壁面性质对过冷水结冰影响的实验研究和理论分析

摘要

飞机在一定高度飞行时，空中的过冷水滴会碰撞在飞机表面并结冰，破坏飞机的气动外形并影响发动机、传感器等正常工作，是飞行安全的重大隐患。对结冰环境的规避及防除冰系统的设计都需要对飞机表面冰的生成进行可靠的预测，这要求掌握过冷水在飞机表面的结冰规律和机理。而目前过冷水在壁面附近的凝固规律认识不足，特别是理论描述较少。另一方面，虽然对防冰材料的研究被越来越多的关注，但材料表面性质对过冷水结冰的影响尚未得到充分认识。因此本文针对其现状，对过冷水在固壁附近的结冰规律以及固壁性质对冰生长的影响需要进行细致的研究，主要工作如下：
　　针对目前壁面性质对飞机过冷结冰理论的影响程度的未知，本文采用近壁研究实验方法，通过改变壁面材质和涂层控制导热率和接触角两个变量，并采用高速相机观察了冰生长的过程，重点记录冰生长的速率和形态，从而发现接触角和导热率两种壁面性质对冰生长的影响。
　　通过实验现象，整理实验结果，得到壁面导热率和接触角与冰在壁面生长速度的关系。结果显示壁面导热率与壁面上冰水平生长的速度成正相关。壁面导热率还会影响冰前缘轮廓的形状。在大导热的金属表面冰为圆形，在非金属表面为不规则的枝状。壁面接触角与冰沿壁面的生长速度正相关，特别在导热率低时影响明显，而对垂直生长速度的影响可以忽略。
　　基于实验中的现象，本文建立了冰近壁生长理论模型，预测了在不同导热率壁面上的冰垂直和水平生长速度，并且讨论了壁面接触角影响近壁结冰的方式。对其影响冰生长机制的探讨显示，冰的接触角可能与水的接触角成反比。以上研究结论可作为飞机表面防除冰系统材料选择的参考。

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第一章 绪 论

1.1研究背景与研究意义

1.2研究现状

1.3现状总结与问题提出

1.4论文的主要内容与章节安排

1.5本文的主要创新点

第二章 过冷水壁面特性实验研究方法

2.1实验研究方案

2.2结冰实验设备

2.3水的制备和实验件的处理

2.4实验步骤

2.5本章小结

第三章 过冷水近壁结冰现象

3.1冰的生长过程

3.2冰生长速度的测量方法

3.3本章小结

第四章 实验结果的分析和讨论

4.1实验条件可靠性验证

4.2壁面导热率影响规律

4.3壁面接触角的影响规律

4.4本章小结

第五章 冰近壁生长理论模型

5.1平滑冰层的垂直生长

5.2冰层沿壁面生长

5.3壁面接触角影响结冰的讨论

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文