超疏水表面抑霜机理分析及壁面特性对抑霜效果影响的研究

Frost growth or ice accretion widely exists in the field of aerospace engineering, however, this phenomenon will worsen the operating characteristics of equipments and even cause the aircraft crash. Therefore, it has great implications to study the mechanism and method of the frost restrain in order to alleviate or even prevent the frost formation and eventually eliminate the negative effects of frost. The bionics studies suggested the super-hydrophobic surface can satisfy the abovementioned purposes. In this project, the mechanism of frost restrain by using super-hydrophobic surface will be revealed based on the phase equilibrium theory as well as heat and mass transfer principle primarily. Moreover, the Lattice Boltzmann Method (LBM), a numerical approach on the mesoscopic level, will be employed to investigate the frost growth on the different super-hydrophobic surfaces. An improved enthalpy method-based LBM model proposed by applicant will be expanded into a three dimensional one and be used to study the effects of the wetting characteristics, surface structures and micro-roughness on frost growth. Besides, according to numerical results, the super-hydrophobic surfaces, which possess the desirable anti-frosting performance theoretically, will be designed and machined. And the experimental researches will be carried out with the help of the low-temperature synchronous observation system. The unsteady process of frost formation and growth on the super-hydrophobic surfaces will be observed and captured. The influences of wall characteristics of super-hydrophobic surfaces on the frost-restrain performance will be analyzed and some principles will be obtained. This research will be helpful in understanding the anti-frosting mechanism of super-hydrophobic surfaces and can provide theoretical guidance and reference for design and application of super-hydrophobic surfaces in the field of frost restrain.

积冰结霜现象会严重影响飞机的正常飞行，相比于目前常用的除霜手段，抑制霜层的形成和生长可以从根本上消除结霜现象所带来的危害。实验研究表明超疏水壁面具有较好的抑霜性能。本项目从霜层产生和生长的机理入手，以相平衡理论和传热传质理论为基础，研究抑霜的原理，从而分析超疏水壁面具有抑霜性能的本质。基于数值模拟和实验研究交替的思路，本项目拟研究超疏水表面的壁面特性对霜层的形成与生长过程的影响，首先采用格子Boltzmann方法数值研究冰晶在具有不同材料浸润性、不同表面结构以及不同微观粗糙度的超疏水壁面上生长的过程；在数值预研的基础上，针对性的设计加工超疏水壁面，依托低温同步观测平台，深入研究超疏水壁面的抑霜性能，总结壁面特性对抑霜效果的影响规律，为超疏水壁面在抑霜领域的加工设计提供理论指导。

本项目通过理论分析、数值模拟和实验研究三个方面系统的研究超疏水表面抑霜机理和超疏水表面积冰特性。在理论方面，从霜层形成的机理入手，分析抑制霜层产生和生长的方法，总结抑霜的原理。在此基础上，结合超疏水壁面的材料浸润性以及表面的微观结构分析其具有抑霜性能的本质，从而揭示超疏水壁面抑霜的机理。在数值研究方面，基于格子Boltzmann方法模拟了液滴撞击水平固壁的动力学行为和微观通道内流动换热特性，获得了超疏水壁面的壁面特性对液滴撞击和流动换热的影响规律。构造了一种新的可以用来模拟冰晶在超疏水壁面上形成与生长过程的LBM凝固模型。对基于焓法的相变模型进行修正改进，使用固体体积分数修正流场演化过程中迁移步的粒子分布函数，并使用变粘度的处理方法，使其更适合用来模拟高温液滴在低温壁面上的凝固过程。使用新构造LBM凝固模型，编写程序，模拟了冰晶在亲水性壁面、中性壁面、以及超疏水壁面上冻结的过程。并在相同的结霜条件（壁面温度、降温速率等）下，采用正交化变参数数值模拟，模拟冰晶在具有不同壁面特性的超疏水壁面上冻结过程，获得了超疏水表面浸润性能和微观结构对抑霜效果的影响规律。在实验研究方面，采用电子束精炼和定向凝固制备技术提纯制备了作为超疏水表面金属基体的高纯铜棒。制备的高纯铜棒横断面晶粒均匀细致，其边缘部分的晶粒因为完成了动态再结晶，其晶粒比心部更加细化，是优良的制备超疏水表面的溅射靶材和镀膜基体。使用高纯铜棒为金属基体，利用磁控溅射镀膜法及喷铂粉法,制备出了具有不同微观颗粒和微观粗糙层厚度的超疏水表面，与水滴的平均接触角分别为128.4°、135.3°、146.7°、152.4°和161.2°。搭建了低温显微观测实验平台，对水滴在超疏水壁面上冻结过程进行了实验研究，利用数码视频显微系统观测并实时捕捉液固相变界面形成及迁移过程。获得了表面疏水性能对冰晶在超疏水壁面上形成及生长过程的影响规律。同时，对冻结后的冰核在壁面表面融化及滑落的过程进行了实验研究，捕捉了冰核在融化过程中固液锋面的形成及迁移过程，记录了冰核在滑落过程中的变形、铺展、滑移等现象。分析了表面粗糙颗粒粒径、微观粗糙层厚度和表面平均接触角对冰核融化及滑落特性的影响规律。