高温高速气流中微纳结构表面冻结界面演变规律及抑冰机理研究

Surface anti-icing is crucial for the precooler function in hypersonic air-breathing propulsion systems. The present study concentrates on the fundamental issues of anti-icing on cold textured surfaces under high temperature and high speed air flow conditions. Anti-icing mechanisms using micro- and nano-scale structured surfaces will be studied both experimentally and theoretically. With the aid of high speed photography and microscope lens, sessile droplet freezing and frosting profiles will be captured to investigate the interfacial freezing characteristics. Simultaneous thermographic profiles of the freezing droplet and frost layer interfaces will be monitored via infrared thermography. The temperature distribution of the cold surface and the synchronized ambient temperature will be measured using thermocouples. Effects of air temperature, flow speed, relative humidity as well as the surface morphology on the heat transfer characteristics during icing and frosting will be examined. Within the air temperature range of 380K~1000K and air speed range of 50m/s~500m/s, the impacts of the severe convection, and the large temperature gap between air and cold surface on anti-icing properties of the textured surfaces are highlighted. The coupling heat transfer process among the air flow, frosting layer and the micro- and nano-scale structures will be analyzed to elucidate the frost growth mechanism. Eventually, icephobic surface structures will be proposed, the corresponding frost growth model will be developed. Outcomes of the present study will contribute to the development of anti-icing techniques in combined cycle engine air-precooling systems.

本项目面向我国预冷发动机防冰技术发展的紧迫需求，瞄准高温高速气流中低温表面抑冰的关键问题。首先，开展大温差强对流条件下微纳表面冻结换热实验研究。综合运用高速显微观测技术、红外热成像技术和同步数据采集技术，获取不同微纳结构表面上，润湿和结冰过程的精细可视化结果和全方位动态温度分布。评估表面疏水性和疏冰性，分析冻结界面演变规律，研究表面结霜换热特性。其次，开展空气-霜层-微纳结构孔隙传热耦合理论分析。项目力图揭示大温差强对流作用下，微纳结构表面疏水性和疏冰性的关联机制，提出具有较好抑冰性的微纳结构，建立高温高速气流和表面形貌综合作用下的微纳表面霜层生长模型，阐明抑冰机理。项目将弥补我国深冷空气表面抑冰技术基础研究的不足，填补现有理论对空气温度380K~1000K、空气流速50m/s~500m/s条件下，低温微纳结构表面抑冰机理认识的盲区，为实现空气预冷换热器表面防冰提供技术支撑。

本项目完成的研究内容包括：①大温差不同对流作用下低温表面霜层生长规律、②微纳结构表面粗糙度对液滴凝结和结霜演变规律的影响研究、③管内对流作用下管壁霜层积累与管内流热场相互影响特性分析、④低温微纳疏冰表面冻结界面演变规律研究、⑤表面结霜过程霜晶界面演变规律研究和⑥强迫对流条件下冻结传播及早期结霜特性研究。主要结果包括：.(1)设计并搭建了高温自然对流、高温强制对流实验台，为后续进行高温自然对流、高温强制对流工况下湿空气在低温表面上相变特性的研究奠定平台基础。.(2)实验研究了高温自然对流工况（Ta=48oC，va=0m/s）下湿空气在低温表面（Tw=5 oC ~-40 oC）上的凝结、结霜特性，获得了高温自然对流工况下环境温度、湿度等因素对湿空气在低温表面上的凝结、结霜特性的影响规律，揭示了湿空气在低温表面上的凝结、结霜机理。.(3)系统总结并提出了自然对流工况下霜层致密化机制分类，给出了这些致密化机制发生的时序图。.(4)阐明了高温强制对流工况（Ta=46.07~71.63oC，va=2.1~6.82m/s）下湿空气在低温表面（Tw=-33.54oC ~-44.3 oC）上的霜层生长形貌特性，定量评估了高温强制对流工况下来流温度、速度等因素对低温试件前缘顶面、迎风面结霜特性的影响，结合仿真结果对其机理进行了深入分析，揭示了高温强制对流工况下低温表面前缘的结霜机理。.(5)基于动网格技术构建了较高精度的二维空气通道内霜层的动态生长模型。获得了霜层生长与空气通道流场之间的相互影响规律。为研究空气预冷器微通道单元空气侧霜层生长对流场的影响有重要参考意义。.(6)对强迫对流条件下冷表面的液滴冻结模式进行了实验研究，研究获得了两种液滴冻结模式：尖峰模式和无尖峰模式，分析了两种冻结模式的形成机理，并讨论了冷表面温度和气流流速对冻结模式分布和冻结时间的影响。.(7)实验以镍基高温合金GH3536光滑表面和具有疏水性能的微孔结构表面为研究对象，对其表面的早期结霜特性及霜晶界面演变规律进行研究。定量分析了表面温度、相对湿度和表面疏水性对霜晶形貌和生长速率的影响。