过冷水滴撞击微纳阵列超疏水表面结冰动力学特性多尺度耦合研究

To develop the new aircraft skin possessed the well frost-delaying and defrosting performances is the best way to solve the aircraft icing and the urgent need to guarantee the aviation flight security. The program aims to design the superhydrophobic surface with micro-nano structures, which possesses the desirable anti-frosting performance, and to investigate the dynamic wetting behavior and microphysical freezing process as well as the icing and deicing characteristics of impacting droplet. The multi-scale research proposal will be employed, in which the mechanical analyses will be carried out on molecular-scale, the mathematic model will be proposed on lattice-scale and the low-temperature microscopic experiments will be conducted on droplet-scale. The couple multi-scale mathematic model will be proposed based on the Phase Field Lattice Boltzmann Method (PF-LBM) , the Density Function Theory (DFT) and the Molecular Kinetic Scheme (MKT). The icing and wetting characteristic of a single droplet impact upon the superhydrophobic surface with micro-nano structures will be investigated through numerical simulations. The model will be verified by comparison between the simulation results and experimental data. The effect of surface energy and topological parameters on the process of wetting, nucleation and dendrite growth will be obtained, which can provide theoretical guidance and reference for design and application of anti-icing surfaces in the field of aviation aircraft.

过冷水滴撞击飞机蒙皮形成积冰是飞机失事的主要原因，仿生研究揭示微纳阵列修饰的超疏水表面可以抑冰防霜。构建飞机新型防冰蒙皮是从机理上解决飞机积冰问题的有效途径。本项目以揭示微纳结构抑冰机理、总结表面润湿结构参数对水滴撞击抑冰特性影响规律为研究宗旨，通过跨尺度的微观（Molecular-scale）理论分析、介观（Lattice-scale）数值模拟和宏观（Droplet-scale）实验研究相结合的研究方案，对过冷水滴撞击微纳结构超疏水表面动力学浸润行为、结冰微物理过程开展系统深入的研究。应用分子运动理论、密度泛函理论和相法—格子Blotzmann方法，建立过冷水滴撞击微纳阵列超疏水壁面冻结过程多尺度耦合数学模型。开展正交化变参数数值模拟，并结合低温高倍显微实验，定量化探索表面润湿性能、拓扑结构对浸润、成核、生枝等水滴结冰动力学行为的影响，为飞机新型防冰蒙皮的研制提供基础数据。

飞行过程中的积冰现象已经成为高性能飞行器的安全运行的巨大威胁，仿生研究揭示微纳阵列修饰的超疏水表面可以抑冰防霜。本项目以揭示微纳结构抑冰机理、总结表面润湿结构参数对表面抑冰特性影响规律为研究宗旨，通过机理分析、数值研究和实验研究相结合的研究方案，对微纳阵列超疏水表面积冰结霜特性开展研究。. 应用LBM理论，建立了气-液-固三相耦合模型，数值研究水滴撞击固体壁面后水滴边缘气-液-固三相接触面的动态移动规律，获得微纳结构参数和表面浸润性能对水滴撞击固壁动力学特性的影响规律；建立多相多组分复杂体系结晶模型，数值研究晶核的形成和晶体的长大微物理过程，获得成核概率和壁面参数对晶体生长特性的影响规律。. 基于上述多相多组分相变模型，并结合PF-LBM理论，建立考虑界面作用力的水滴冻结过程数值模型，数值研究单冰晶形成和生长过程，获得壁面参数对结晶相界面迁移速率的影响规律；建立基于成核概率理论的霜层生长过程LB模型．该模型能够在宏观尺度上模拟霜层生长的加密加厚过程，也可以从微观尺度上描述局部的冰枝生长导致的霜层结构的动态变化，数值研究微纳结构冷壁面上霜层形成及生长过程，获得壁面参数对霜层的拓扑结构时空演化特性的影响规律。.采用超短/短脉宽激光诱导技术设计制备具有不同微纳拓扑结构和表面性能参数的超疏水表面，完善升级低温显微实验系统，开展微纳结构超疏水壁面结霜实验研究，观测微纳结构超疏水壁面结霜全过程，分析表面拓扑结构参数和浸润性能对冰晶冻结和霜层生长特性的影响规律，实验结果验证数值研究结果并修正数学模型。. 综上所述，本项目所建立的数学模型以及数值研究和实验研究所获得了壁面特性对结霜过程的影响规律，可应用于结霜抑霜预测分析及新型抑霜表面的研发工作。. 此外，项目执行期内完成论文25篇（发表16篇，已录用9篇），其中SCI收录3篇，EI收录2篇，北大核心期刊论文17篇，授权专利1项，公开专利1项。