超疏水电热复合分区防冰策略

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30784

流体力学与飞行力学

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超疏水电热复合分区防冰策略

刘欣乐¹(), 姜亚楠¹, 辛荣提¹, 李庆辉¹, 蔡晋生²

^1.江西洪都航空工业集团有限责任公司，南昌 330024
^2.西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室，西安 710072

收稿日期:2024-06-04 修回日期:2024-09-13 接受日期:2024-11-18 出版日期:2024-11-26 发布日期:2024-11-25
通讯作者: 刘欣乐 E-mail:1198856941@qq.com

Anti-icing strategy of superhydrophobic electric thermal composite zoning

Xinle LIU¹(), Yanan JIANG¹, Rongti XIN¹, Qinghui LI¹, Jinsheng CAI²

^1.AVIC Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group，Nanchang 　330024，China
^2.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710072，China

Received:2024-06-04 Revised:2024-09-13 Accepted:2024-11-18 Online:2024-11-26 Published:2024-11-25
Contact: Xinle LIU E-mail:1198856941@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

作为一种新型防冰技术，超疏水电热复合表面防冰具有良好的防冰效果和较低的能量消耗。基于超疏水表面润湿特性和电加热膜的加热特性，依据表面结冰机理，提出了超疏水-疏水表面分区与电热分区复合防冰方法。在结冰风洞中开展了翼型模型超疏水电热复合表面防冰试验研究，结果显示新型分区防冰方法防冰能耗最低，验证了该方法的可行性。试验结果与能耗分析表明：在过冷水滴的冲击下，前缘超疏水表面一旦结冰会造成结冰累积，需要更高的能耗，前缘疏水表面可以在较低能耗下保持湿态防冰效果；与常规超疏水电热防冰方法相比，超疏水-疏水表面分区与电热分区复合防冰能耗降低最大约64.2%的能耗；温度和风速对该方法的影响也相对较小。

关键词: 电热, 超疏水, 结冰风洞, 防结冰, 分区方式

Abstract:

As a new type of anti-icing technology， superhydrophobic electric thermal composite surface anti-icing has good anti-icing effect and low energy consumption. Based on the wetting characteristics of superhydrophobic surfaces and the heating characteristics of electric heating films， a composite anti-icing method of superhydrophobic-hydrophobic surface zoning and electric heating zoning is proposed according to the surface icing mechanism. Experimental research on the anti-icing of superhydrophobic electric thermal composite surfaces using an airfoil model was conducted in an icing wind tunnel. The results show that the new partitioned anti-icing method has the lowest anti-icing energy consumption， verifying its feasibility. The experimental results and energy consumption analysis indicate that freezing of the leading edge superhydrophobic surface will immediately cause ice accumulation and therefore require higher energy consumption under the impact of supercooled water droplets. The leading edge hydrophobic surface can maintain its wet anti-icing effect at lower energy consumption. Compared with conventional superhydrophobic electric heating anti-icing methods， the combination of superhydrophobic-hydrophobic surface zoning and electric heating zoning can reduce energy consumption by up to 64.2%， and the influence of temperature and wind speed on this method is relatively small.

Key words: electric heating, superhydrophobic, ice wind tunnel, anti-icing, partition method

中图分类号:

V244.1⁺5

刘欣乐, 姜亚楠, 辛荣提, 李庆辉, 蔡晋生. 超疏水电热复合分区防冰策略[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 130784.

Xinle LIU, Yanan JIANG, Rongti XIN, Qinghui LI, Jinsheng CAI. Anti-icing strategy of superhydrophobic electric thermal composite zoning[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 130784.

图/表 18

表1

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表2

图 9

表3

图 10

表4

图 11

表5

图 12

表6

参考文献 20

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
试验段尺寸（长×宽×高）/m³	0.65×0.30×0.20
轴流风机驱动功率/kW	70
温度范围/℃	-40~25
风速范围/（m·s^-1）	0~210
压力控制精度/Pa	±100
温度波动度/℃	±0.5
降温速率/（℃·min^-1）	≥2.5

工况	温度/℃	风速/（m·s^-1）	液态水含量/（g·m^-3）	平均体积直径/μm
1	-10	35	0.5	20
2	-10	50	0.5	20
3	-10	60	0.5	20
4	-15	35	0.5	20

位置	防冰功率密度/（W·m^-2）
位置	工况1	工况2	工况3	工况4
分区1	10 865.40	22 650.00	25 854.00	16 709.6
分区2	7 100.00	8 576.19	11 433.33	8 028.57
平均值	7 824.12	11 282.69	14 206.54	9 698.00

位置	防冰功率密度/（W·m^-2）
位置	工况1	工况2	工况3	工况4
分区1	4 513.85	8 040.00	11 455.38	8 009.23
分区2	2 978.11	4 047.81	5 562.13	3 905.33
平均值	3 225.81	4 691.71	6 512.66	4 567.25

位置	防冰功率密度/（W·m^-2）
位置	工况1	工况2	工况3	工况4
分区1	3 765.33	6 373.33	9 610.67	6 688.00
分区2	3 472.13	3 521.01	4 385.09	2 982.25
平均值	3 525.38	4 038.98	5 334.04	3 655.21

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Anti-icing strategy of superhydrophobic electric thermal composite zoning

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试验条件变化	防冰能耗增幅/%
试验条件变化	聚酰亚胺电热膜	SiO₂-FPU超疏水MXene电热膜复合表面	SiO₂-FPU超疏水-PDMS改性环氧树脂疏水MXene电热膜复合表面
温度降低	24.0	41.6	4.0
风速提高	81.6	102.0	51.3

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