低频振动对超疏水电热除冰方法的增益效果探究

2022-11-28魏卓姚井淳石小鑫陈增贵唐亚林吕湘连何洋

航空科学技术 2022年11期

魏卓，姚井淳，石小鑫，陈增贵，唐亚林，吕湘连，何洋

西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，陕西西安 710072

飞机结冰会破坏气动布局[1]、干扰仪器设备[2]、劣化操稳性能[3]，影响飞行安全。严重时极易导致飞行事故，造成大量人员伤亡与财产损失[4-8]。传统的防除冰技术包括防冰液[9]、气动式[10]、气热式[11]、电热式[12]等，然而这些防除冰技术存在附加装置复杂、能耗过大等明显缺点[13-15]。针对这些问题，研究人员提出了复合式防除冰技术的概念。

如今研究较多、发展较快的复合式防除冰方法是将主动型电加热方法与被动型超疏水表面[16-17]相结合的超疏水电热防除冰技术。杨常卫等探讨论证了超疏水表面在电热防除冰系统中的节能原理[18]，介绍了超疏水材料的机理和特点以及超疏水表面的制备方法。G.Fortin等开展了电热与疏水涂层复合防冰技术研究[19]，试验结果表明，复合防冰技术相比纯电热技术降低能耗33%，这是由于疏水表面有助于使水脱离表面，从而减少结冰。C.Antonini等研究了超疏水与电热复合式防除冰节能策略[20]，进行了冰风洞试验，结果表明超疏水涂层的应用显著降低了机翼前缘防冰所需加热功率并有效抑制了溢流冰的产生。T.Wang 等设计了一种超疏水石墨烯加热防除冰薄膜[21]，该薄膜利用了全氟化碳的低极化率和石墨烯纳米带的固有导电特性。陈华伟等制备出一种超疏水电热复合防除冰涂层[22]，将商用气相二氧化硅用氟硅烷改性，再与树脂、导热颗粒按适当比例混合，提出了一种新的复合防除冰技术设计思路。A.Dolatabadi等通过冰风洞试验研究了超疏水电热蒙皮的防除冰性能[23]。试验表明，与铝制翼型相比，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。陈增贵等通过冰风洞试验证实超疏水电热复合技术在显著降低能耗的同时能很好地抑制溢流冰，并从冰黏附的角度揭示了抑制溢流冰的原理[24]，且在冰风洞试验中发现，超疏水电热复合系统在达到一定加热功率时，蒙皮表面的冰黏附强度很低，但仍需提供较多功率才能使积冰脱落而完成除冰[25]。

在超疏水电热复合系统将冰黏附强度降到一定程度时，提供微小功率的机械作用即可使积冰脱落，由此提出在超疏水电热方法上再复合低频振动的复合除冰方法，冰风洞试验表明低频振动的增益效果明显，并阐释了振动辅助除冰的原理。

1 超疏水电热低频振动复合除冰装置设计制备

超疏水电热低频振动复合除冰装置由超疏水表面、电加热薄膜和微致动器三个部分构成。电加热薄膜的制备过程如图1（a）所示，通过在下层PI 绝缘层上沉积康铜金属层，湿法刻蚀金属层后形成加热线路，再热压合上层PI绝缘层的方式制成。线路设计如图1（b）所示，制备完成的电热膜厚度仅50μm，延展性良好，柔软易贴附。

图1 电热薄膜设计示意图Fig.1 Schematic diagram of electrothermal film design

参照参考文献[24]的方法，在电热薄膜上表面均匀喷涂超疏水涂料获得超疏水表面。超疏水性能由接触角的大小来表征，如图2所示，制备出的超疏水表面接触角为152.5°。

图2 超疏水表面接触角测量图Fig.2 Contact angle measurement diagram of super hydrophobic surface

根据偏心振动原理，产生低频振动[25]。在设计时，致动器的振动频率必须避开装置固有频率，避免发生共振从而破坏试验装置。因此需对已贴装超疏水电热薄膜的平板进行模态测试。试验装置主体为320mm×100mm×2mm的复材平板。采用力锤敲击的方法进行模态测试，如图3所示，在平板上均匀选取若干点进行标记，使用力锤敲击，利用加速度传感器依次采集到各点的加速度变化，使用软件进行分析。

图3 力锤敲击法Fig.3 Hammer percussion method

模态测试结果如图4 所示，试验装置的一阶固有频率约90Hz。根据振型以及曲线复杂程度分析，130～150Hz 频段是局部共振段。设计时应避开一阶固有频率以及局部共振频率，以避免共振破坏试验装置。因此选择110Hz 作为致动器的激励频率。

图4 模态测试结果图Fig.4 Diagram of modal test results

考虑试验装置的材料力学性质，将致动器振幅选取为20μm。最终设计的微致动器如图5 所示，设计尺寸为20mm×20mm，质量为10g。

图5 低频振动致动器Fig.5 Low frequency vibration actuator

完成的超疏水电热低频振动复合除冰装置如图6 所示。电加热薄膜布置在试验平板外侧，薄膜表面均匀喷涂超疏水涂层，通过连接件将单个低频振动致动器固定在试验平板内侧的几何中心。

图6 超疏水电热低频振动复合除冰装置示意图Fig.6 Schematic diagram of superhydrophobic electrothermal low-frequency vibration compound deicing device

2 试验平台、系统搭建及参数设置

2.1 冰风洞试验平台

在西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室的GS-3000F 冰风洞开展验证试验。GS-3000F 风洞是低速回流式风洞，基本结构如图7所示，基本参数见表1。

表1 GS-3000F冰风洞性能参数Table 1 GS-3000F ice wind tunnel performance parameters

图7 GS-3000F冰风洞基本结构Fig.7 Basic structure of GS-3000F ice wind tunnel

2.2 试验系统

如图8 所示，试验系统主要包括冰风洞、试验模型、直流电源、上位机、摄像机等。试验模型用于验证超疏水/电热/低频振动复合除冰方法，直流电源用于提供除冰系统所需能量，并通过相机记录完整除冰过程。

图8 冰风洞试验系统Fig.8 Ice wind tunnel test system

2.3 试验参数

选择CCAR-25部附录C标准中的典型结冰气象条件，平板与来流方向保持30°夹角。在相同条件下进行两次试验:（1）超疏水/电热除冰试验；（2）超疏水/电热/低频振动除冰试验，试验参数见表2。

表2 冰风洞试验参数Table 2 Ice wind tunnel test parameters

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

3.1.1 超疏水/电热除冰试验

除冰过程如图9 所示。此时，电加热膜工作电压为28V，电流为1.2A，功率为33.6W。试验结果表明，在1min内积冰未发生脱落，判定除冰无效。

图9 超疏水/电热除冰方法除冰过程Fig.9 Superhydrophobic/electrothermal deicing process

3.1.2 超疏水/电热/低频振动除冰试验

除冰过程如图10 所示。此时，电加热膜工作电压为28V，电流为1.2A，功率为33.6W。微致动器工作电压为1.2V，工作电流为0.5A，功率为0.6W。试验结果表明，除冰系统开启后积冰即开始脱落，并最终在30s内全部脱落，判定除冰有效。

图10 超疏水/电热/低频振动除冰方法除冰过程图Fig.10 Superhydrophobic/electrothermal/low-frequency vibration deicing process diagram

两次试验的总功率分别为33.6W和34.2W。低频振动所需功率为0.6W，只占到电热功率33.6W 的1.8%，以微小功率产生了显著的除冰效果差异，因此认为低频振动对超疏水/电热除冰系统有明显的增益作用。

3.2 低频振动作用形式分析

由于平板与冰层的厚度均远小于其长度与宽度，因此可将其近似等效为薄板模型，薄板受到横向载荷的作用而发生弯曲，根据克希霍夫假设，薄板变形后，其中面在垂直方向上的投影形状保持不变，如图11所示。

图11 薄板中面理论Fig.11 Thin plate midplane theory

建立连接层受力断裂的除冰模型[26]，将冰层分为两部分，取与平板表面接触的极薄一层冰作为连接层，该连接层只能传递剪切力，如图12 所示。若不定义连接层，在低频振动作用时冰层与平板会分别满足薄板弯曲模型而产生相对位移。但在试验过程中，冰层脱落之前并未与平板发生相对位移，因此须定义连接层。

图12 有连接层的除冰模型Fig.12 Deicing model with connecting layers

假设平板内的应力分布符合伯努利-欧拉假设。在此分析以及假设上建立冰-平板结构的力学模型，如图13所示。

图13 冰-平板结构的力学模型Fig.13 Mechanical model of ice-plate structure

冰层与平板发生弯曲变形后沿z方向产生线性分布的应力，单次振动产生与传递的力矩如式（1）所示

式中，σ为平板与冰层所受的正应力；t为平板的厚度。从模型中抽取一个微元进行分析，列出微元平衡方程，如式（2）所示

式中，负号表示方向，正应力σ(x)由平板的形变即振动的振幅决定。式（3）表明，在平板厚度不变时，冰层受到的平板剪切力的大小取决于低频振动的振幅。在致动器按一定频率工作时，连接层会受到剪切力冲量的累积作用，导致冰与平板的黏附强度不断降低，最终从表面脱落。这就是超疏水电热薄膜除冰失效，而复合微小功率低频振动即可成功除冰的原因。