低頻振動(dòng)對(duì)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(xué)空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072

飛機(jī)結(jié)冰會(huì)破壞氣動(dòng)布局[1]、干擾儀器設(shè)備[2]、劣化操穩(wěn)性能[3]，影響飛行安全。嚴(yán)重時(shí)極易導(dǎo)致飛行事故，造成大量人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[4-8]。傳統(tǒng)的防除冰技術(shù)包括防冰液[9]、氣動(dòng)式[10]、氣熱式[11]、電熱式[12]等，然而這些防除冰技術(shù)存在附加裝置復(fù)雜、能耗過(guò)大等明顯缺點(diǎn)[13-15]。針對(duì)這些問(wèn)題，研究人員提出了復(fù)合式防除冰技術(shù)的概念。

如今研究較多、發(fā)展較快的復(fù)合式防除冰方法是將主動(dòng)型電加熱方法與被動(dòng)型超疏水表面[16-17]相結(jié)合的超疏水電熱防除冰技術(shù)。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(jī)理和特點(diǎn)以及超疏水表面的制備方法。G.Fortin等開(kāi)展了電熱與疏水涂層復(fù)合防冰技術(shù)研究[19]，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合防冰技術(shù)相比純電熱技術(shù)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(jié)冰。C.Antonini等研究了超疏水與電熱復(fù)合式防除冰節(jié)能策略[20]，進(jìn)行了冰風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果表明超疏水涂層的應(yīng)用顯著降低了機(jī)翼前緣防冰所需加熱功率并有效抑制了溢流冰的產(chǎn)生。T.Wang 等設(shè)計(jì)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(dǎo)電特性。陳華偉等制備出一種超疏水電熱復(fù)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(shù)脂、導(dǎo)熱顆粒按適當(dāng)比例混合，提出了一種新的復(fù)合防除冰技術(shù)設(shè)計(jì)思路。A.Dolatabadi等通過(guò)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究了超疏水電熱蒙皮的防除冰性能[23]。試驗(yàn)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(guò)冰風(fēng)洞試驗(yàn)證實(shí)超疏水電熱復(fù)合技術(shù)在顯著降低能耗的同時(shí)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(fēng)洞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超疏水電熱復(fù)合系統(tǒng)在達(dá)到一定加熱功率時(shí)，蒙皮表面的冰黏附強(qiáng)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(fù)合系統(tǒng)將冰黏附強(qiáng)度降到一定程度時(shí)，提供微小功率的機(jī)械作用即可使積冰脫落，由此提出在超疏水電熱方法上再?gòu)?fù)合低頻振動(dòng)的復(fù)合除冰方法，冰風(fēng)洞試驗(yàn)表明低頻振動(dòng)的增益效果明顯，并闡釋了振動(dòng)輔助除冰的原理。

1 超疏水電熱低頻振動(dòng)復(fù)合除冰裝置設(shè)計(jì)制備

超疏水電熱低頻振動(dòng)復(fù)合除冰裝置由超疏水表面、電加熱薄膜和微致動(dòng)器三個(gè)部分構(gòu)成。電加熱薄膜的制備過(guò)程如圖1（a）所示，通過(guò)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrothermal film design

參照參考文獻(xiàn)[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(lái)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(cè)量圖Fig.2 Contact angle measurement diagram of super hydrophobic surface

根據(jù)偏心振動(dòng)原理，產(chǎn)生低頻振動(dòng)[25]。在設(shè)計(jì)時(shí)，致動(dòng)器的振動(dòng)頻率必須避開(kāi)裝置固有頻率，避免發(fā)生共振從而破壞試驗(yàn)裝置。因此需對(duì)已貼裝超疏水電熱薄膜的平板進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。試驗(yàn)裝置主體為320mm×100mm×2mm的復(fù)材平板。采用力錘敲擊的方法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，如圖3所示，在平板上均勻選取若干點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，使用力錘敲擊，利用加速度傳感器依次采集到各點(diǎn)的加速度變化，使用軟件進(jìn)行分析。

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

模態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，試驗(yàn)裝置的一階固有頻率約90Hz。根據(jù)振型以及曲線復(fù)雜程度分析，130～150Hz 頻段是局部共振段。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開(kāi)一階固有頻率以及局部共振頻率，以避免共振破壞試驗(yàn)裝置。因此選擇110Hz 作為致動(dòng)器的激勵(lì)頻率。

圖4 模態(tài)測(cè)試結(jié)果圖Fig.4 Diagram of modal test results

考慮試驗(yàn)裝置的材料力學(xué)性質(zhì)，將致動(dòng)器振幅選取為20μm。最終設(shè)計(jì)的微致動(dòng)器如圖5 所示，設(shè)計(jì)尺寸為20mm×20mm，質(zhì)量為10g。

圖5 低頻振動(dòng)致動(dòng)器Fig.5 Low frequency vibration actuator

完成的超疏水電熱低頻振動(dòng)復(fù)合除冰裝置如圖6 所示。電加熱薄膜布置在試驗(yàn)平板外側(cè)，薄膜表面均勻噴涂超疏水涂層，通過(guò)連接件將單個(gè)低頻振動(dòng)致動(dòng)器固定在試驗(yàn)平板內(nèi)側(cè)的幾何中心。

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

2 試驗(yàn)平臺(tái)、系統(tǒng)搭建及參數(shù)設(shè)置

2.1 冰風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)

在西北工業(yè)大學(xué)翼型、葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的GS-3000F 冰風(fēng)洞開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)。GS-3000F 風(fēng)洞是低速回流式風(fēng)洞，基本結(jié)構(gòu)如圖7所示，基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 GS-3000F冰風(fēng)洞性能參數(shù)Table 1 GS-3000F ice wind tunnel performance parameters

圖7 GS-3000F冰風(fēng)洞基本結(jié)構(gòu)Fig.7 Basic structure of GS-3000F ice wind tunnel

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖8 所示，試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括冰風(fēng)洞、試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒅绷麟娫础⑸衔粰C(jī)、攝像機(jī)等。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜隍?yàn)證超疏水/電熱/低頻振動(dòng)復(fù)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(guò)相機(jī)記錄完整除冰過(guò)程。

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

2.3 試驗(yàn)參數(shù)

選擇CCAR-25部附錄C標(biāo)準(zhǔn)中的典型結(jié)冰氣象條件，平板與來(lái)流方向保持30°夾角。在相同條件下進(jìn)行兩次試驗(yàn):（1）超疏水/電熱除冰試驗(yàn)；（2）超疏水/電熱/低頻振動(dòng)除冰試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 冰風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Ice wind tunnel test parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 超疏水/電熱除冰試驗(yàn)

除冰過(guò)程如圖9 所示。此時(shí)，電加熱膜工作電壓為28V，電流為1.2A，功率為33.6W。試驗(yàn)結(jié)果表明，在1min內(nèi)積冰未發(fā)生脫落，判定除冰無(wú)效。

圖9 超疏水/電熱除冰方法除冰過(guò)程Fig.9 Superhydrophobic/electrothermal deicing process

3.1.2 超疏水/電熱/低頻振動(dòng)除冰試驗(yàn)

除冰過(guò)程如圖10 所示。此時(shí)，電加熱膜工作電壓為28V，電流為1.2A，功率為33.6W。微致動(dòng)器工作電壓為1.2V，工作電流為0.5A，功率為0.6W。試驗(yàn)結(jié)果表明，除冰系統(tǒng)開(kāi)啟后積冰即開(kāi)始脫落，并最終在30s內(nèi)全部脫落，判定除冰有效。

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

兩次試驗(yàn)的總功率分別為33.6W和34.2W。低頻振動(dòng)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(chǎn)生了顯著的除冰效果差異，因此認(rèn)為低頻振動(dòng)對(duì)超疏水/電熱除冰系統(tǒng)有明顯的增益作用。

3.2 低頻振動(dòng)作用形式分析

由于平板與冰層的厚度均遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)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(jù)克希霍夫假設(shè)，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(dòng)作用時(shí)冰層與平板會(huì)分別滿足薄板彎曲模型而產(chǎn)生相對(duì)位移。但在試驗(yàn)過(guò)程中，冰層脫落之前并未與平板發(fā)生相對(duì)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(shè)平板內(nèi)的應(yīng)力分布符合伯努利-歐拉假設(shè)。在此分析以及假設(shè)上建立冰-平板結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，如圖13所示。

圖13 冰-平板結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(chǎn)生線性分布的應(yīng)力，單次振動(dòng)產(chǎn)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(yīng)力；t為平板的厚度。從模型中抽取一個(gè)微元進(jìn)行分析，列出微元平衡方程，如式（2）所示

式中，負(fù)號(hào)表示方向，正應(yīng)力σ(x)由平板的形變即振動(dòng)的振幅決定。式（3）表明，在平板厚度不變時(shí)，冰層受到的平板剪切力的大小取決于低頻振動(dòng)的振幅。在致動(dòng)器按一定頻率工作時(shí)，連接層會(huì)受到剪切力沖量的累積作用，導(dǎo)致冰與平板的黏附強(qiáng)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(fù)合微小功率低頻振動(dòng)即可成功除冰的原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)飛機(jī)除冰問(wèn)題，提出了用低頻振動(dòng)輔助超疏水電熱薄膜的復(fù)合除冰方案，并通過(guò)冰風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)該復(fù)合方案進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明低頻振動(dòng)對(duì)超疏水電熱薄膜的除冰效果有明顯的增益作用。低頻振動(dòng)通過(guò)提供微小功率的機(jī)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(jī)除冰領(lǐng)域有一定的工程應(yīng)用潛力。