摘 要: 冬季飞行时，寒冷的天气常会导致机翼、测压测速传感头等关键表面结冰，影响飞机的空气动力学性能，严重时甚至会造成安全事故。据此，美国联邦航空管理局( FAA) 要求寒冷天气飞机起飞时必须进行除防冰操作。目前，最常用的方法是喷洒二醇基除冰液，如 II 型、IV 型除冰液。由于 II、IV 型除冰液粘度较 I 型除冰液更高，FAA要求对其空气动力学性能进行测试，而除冰液的流变性能直接影响空气动力学性能，因此，采用 Brookfield 粘度计对防冰液在不同温度、不同转速下的流变性能进行研究，讨论了不同模型对防冰液流变性能的拟合程度。结果表明，在一定范围，Brookfield 粘度计测量除冰液粘度具有较高的精度和重现性，幂律模型和 Carreau 模型均能较好的拟合剪切速率与粘度的关系，相对而言，Carreau 方程拟合精度较高，但是其方程更为复杂，参数较多。

关键词: 除冰液; 幂律模型; Carreau 模型; 粘度; 流变性能

中图分类号: TQ 021． 1 文献标识码: A 文章编号: 1671 － 3206( 2016) 04 － 0732 － 05

DOI:10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20160115.049

Study on rheological properties of deicing / anti-icing fluids

WANG Qiang，PENG Hua-qiao，WU Hai-tao，ZHANG Ya-bo，SU Zheng-liang

( The Second Ｒesearch Institute of CAAC，Chengdu 610200，China)

Abstract: Cold weather often leads to icing of wing，pressure sensor，speed sensor etc． key surface，which affects the aerodynamics of the aircraft，or even causes accidents． Accordingly，the US Federal Aviation Administration ( FAA) requirements that aircraft must take deicing / anti-icing operations when plane take off in cold weather． Currently，the common measure is to spray glycols anti-icing fluid，such as type II and IV anti-icing fluids． Generally，viscosity of type II and IV anti-icing fluid are higher than the type I，which makes FAA require them to test aerodynamics related to rheological properties of anti-icing fluid directly． Therefore，rheological properties and rheological models of anti-icing fluids are discussed at different tem- peratures，different speeds． The results show that Brookfield viscometer，in certain viscosity range，has high precision and reproducibility，and the Power law model and Carreau model can fit the relationship between shear rate and viscosity well，relatively speaking，Carreau model has higher precision，but the model is more complex．

Key words: deicing fluid; Power law model; Carreau model; viscosity; rheological properties

在寒冷潮湿气候条件下，冰或霜容易在飞机表面积聚，导致飞机的空气动力学性能变差，严重时甚至会造成安全事故［1-4］。1969 ～ 2005 年，全世界由于飞机结冰导致的飞行事故已经造成 500 多人死亡，并且造成了重大的财产损失［5］。例如，1982 年 1月 13 日，一架波音 737 客机在华盛顿暴风雪中等待 50 min 后起飞，结果导致机上 79 人中 74 人、地面 4人遇难，事后调查表明，由于天气恶劣，机翼表面结冰，导致飞机起飞时升力不足［6］。因此，对飞机进行除防冰作业对于保障飞行安全具有重要意义［7-8］。

目前，常用的飞机除冰液主要成分为乙二醇基、丙二醇，根据其除防冰时间的长短，主要划分为 I、

收稿日期: 2015-11-10 修改稿日期: 2015-12-14

基金项目: 中国民用航空局民航专业项目

II、III 和IV 型除冰防冰液，其中 II 和IV 型除冰防冰液被广泛用于大型客机除防冰作业［9］。II 和 IV 除冰防冰液具有较大的粘度，将其喷洒在飞机表面后会形成一层膜，延长了除冰液的保持时间［10-11］。但是，残留表面的除冰液同样也会影响飞机的空气动力学性能，因此，美国联邦航空管理局( FAA) 要求所有 II、IV 型除冰液必须满足 SAE AMS 1428 G 关于空气动力学性能的要求［12-13］。

除冰液的流变性能对于飞机空气动力学性能具有重要影响，因为飞机起飞时，掠过飞机表面的气体对除冰液进行剪切，使其脱离飞机表面，从而减小其

作者简介: 王强( 1987 － ) ，男，重庆垫江人，中国民用航空总局第二研究所工程师，硕士，主要从事飞机维护用化学品的研究和适航工作。电话: 028 － 64456030，E － mail: wangqiang@ fccc． org． cn

对飞机空气动力学的影响［14-15］。因此，对流变性能进行研究具有重要意义。

1 实验部分

1． 1 材料与仪器

Tpye II 除冰防冰液; Type IV 型除冰防冰液; 蒸馏水。

Brookfield DV-III ULTＲA 型粘度计; 北京双峰

GN-ＲO-20 型纯水器; Thermo Scientific DC10-V26 精密水浴。

1． 2 粘度测试

粘度测试采用 Brookfield SC4-34 转子和 SC4-13

ＲPY 小样适配器进行测试，粘度计要装好护腿，样品每次的加入量为 10 mL，程序控制转速，使其从 0． 01 r / min 增 加 到 28 r / min，每分钟增加量为 3 r / min。温度采用 Thermo Scientific DC10-V26 精密水浴控制，精度为 0． 1 ℃ 。加入一定量的样品，调整仪器处于水平状态，等待仪器开机后并热机 30 min，控制测试温度，待温度稳定后测定各个参数值。

对于 Brookfield DV-III 型粘度计，当知道其转速后，其剪切速率的计算公式为:

式中 κ———转子剪切速率常数;

此外，随着剪切速率的增大，两种类型的除冰液粘度均逐渐下降，呈现典型的非牛顿流体特点。

图 2 Type IV 型除冰防冰液 3 次测量结果的对比

Fig． 2 Comparison of three times test results of Type IV deicing fluid

随着剪切速率的增大，在一定范围内，其标准偏差和相对标准偏差逐渐减小，原因在于剪切速率过低时，受到的剪切力较小，转子对粘度的敏感性较差，剪切速率过高时，增稠体系被破坏，粘度测量误差增大。

表 1 不同样品 3 次测量结果的误差分析

Table 1 Tolerence analysis of different samples

/%

图 1 Type II 除冰防冰液 3 次测量的结果对比

Fig． 1 Comparison of three times test results of Type II deicing fluid

2． 2 粘弹性滞后

飞机除冰液从生产到最后喷洒到飞机表面，整个过程都会对除冰液产生剪切作用，而剪切过后其流变性能是否发生变化，对飞机在起飞时的空气动力学也有很大影响。因此，对于粘弹性的回复考察也是一个重要内容［16］。图 3 和图 4 分别给出了 Type II 型和 Type IV 型除冰防冰液在一个循环剪切过程中剪切应力的变化。

结果表明，随着剪切速率的增加，剪切应力逐渐增加，在回复过程时，剪切应力逐渐减小，但是，相对于剪切速率增加过程，剪切的应力有所降低。对于

IV 型除冰防冰液，其回复过程剪切应力降低更多，原因在于其粘度更大，体系内摩擦损耗更大。

图 3 Type II 除冰防冰液在一个循环中剪切应力与剪切速率的变化关系

Fig． 3 Ｒelationship between shear stress and shear rate during a circle

图 4 Type IV 除冰防冰液在一个循环中剪切应力与剪切速率的变化关系

Fig． 4 Ｒelationship between shear stress and shear rate during a circle

2． 3 流变模型

为了保障飞机在冬季的安全飞行，除冰防冰液必须具有一定的防冰时间，也就是保持时间，而这通常与飞机除冰防冰液的粘度有一定的关系。根据 SAE AMS 5900 标准规定，对用于飞机除冰防冰操作的除冰防冰液必须保证其具备可接受的空气动力学性能，而这也与飞机除冰防冰液的粘度息息相关［17］。因此，粘度对飞机除冰防冰液是极为重要的一个指标。为了建立该类型除冰防冰液的流变特性，需要对其原液流变测试。采用 Brookfield DV-III

+ 型流变仪对不同转速和不同温度下的 Type II 和 Type IV 型液进行测试，此外，对于不同剪切模式下的流变数据进行模型拟合，考察幂律模型的相关性的差异。

目前，工程上常用的幂律模型和 Carreau 模型来研究高分子熔体、高分子稀溶液和无机增稠体系

的流变性能，但是对于飞机除冰防冰液，还鲜有报道。

2． 3． 1 幂律模型［18］ 由于其公式简单，在工程上

被广泛使用:

τ = kDn ( 2)

式中 τ———剪切应力，Pa;

n———流态特性指数。

但是其缺陷在于它是一个纯经验的方程，物理意义不够明确，另外，由于其 n 的多变性，使其适用的剪切速率范围比较窄，在使用中需要注意［19］。其中，n 为流动特性指数，其大小表示流体偏离牛顿流体的程度，n 值越小，表示其与牛顿流体的流体特性差异越大，剪切稀释现象越明显。k 为浓度系数或者稠度系数，与其流体的质量浓度或者稠度有关。理论上 k 和 n 是反映流体性质的特征参数，只与流体的性质、浓度和温度有关。

20 ℃ 下，Type II 和 Type IV 型除冰防冰液剪切应力和剪切速率的关系见图 5。图中黑色的标记点为实验测定值，曲线为幂律模型拟合所得到的曲线。

图 5 20 ℃ 时，幂律模型拟合除冰防冰液剪切速率和剪切应力的曲线

Fig． 5 Fitting curve between shear stress and shear rate using the Power law model at 20 ℃

由图 5 可知，除冰防冰液的剪切应力和剪切速率的拟合曲线与实验点均吻合得较好，说明该体系的流动特性符合幂律模型。

进一步将拟合结果汇总于表 2。

表 2 幂律模型的拟合参数以及相关性系数 Table 2 Fitting parameters and correlation coefficients of the Power law model

由表 2 可知，幂律模型中对于 Type II 和 Type

IV 型除冰防冰液其流动指数分别为 0． 517 5 和 0． 318 3，所以其为非牛顿流体，又其流动指数 ＜ 1，因此 Type II 和 Type IV 型除冰防冰液为假塑性流体。而幂律模型拟合的相关系数分别为 0． 999 1 和 0． 995 1，进一步证明了幂律模型对 Type II 和 Type

IV 型除冰防冰液具有较好的拟合程度。

2． 3． 2 Carreau 模型 采用 Carreau 模型可以用于描述流体在高剪切速率下的假塑性行为，又可以反

映低剪切速率下的牛顿性行为［20-21］。方程式为: 成正比关系，因而表观粘度也成类似规律，且整个过

η = a

( 1 + bγ) c

式中 η——— 表观粘度;

γ——— 剪切速率;

a，b，c——— 模型参数。

( 3)

程剪切应力曲线有相交的情况出现。其原因在于温度高时，体系中增稠剂分子因长时间加热和剪切作用，导致其分子量降低，粘度下降。对于 Type IV 型液也呈现类似 Type II 型液的规律，见图 8。

与幂律模型相比，其 Carreau 模型的参数更多，但是后者能够在更广的范围内描述流体的流动性质。

图 6 20 ℃ 时，Carreau 模型拟合除冰防冰液剪切速率和剪切应力的曲线

Fig． 6 Fitting curve between shear stress and shear rate using the Carreau Model at 20 ℃

由图 6 可知，随着剪切速率的增加，粘度逐渐降低，采用 Carreau 模型对实验点的拟合情况较好。

进一步将 Carreau 模型拟合结果汇总于表 3。

表 3 Carreau 模型的拟合参数以及相关性系数 Table 3 Fitting parameters and correlation coefficients of the Carreau model

样品 参数 γ / a 参数 γ / b 参数 γ / c 相关系数 Ｒ

Type II 除冰防冰液 1． 55 × 106 7． 42 × 105 0． 513 0 0． 998 9

图 7 温度对 Type II 除冰防冰液流变行为的影响

Fig． 7 The influence of temperature on Type II anti-icing fluid’s rheological properties

图 8 温度对 Type IV 除冰防冰液流变行为的影响

Fig． 8 The influence of temperature on Type IV

Type IV 除冰防冰液 4． 46 × 108 9． 31 × 106 0． 720 3 0． 999 3

由表 3 可知，Type II 和 Type IV 型除冰防冰液

3 结论

anti-icing fluid’s rheological properties

的参数a 分别为1． 55 × 106 和4． 46 × 108 。当剪切速率 γ→0 时，η = ηo = a，其中，ηo 为零剪切粘度。对于除冰防冰液增稠体系，其零剪切粘度宏观上反映了流体的粘性大小，这个参数对于衡量其粘流性质具有重要意义。而 Carreau 模型拟合的相关系数分别为 0． 998 9 和 0． 999 3，进一步证明了表明 Carreau模型对Type II 和Type IV 型除冰防冰液具有较好的拟合程度。

2． 4 温度对流变行为的影响

在高分子基础理论中，通常随着温度的升高，分子的热运动加剧，分子间的间距增大，较多的能量使得材料内部形成更多“空穴”，从而粘度下降。然而，对飞机除冰防冰液则呈现不同的规律［22］。由图

7 可知，随着温度逐渐升高，剪切应力先逐渐增大，到 288． 15 K 的时候，剪切应力达到最大，再继续升高温度，剪切应力降低。由于表观粘度与剪切应力

( 1) 对于 Type II 型和 Type IV 型飞机除冰防冰液可以采用 Brookfield 旋转流变仪对其粘度进行测试，但是需要注意选择合适测量范围，且应当保证测试扭矩应该大于测试值的 10% 。

( 2) 对于 Type II 型和 Type IV 型飞机除冰防冰液在整个剪切范围都有一定的剪切损耗，造成粘度剪切后的下降，而这种下降对空气动力学性能和飞机除防冰时间还需要进一步进行研究。

( 3) 幂律模型和 Carreau 模型都能很好的描述 Type II 型和 Type IV 型飞机除冰防冰液的流动行为，幂律模型参数较少，Carreau 模型的参数较多，但是拟合精度更高，可以根据实际情况进行选择。

( 4) 随着温度变化，Type II 型和Type IV 型飞机除冰防冰液的粘度呈现不同的变化规律，因此，在实际除防冰操作的时候，应该注意其具体的使用温度范围。

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