 等人[2]的實驗中溫度范圍為-15～0℃，結果表明動態結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，動態結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現了動態結冰的冰附著力隨溫度變化的3個區間(溫度范圍-25～0℃)，區間的范圍和基底材料有關，冰附著力在溫度從0℃下降中會依次經過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]探索了靜態結冰的冰附著力受基底溫度以及環境溫度的影響，得出的結論是兩者均會影響冰附著力，但是環境溫度的影響更大，并從傳熱的角度解釋了這一現象，這表明在實驗中需要考慮傳熱因素。

除此之外，其它環境因素對冰附著力的影響也在展開，Tarquini[2]等人的實驗中未發現冰附著力與LWC的關系，但是發現在高LWC情況下，冰附著力有所下降。Momen等人[12]在實驗中發現在低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。但關于環境因素對冰附著力影響的研究，正如Tarquini等人[2]所指出的，大多數文獻未列出詳細具體的環境條件。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；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，現可查閱的文獻中對冰附著力的研究只分別進行了靜態結冰和動態結冰的實驗且有的進行了相關機理的研究，但未進行相應的對比分析。

另外，值得注意的是，張辰等人[13]研究發現，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冰特性和常規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小粒徑水霧)分別在靜態結冰和動態結冰下的冰附著力(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，實驗系統主要分為4個系統：噴霧發生系統、溫度控制系統、實驗參數測定系統和冰附著力測試系統。噴霧發生系統的主體是霧化噴嘴，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。噴霧系統通過調節水壓、流量和氣壓來調節水霧的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

溫度控制系統主要通過溫控箱，可以在-50～0℃范圍內控制溫度。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 參數的設置與測量

實驗中環境溫度T的測量基于溫控箱中的溫度傳感器。

根據水含量的定義，水霧LWC可通過測量單位時間內撞擊單位面積基底表面的水滴質量來表征。單位時間內撞擊單位面積基底表面的水滴質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工業噴霧激光粒度分析儀來測定，如圖2所示。

圖2 Winner319工業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、快速和重復性較高的特點。而且，因為冰的特殊性質，動態結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結冰的冰附著力的測量。

如圖3所示，冰附著力測試系統采用離心測力裝置，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有配重，以保持整個離心測力裝置的平衡。冰的質量m的測量在冰脫落發生后，采用電子秤測量。靜態結冰的冰，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；動態結冰的冰，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速旋轉，逐漸增加轉速，直到冰脫落發生。冰脫落發生時，冰附著力與離心力相等，即F=mrω2，其中m為冰的質量，r為半懸臂長，ω為轉速。相應的剪切應力τ=F/A，其中A為基底的面積。

圖3 離心測力裝置

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

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結冰的方式，第2、3、4實驗組采用動態結冰的方式，調節噴霧系統保持單位時間內撞擊單位面積基底表面的水滴質量為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所示的結果。

2.2 動態結冰與靜態結冰的對比

在本實驗中，冰附著力隨實驗條件不同呈現出不同的規律。由圖4的實驗結果可以看出，對于靜態結冰和MVD分別為80和250μm的動態結冰，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]得出的結果相同。但是，對于MVD為40μm的情況，在溫度降低為-15℃時，動態結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，動態結冰的冰附著力減小。Guerin等人[10]的實驗結果所呈現的曲線同樣出現了轉折點，這里將該轉折點所對應的溫度稱為臨界溫度。不同的是，本實驗測得動態結冰的冰附著力隨溫度的變化在臨界溫度之后是無規律的，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

不同粒徑下動態結冰和靜態結冰的冰附著力的對比結果如圖5所示，可以發現動態結冰和靜態結冰這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，動態結冰與靜態結冰所成冰的冰附著力相近。但是在溫度到達臨界溫度之后，動態結冰的冰附著力與靜態結冰相比明顯要小，而且其隨溫度的變化是無規律的。

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℃之前未發現臨界溫度。

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冰前流動，形成的冰致密透明，密度較大；霜冰形成的環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冰，甚至在撞擊前結冰，形成的冰疏松多孔，乳白色，密度較小。混合冰是明冰和霜冰的混合。

動態結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構，然后凍結[2-3,11]。在到達臨界溫度前，圖6(a)、(b)和(c)中動態結冰所成冰為明冰，形成的冰透明致密，在形成最終冰的形態之前會有水膜的出現，與靜態結冰所成冰的類型是相同的，所以此時靜態結冰和動態結冰的冰附著力相近。而在到達臨界溫度后，圖6(d)和(e)中動態結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冰，而且圖6(d)和(e)中動態結冰所成冰可以明顯觀察到疏松多孔的結構，此時表面微觀結構與冰之間空氣泡的數量較多，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，動態結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，與靜態結冰相比，在動態結冰過程中，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出不同的趨勢，且不具有明顯的規律性。平均粒徑越大，越不容易產生混合冰或者霜冰，所以在實驗結果中，其它環境參數不變的情況下，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，其他環境參數不變的情況下，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構較為致密，為明冰，而小粒徑水霧形成的冰結構較為疏松，為混合冰或者霜冰，冰的類型不同導致了冰附著力的差異。

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

3 結 論

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

(1) 存在一個臨界溫度，動態結冰和靜態結冰這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，動態結冰所成冰的冰附著力相對于靜態結冰明顯要小，且冰的類型從明冰逐漸轉變為混合冰或霜冰。

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

為更深入地探討在環境參數影響下的變化規律，在后續工作中，有必要擴大可變化的參數類型和變化范圍等，并著重研究大粒徑水霧動態結冰的冰附著力的變化特性。

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