本發(fā)明屬于材料表面性能評(píng)價(jià)；尤其涉及一種面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法。

背景技術(shù)：

1、目前，飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象仍是影響飛行安全的一個(gè)重大問(wèn)題。為解決低溫高濕環(huán)境下的飛機(jī)結(jié)冰問(wèn)題，研究人員提出了電熱防除冰、機(jī)械振動(dòng)防除冰和熱氣防除冰等技術(shù)。然而，上述防除冰技術(shù)通常需要額外的能耗和設(shè)備，增加了飛行負(fù)擔(dān)。因此，超疏水防除冰技術(shù)、slips防除冰技術(shù)、固態(tài)潤(rùn)滑防除冰技術(shù)等一系列被動(dòng)防除冰技術(shù)成為目前的研究熱點(diǎn)。其中超疏水防除冰技術(shù)因其材料制備簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)成為目前更具應(yīng)用潛力的被動(dòng)防除冰方案。

2、當(dāng)前超疏水防除冰表面的設(shè)計(jì)通?；趯?shí)驗(yàn)室靜態(tài)環(huán)境，制備的超疏水結(jié)構(gòu)多以均勻分布為要求，在靜態(tài)環(huán)境下獲得的疏水/防冰/除冰性能較為一致。然而，對(duì)于來(lái)流條件下的機(jī)翼等曲面構(gòu)件而言，不同區(qū)域的液滴接觸形式大為不同，為獲得優(yōu)異的防除冰效果，應(yīng)當(dāng)針對(duì)表面不同區(qū)域的流場(chǎng)環(huán)境和液滴接觸模型設(shè)計(jì)并建立選擇性的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升整體表面的防除冰效果。

3、因此，本發(fā)明基于計(jì)算流體力學(xué)方法和激光直寫(xiě)技術(shù)，提出了一種面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，旨在實(shí)現(xiàn)來(lái)流環(huán)境下復(fù)雜曲面表面防除冰性能的提升，為航空航天領(lǐng)域防除冰技術(shù)的發(fā)展提供理論支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供了一種面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法。本發(fā)明所制備得到的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)對(duì)飛行器表面防除冰技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明涉及一種面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

4、步驟1，基于ansys?icem軟件建立超疏水構(gòu)件計(jì)算模型，根據(jù)計(jì)算模型的特征長(zhǎng)度設(shè)定計(jì)算域的長(zhǎng)度、高度與寬度，將計(jì)算模型置于計(jì)算域幾何中心，建立曲面構(gòu)件；

5、步驟2，在曲面構(gòu)件表面布置特定尺寸和間距的微結(jié)構(gòu)陣列，將曲面構(gòu)件表面根據(jù)形態(tài)特征分割為若干個(gè)區(qū)域，劃分網(wǎng)格，設(shè)置近壁面邊界層；

6、步驟3，選定來(lái)流速度，基于來(lái)流速度的馬赫數(shù)判別流體是否可壓縮，可壓縮流體選密度基求解器，不可壓縮流體選擇壓力基求解器；

7、步驟4，在ansys?fluent軟件中選擇湍流模型，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)化驗(yàn)證與可靠性驗(yàn)證；

8、步驟5，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定來(lái)流速度、來(lái)流溫度、壁面溫度，表面接觸角，進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果讀入ansys?fluent?icing軟件；

9、步驟6，在ansys?fluent?icing軟件中設(shè)置顆粒流(particles)模塊和結(jié)冰(icing)模塊，進(jìn)行低溫環(huán)境下的來(lái)流液滴分布行為及結(jié)冰形態(tài)計(jì)算，獲得表面不同區(qū)域的液滴收集系數(shù)及結(jié)冰質(zhì)量參數(shù)；

10、步驟7，在此基礎(chǔ)上選擇不同幾何參數(shù)的微結(jié)構(gòu)多次重復(fù)步驟2-步驟6的流程，并針對(duì)相同分割區(qū)域進(jìn)行液滴收集系數(shù)及結(jié)冰質(zhì)量參數(shù)對(duì)比，獲得各區(qū)域最佳的微結(jié)構(gòu)參數(shù)；

11、步驟8，根據(jù)步驟7得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于激光直寫(xiě)技術(shù)，調(diào)控激光波長(zhǎng)、激光功率、曝光時(shí)間、掃描速度、路徑參數(shù)在基體材料表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制備；

12、步驟9，將步驟8得到的微結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過(guò)表面氟化修飾獲得最終的超疏水表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)。

13、優(yōu)選地，步驟1中，所述曲面構(gòu)件包括縮比翼型、平板、復(fù)雜曲面。

14、優(yōu)選地，步驟1中，所述計(jì)算域的長(zhǎng)度為計(jì)算模型特征長(zhǎng)度的20倍以上，寬度與高度均為計(jì)算模型特征長(zhǎng)度的5倍以上。

15、優(yōu)選地，步驟2中，所述微結(jié)構(gòu)陣列包括：方柱陣列、圓柱陣列、金字塔陣列、球形陣列、楔形陣列。

16、優(yōu)選地，步驟2中，所述微結(jié)構(gòu)陣列的高度為20μm～200μm，邊長(zhǎng)/直徑為20μm～100μm，間距為0μm～100μm。

17、優(yōu)選地，，步驟2中，所述區(qū)域的數(shù)量為5-10個(gè)。

18、優(yōu)選地，步驟2中，所述近壁面邊界層為10層，膨脹系數(shù)為1.2，初始邊界層高度為y，由下式(1)所示：

19、

20、其中，y+為距離底部壁面的無(wú)量綱高度，uτ是由壁面剪切應(yīng)力控制的切向速度，uτ表示如式(2)所示：

21、

22、τω表示如式(3)所示：

23、

24、式(3)中，τω為壁面剪切應(yīng)力，ρ為空氣密度，u∞為來(lái)流速度。y+為0.8-1.2。

25、優(yōu)選地，步驟3中，所述判別流體的標(biāo)準(zhǔn)為：來(lái)流馬赫數(shù)高于0.3的流體判定為可壓縮流體，馬赫數(shù)小于0.3的流體為不可壓縮流體。

26、優(yōu)選地，步驟4中，所述湍流模型為spalart-allmaras(s-a)，k-ε，k-ω，transition?sst，reynolds?stress(rsm)和detached?eddy?simulation(des)等。

27、優(yōu)選地，步驟4中，所述計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差距在10％以內(nèi)視為計(jì)算可靠。

28、優(yōu)選地，步驟6中，所述來(lái)流液滴分布行為的lwc為0.00015kg/m3～0.001kg/m3，所述來(lái)流液滴分布行為的液滴直徑為10μm～100μm。粒子分布(particles?distribution)模塊中保持單分散(monodispersed)選項(xiàng)以實(shí)現(xiàn)通過(guò)單液滴捕捉液滴運(yùn)動(dòng)軌跡。為保證液滴運(yùn)動(dòng)速度與來(lái)流速度一致，取消液滴速度矢量(droplet?velocity?vector)選項(xiàng)，冰型為明冰(glaze)、霜冰(rime)等。

29、優(yōu)選地，步驟7中，所述重復(fù)次數(shù)由微結(jié)構(gòu)可選類(lèi)型及幾何參數(shù)范圍決定，一般不超過(guò)10次。

30、優(yōu)選地，步驟8中，所述基體材料為且不限于金屬、復(fù)合材料等。

31、優(yōu)選地，步驟9中，所述氟化修飾的方法包括且不限于噴涂、離子鍍、化學(xué)浸漬等。

32、本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

33、(1)本發(fā)明所涉及的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)實(shí)現(xiàn)了低溫來(lái)流環(huán)境下不同微觀結(jié)構(gòu)表面的液滴接觸形式及結(jié)冰行為預(yù)測(cè)，有效節(jié)約了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)篩選的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

34、(2)本發(fā)明所涉及的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，能夠面向復(fù)雜表面的具體流場(chǎng)特征進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地提升了表面整體的防冰性能。

35、(3)本發(fā)明所涉及的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，能夠靈活應(yīng)用于多種復(fù)雜曲面構(gòu)件，且制備過(guò)程簡(jiǎn)單便捷，具有廣泛的適用性。

36、(4)本發(fā)明所涉及的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，為航空航天領(lǐng)域所需的防除冰技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論指導(dǎo)。

技術(shù)特征：

1.一種面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述曲面構(gòu)件包括縮比翼型、平板、復(fù)雜曲面。

3.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述計(jì)算域的長(zhǎng)度為計(jì)算模型特征長(zhǎng)度的20倍以上，寬度與高度均為計(jì)算模型特征長(zhǎng)度的5倍以上。

4.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述微結(jié)構(gòu)陣列包括：方柱陣列、圓柱陣列、金字塔陣列、球形陣列、楔形陣列。

5.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述微結(jié)構(gòu)陣列的高度為20μm～200μm，邊長(zhǎng)/直徑為20μm～100μm，間距為0μm～100μm。

6.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述區(qū)域的數(shù)量為5-10個(gè)。

7.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述近壁面邊界層為10層，膨脹系數(shù)為1.2，初始邊界層高度為y，由下式(1)所示：

8.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟3中，所述判別流體的標(biāo)準(zhǔn)為：來(lái)流馬赫數(shù)高于0.3的流體判定為可壓縮流體，馬赫數(shù)小于0.3的流體為不可壓縮流體。

9.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟4中，所述湍流模型為spalart-allmaras，k-ε，k-ω，transition?sst，reynoldsstress和detached?eddy?simulation。

10.如權(quán)利要求1所述的面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟6中，所述來(lái)流液滴分布行為的lwc為0.00015kg/m3～0.001kg/m3，所述來(lái)流液滴分布行為的液滴直徑為10μm～100μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種面向來(lái)流環(huán)境的表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法；本發(fā)明通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法針對(duì)復(fù)雜曲面表面區(qū)域化的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行液滴分布行為及結(jié)冰形態(tài)對(duì)比篩選計(jì)算，隨后基于激光直寫(xiě)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)制備，最終獲得具有高效防冰性能的超疏水表面。本發(fā)明所涉及的超疏水表面選擇性防冰結(jié)構(gòu)的制備方法有效節(jié)約了結(jié)構(gòu)篩選時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本，能夠針對(duì)復(fù)雜表面進(jìn)行針對(duì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在提升整體表面的防冰效率。此外，本發(fā)明所涉及的制備方法靈活便捷，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，為航空航天領(lǐng)域所需的防除冰技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。

技術(shù)研發(fā)人員：江家威,沈一洲,陶杰,許楊江山
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21