合成双射流抑制超疏水表面水滴撞击结冰

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31838

流体力学与飞行力学

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合成双射流抑制超疏水表面水滴撞击结冰

高天翔, 罗振兵(), 景向嵘, 冯文杰, 周岩, 程盼

国防科技大学空天科学学院，长沙 410073

收稿日期:2025-01-23 修回日期:2025-02-18 接受日期:2025-04-01 出版日期:2025-09-25 发布日期:2025-04-25
通讯作者: 罗振兵 E-mail:luozhenbing@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(92271110);国家自然科学基金(12202488);国家自然科学基金(111872374);国家自然科学基金(1972369);国家自然科学基金(52075538);国家科技重大专项（J2019-Ⅲ-0010-0054, J2019-Ⅱ-0016-0037）;湖南省自然科学基金(2023JJ30622);中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室基金(IADL20220410);沈阳市飞机结冰与防除冰重点实验室基金(YL2022XFX03)

Suppression of droplet impact freezing on superhydrophobic surfaces using dual synthetic jets

Tianxiang GAO, Zhenbing LUO(), Xiangrong JING, Wenjie FENG, Yan ZHOU, Pan CHENG

College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China

Received:2025-01-23 Revised:2025-02-18 Accepted:2025-04-01 Online:2025-09-25 Published:2025-04-25
Contact: Zhenbing LUO E-mail:luozhenbing@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(92271110);Natural Science Foundation of Hunan Province(2023JJ30622);Foundation of Key Laboratory of Icing and Anti/De-freezing, China Aerodynamics Research and Development Center(IADL20220410);Shenyang Key Laboratory of Aircraft Icing and Ice Protection Foundation(YL2022XFX03);National Science and Technology Major Project （J2019-Ⅲ-0010-0054, J2019-Ⅱ-0016-0037）

摘要/Abstract

摘要：

超疏水表面可通过促使撞击水滴回弹实现防冰，是防/除冰领域研究的热点。但在实际结冰气象条件下，表面的超疏水性能可能会在水滴撞击的过程中丧失，致使防冰失效。研究采用合成双射流主动控制技术以抑制结冰。通过搭建低温实验系统，结合高速摄影观测和数值模拟，分析了-30℃条件下水滴撞击超疏水表面的结冰特性及合成双射流的调控效果。结果表明，无射流作用时水滴最终粘附于表面并结冰；施加合成双射流后，可有效促使水滴与冰层分离，显著减少壁面冰残留。数值模拟进一步表明，合成双射流通过增强水滴运动、改变局部换热和流场结构，抑制冰层形成。该研究为开发新型低能耗防/除冰技术提供一定参考。

关键词: 合成双射流, 水滴撞击, 超疏水表面, 结冰, 高速摄影

Abstract:

Superhydrophobic surfaces， which can promote the rebound of impacting water droplets， have become a research hotspot in the field of anti-/de-freezing. However， under practical freezing conditions， the performance of superhydrophobic surfaces may deteriorate during droplet impact， leading to anti-freezing failure. We employ an active control technology using dual synthetic jets to suppress freezing. A low-temperature experimental system was built， and high-speed photography along with numerical simulations were used to analyze the freezing characteristics of water droplets impacting superhydrophobic surfaces at -30 ℃ and the control effect of dual synthetic jets. The results show that， without using dual synthetic jets， droplets ultimately adhere to the surface and freeze； with the application of dual synthetic jets， droplet separation from the ice layer is effectively promoted， significantly reducing residual ice on the surface. Numerical simulations further reveal that dual synthetic jets inhibit ice formation by enhancing droplet motion， altering local heat transfer， and modifying the flow field structure， providing a valuable reference for the development of novel low-energy consumption anti-/de-freezing technologies.

Key words: dual synthetic jets, droplet impact, superhydrophobic surface, freezing, high-speed photography

中图分类号:

V211.7

高天翔, 罗振兵, 景向嵘, 冯文杰, 周岩, 程盼. 合成双射流抑制超疏水表面水滴撞击结冰[J]. 航空学报, 2025, 46(18): 131838.

Tianxiang GAO, Zhenbing LUO, Xiangrong JING, Wenjie FENG, Yan ZHOU, Pan CHENG. Suppression of droplet impact freezing on superhydrophobic surfaces using dual synthetic jets[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(18): 131838.

图/表 17

图 1

图 2

表1

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参考文献 33

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温度/K	黏度/（mPa·s）	热导率/（W·m^-1·K^-1）	热容/（J·kg^-1·K^-1）	表面张力/（mN·m^-1）	密度/（kg·m^-3）
243.15	5.65	0.431	5 132	79.64	983.800 0
253.15	4.33	0.478	4 894	78.41	993.600 0
263.15	2.66	0.525	4 580	76.98	998.100 0
273.15	179.00	0.556	4 220	75.65	999.800 0
283.15	131.00	0.579	4 195	74.22	999.702 1
293.15	100.00	0.598	4 184	72.75	998.522 8

温度/K	黏度/ （µPa·s）	热导率/ （mW·m^-1·K^-1）	热容/ （J·kg^-1·K^-1）	密度/ （kg·m^-3）
240	15.51	21.77	1 006	1.453
260	16.55	23.35	1 006	1.341
280	17.56	24.88	1 006	1.245
300	18.54	26.38	1 006	1.161

温度/K	热导率/（W·m^-1·K^-1）	热容/（J·kg^-1·K^-1）	密度/（kg·m^-3）	潜热/（J·kg^-1）
243.15	2.50	1 880	920.9	33 400
253.15	2.38	1 950	919.6	33 400
263.15	2.26	2 020	918.2	33 400
273.05	2.16	2 100	916.7	33 400

合成双射流抑制超疏水表面水滴撞击结冰

Suppression of droplet impact freezing on superhydrophobic surfaces using dual synthetic jets

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