树脂基复合材料因其具有比强度高、比模量高及可设计性强等优点，备受航空航天、船舶、兵器等战略性新兴产业的青睐。特别地，如图所示，随着复合材料在飞机、舰船设计工程中占比的逐渐增加，因复合材料部件覆冰问题引发的服役事故受到越来越多的关注。然而，由于树脂基复合材料与传统金属材料的物性差异较大，以往关于金属材料的防覆冰技术并不能完全适用于复合材料部件。
图1 复合材料部件覆冰问题引发的服役事故
本文开展了随机粗糙表面液滴凝固动力学研究，建立了耦合液/固-气界面追踪和液滴凝固相变过程的数值方法，系统探讨了随机粗糙表面不同边界条件对液滴动态凝固行为的影响规律。首先，基于动力粘度图谱，确定了随机粗糙表面三相接触线形状，有效缩小了三相接触线的理论预测范围。此外，随机粗糙表面冷却液滴的液固相变比值一直是一个不易获取的重要参数，本文基于数值模型推荐了一种确定液固相变比值的数值手段。并在此基础上，讨论了随机粗糙表面液滴相变动力学行为，揭示了液滴在随机粗糙表面上不同扩散状态的流体力学机理。此外，基于相变云图讨论了不同边界条件下液滴的形态演化特征，并对随机粗糙表面上液滴浸润状态进行了差异化解读，上述工作可为复合材料表面防覆冰技术的研究提供策略支撑。
图2 实验装置
图3 实验液滴和数值液滴动态凝固对比
图4 基于数值和实验结果的液滴铺展系数历史对比
图5 不同表面温度和冲击速度下液滴的形态演变
图6 不同表面温度和冲击速度下液滴的形态演变
图7 不同表面温度和冲击速度下液滴的铺展系数
图8 -5°C 表面不同冲击速度下数值液滴的铺展系数和速度分布
图9 -5°C 不同表面温度和冲击速度下数值液滴的铺展面积
图10 2ms时不同表面温度和冲击速度下数值液滴的凝固阻力分布
图11 固液界面的凝固阻力最大值曲线
这项工作通过数值方法研究了液滴碰撞动态对基于3D计算流体动力学（CFD）模型和恢复2D随机粗糙表面的机械固化的影响。在修正的Navier-Stokes方程框架下计算了多相流问题，并调整了焓-孔隙模型以解释液-固相变。数值方法得到了实验证明其准确性。我们进一步展示并理解了关于机械固化的额外细节，这是实验无法捕捉到的。得出以下结论：（1）实体云图证实，液滴立即在撞击低温基底时发生相变。此外，随着基底温度降至冰点，液滴由完全反弹变为固化。(2) 液滴撞击随机粗糙表面会产生几个指状突起，从而使最大扩展因子增加。然而，由于相变的影响，液滴扩展行为受到了阻碍；因此，基底温度越低，指状突起越明显。(3) 达到最大扩展因子的液滴的速度剖面显示，基底温度越低，机械阻力越大，这对于涡流不利。提供了替代视角来解释液滴无法从低温超疏水表面弹开的原因。(4) 根据扩展面积和固化阻力分析，液滴在微结构基底上表现出完全润湿（Wenzel模型）和局部润湿（Cassie模型）行为。为液滴在随机粗糙表面上的润湿模式提供了新的理论支持。
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125311
（来源：超疏水防冰表面研究站）