摘 要: 使用 Brookfield 粘度计对非牛顿流体型飞机除冰/ 防冰液的流变性进行了研究，通过对飞机除冰/ 防冰液剪切速率和剪切应力的测量和数据拟合，发现在中等剪切速率条件下，飞机除冰/ 防冰液符合幂律流体的流变特性;在剪切率趋近于 0 和趋近于无穷大时，飞机除冰/ 防冰液的粘度都是趋近于一个固定值，据此推导出新的流变方程，新流变方程能在整个剪切速率范围内很好的反应飞机除冰/ 防冰液的流变特性。

关键词: 飞机除冰/ 防冰液; 流变性; 剪切速率; 剪切应力; 幂律流体; 流变方程

中图分类号: TQ 021． 1 文献标识码: A 文章编号: 1671 － 3206( 2015) 03 － 0419 － 04

Ｒheological properties of aircraft deicing / anti-icing fluid

ZHANG Ya-bo，ZHAO Xin，YU Xin-hua，ZHANG Fan，CHEN Yuan

( The Second Ｒesearch Institute of CAAC，Chengdu 610041，China)

Abstract: The non-Newton aircraft deicing / anti-icing fluid rheological property through use of Brookfield viscometer． By means of the aircraft deicing / anti-icing fluid shear rate and shear stress measurement and data calculation，found that under the condition of medium shear rate，the aircraft deicing / anti-icing fluid conforms to the power law． The shear rates tend to be zero and tend to infinity，the aircraft deicing / anti-ic- ing fluid viscosity is close to a constant value． The new rheological equation can describe the rheological properties of the aircraft deicing / anti-icing fluid within the full scope of the shear rate．

Key words: aircraft deicing / anti-icing fluid; rheological properties; shear rate; shear stress; power-law fluids; rheological equation

飞机在起飞和飞行的过程中，会碰到各种各样的复杂的天气现象，如果遇到湿度较大和低温天气，通常会在机翼和尾翼前缘积冰，使飞机机翼形状变形，空气动力特性和飞行特性显著变坏，破坏空气绕过翼面的平滑流动，使飞机升力减小，阻力增大，甚至还会飞机失速［1］，造成严重的飞行事故。因此，在寒冷的地方或冬季，飞机在起飞前会使用飞机除冰/ 防冰液对飞机进行除霜、除冰和防冰。

目前，国际上飞机除冰/ 防冰液分为两大类: 一类主要用于飞机除冰，有热水和Ⅰ型飞机除冰/ 防冰液［2］，属于牛顿流体; 另一类主要用于飞机防冰，有

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型飞机除冰/ 防冰液［3］，属于非牛顿流体。

飞机除冰/ 防冰液最关键的性能就是除冰/ 防冰性能，它和除冰/ 防冰液的流变特性有着非常密切的关系。在国际上，测试飞机除冰/ 防冰液的除冰/ 防冰性能时，需要按照要求进行剪切，然后再进行实验［4］，剪切对牛顿流体不会造成太大的影响，但剪切对非牛顿流体的影响则非常大，非牛顿型Ⅱ、Ⅲ、

Ⅳ型飞机除冰/ 防冰液是假塑型流体，有剪切变稀特性，喷洒在飞机表面时液膜变薄，导致除冰/ 防冰时

收稿日期: 2014-12-04 修改稿日期: 2015-01-06

基金项目: 民航局安全能力建设资金( 201423，201427)

间变短［5］。因此，为了保证飞机除冰/ 防冰液在喷洒使用过程中不被过度剪切而造成除冰防冰性能变坏，对其流变性能进行研究就非常有必要。

本文针对目前民航机场最常见的飞机除冰/ 防冰液 SAE AMS II 型飞机除冰/ 防冰液和 SAE AMS

IV 型飞机除冰/ 防冰液的流变性进行了研究，并建立了流变模型，确定了流变参数。

1. 实验部分

1． 1 材料与仪器

Ⅱ型飞机除冰/ 防冰液、Ⅳ型飞机除冰/ 防冰液均为工业品。

Brookfield DV-III 粘度计; Waring 7012G 型搅拌

器; DT-2234 A + 型红外测速仪。

1． 2 实验方法

将飞机除冰/ 防冰液在恒温水浴中恒温至 ( 20 ± 1) ℃ ，倒入搅拌器中，按照要求设定好剪切转速和剪切时间，开启搅拌器，对飞机除冰/ 防冰液进行剪切。剪切完成后，立即将飞机除冰/ 防冰液倒入粘度计的盛样杯中，测试表观粘度和剪切应力。

作者简介: 张亚博( 1981 － ) ，男，陕西西安人，中国民用航空总局第二研究所工程师，硕士，主要从事飞机用化学品的适航、检测及研究工作。电话: 028 － 64456028，E － mail: zhangyabo@ fccc． org． cn

420

2. 结果与讨论

2． 1 剪切率和剪切应力的变化曲线

应用化工 第 44 卷

与牛顿流体的偏离程度［8］。

II 型和 IV 型飞机除冰/ 防冰液的流性指数 n 通

将 500 mL 除冰/ 防冰液恒温至 20 ℃ ，采用 LV-

34 转子，等待时间为 30 s，测试时间为 2 min［6］，分别测试不同剪切率条件下的剪切应力，以剪切速率对剪切应力作图，结果见图 1。

图 1 剪切速率和剪切应力的变化曲线

Fig． 1 Curves of shear stress by shear rate

由图 1 可知，SAE AMS 1428 II 型和 IV 型飞机除冰/ 防冰液随着剪切速率的增加，剪切力增加，并且变化率呈下降趋势。

2． 2 除冰/ 防冰液流变参数及流变曲线

将 500 mL 除冰/ 防冰液恒温至 20 ℃ ，采用 LV-2#转子，测试时间为2 min，分别测试不同转速下的粘度，以转速对粘度作图，结果见图 2。

图 2 转子转速和粘度的变化曲线

Fig． 2 Curves of viscosity by rotor speed

由图 2 可知，随着转速的增加，表观粘度降低，粘度降低的速率逐渐减小，随着转子转速的继续增大，粘度趋近于一个恒定的值。

目前用来描述非牛顿型流体流变性能的流变方程有宾汉方程、幂律方程、卡森方程［7］。利用线性回归方法对实验数据进行拟合，η = 2． 824γ － 0． 54 和 η

常在 0 ～ 1 之间，有利于形成平板型层流，使除冰/ 防

冰液具有良好的剪切稀释性能，从而保证飞机起飞时，喷洒在飞机表面上的除冰/ 防冰液在风的剪切作用下变稀，从飞机表面迅速脱落，使飞机起飞后保持良好的空气动力学性能。

2． 3 飞机除冰/ 防冰液受到实际剪切后粘度的变化

分别将 500 mL II 型和 IV 型除冰/ 防冰液恒温至 20 ℃ ，倒 入搅拌器中，在 不同转速下剪切 5 min［9］，采用 LV-2#转子，转速为 0． 3 r / min，测试时间为 2 min，以剪切转速对粘度作图，结果见图 3。

图 3 剪切转速和粘度的变化曲线

Fig． 3 Curves of viscosity by stirring rate

由图 3 可知，AMS 1428II 型和 IV 型除冰/ 防冰液随着剪切转速的增加，表观粘度会在较小的剪切范围内出现一个平台，粘度几乎没有变化; 然后随着剪切转速的增加，粘度迅速下降，最后趋近于一个恒定值。

在剪切转速相对较小的一个区间内，飞机除冰/防冰液中增稠剂在体系中形成的弱化学键力还没有被破坏，这个剪切转速区间为流体剪切应力松弛区间，流体表现出剪切应力松弛现象［10-11］，飞机除冰/防冰液粘度值几乎不会变化; 随着剪切速率的继续增加，弱化学键力体系逐渐被破坏，粘度随剪切转速迅速降低; 随着剪切转速的进一步增加，弱化学键力体系逐渐被全部破坏，粘度趋近于一个恒定的值，粘度不再受剪切速率的影响。

通常民航飞机的起飞速度为 200 ～ 300 km / h，

= 10． 165γ

－ 0． 67

，相关系数 Ｒ2

2

为 0． 997 和0． 998。拟

飞机上喷洒的飞机除冰/ 防冰液受到风的剪切速率

为 2 × 104 ～ 2 × 105 s － 1［12］，在飞机起飞到脱离地面，

合曲线的相关系数 Ｒ 最接近 1 的为幂律方程，由此

可见，II 型和 IV 型飞机除冰/ 防冰液属于幂律流体，幂律流体的流变方程为 η = Kγ － n ，其中 η 为表观粘度，K 为稠度系数，相当于低剪切速率下的表观粘度; γ 为剪切速率; n 为流性指数，代表非牛顿流体

幂律方程并不能完全反应飞机除冰/ 防冰液受风的

剪切后的流变性能，需要构建特殊的流变方程才能完全符合除冰/ 防冰液在整个剪切速率条件下的流变规律。

第 3 期 张亚博等: 飞机除冰/ 防冰液的流变特性研究

421

2． 4 飞机除冰/ 防冰液的流变方程

1 － (

η∞ ) k

由上可知，飞机除冰/ 防冰液在中等剪切速率范

围内能很好地反映出假塑性流体的流变特性( 幂律流体特性) ［12］。但是依据幂律流体的方程，飞机除冰/ 防冰液在剪切速率趋近于 0 时，粘度趋近于无穷大; 在剪切速率趋近于无穷大时，粘度趋近于 0。这与除冰/ 防冰液的实际情况不符，飞机除冰/ 防冰液在剪切率趋近于 0 和趋近于无穷大时，粘度都是趋近于一个固定值，即 γ→0 时，η→η0 ; γ→∞ 时，η→

ln( η0 )

1 － ( η∞ ) k

η1

n = kγ

1 － ( η∞ ) k ln( η0 ) 1 － ( η∞ ) k

η

n = kγ

( 6)

( 7)

η∞ ; η0 和 η∞ 均为一固定值。因此，幂律方程不能预计极低低剪切速率和极高剪切速率下的粘度，而这

对于同一种飞机除冰/ 防冰液，n 值和 k 值为常数，推导出 k 值的计算公式为:

恰恰是假塑性流体的非常重要物理特征。因此，幂

1 － (

η∞ ) k

1 － (

η∞ ) k

律方程只适用于在中等剪切速率范围内描述飞机除

冰/ 防冰液的流变特性。

ln( η0 )

1 － ( η∞ ) k

ln( η0 )

1 － ( η∞ ) k

为了全面准确地反映飞机除冰/ 防冰液假塑性

η1 η2

=

( 8)

幂律流体的流变特性，根据飞机除冰/ 防冰液假塑性

kγ1

kγ2

流体的流变特性，在中等剪切速率范围内 η =

n － 1

将实验数据 η0 、η∞ 、γ1 、η1 、γ2 、η2 代入( 8 ) 式，

通过迭代算法［14］对( 8) 求解，得到 k 值，然后将 k 值

kγ ，以及 γ→0 时，η→η0 ; γ→∞ 时，η→η∞ 的特

性，推导出新的流变方程［13］:

代入( 6) 或( 7) 计算 n 值。

dη = － n［( dγ

η ) η∞

k － 1］η ( 1)

若在实验室无法获得 η0 和 η∞ ，则需要四组剪

切速率 γ 和粘度 η 实验数据，通过代入法求解方程

式中，n、k 为常数，与飞机除冰/ 防冰液剪切速率 γ 变化率和粘度 η 变化率有关，不同的飞机除冰/ 防冰液有不同的 k 值和 n 值。

由式( 1 ) 可知，dη / dγ 随 η 下降( γ 的增大) 而

减小，直至 η = η∞ ，dη / dγ = 0。对( 1) 式进行积分，得:

组，计算获得流变方程( 4) 中的 η0 、η∞ 、k 和 n 值。

II 型和 IV 型飞机除冰/ 防冰液的数据和计算值，见表 1 和表 2。

根据实验数据求得 II 型飞机除冰/ 防冰液 n 值

和 k 值为 n = 0． 045 2，k = 1． 406; IV 型飞机除冰/ 防冰液 n 值和 k 值为 n = 0． 081 9，k = 1． 022。

1 ln k

ηk

1 － ( η ) k

η∞

+ C = nγ ( 2)

表 1 II 型飞机除冰/ 防冰液的实验结果和计算值

Table 1 The calculated and experimentally for the viscosity of type II deicing / anti-icing fluid

当 γ = 0 时，η = η0 ，求得 C:

C = － 1 ln η0

( 3)

剪切速率/ s － 1 实验值/ Pa·s 计算值/ Pa·s

k 1 － ( η0 ) k

η∞

将( 3) 代入( 2) 中，得到粘度和剪切速率的关系式:

η 1

η = η∞

( 1 － ( 1 － ( ∞ ) k) e － nkγ) － k ( 4)

η

0

通过对( 4) 式进行变换，得 n 和 k 值的关系式:

1 － ( η∞ ) k ln( η0 ) 1 － ( η∞ ) k

n = η

kγ

( 5)

若通过实验可得到 η0 和 η∞ 的值，将任意两个实验点数据γ = γ1 ，η = η1 和γ = γ2 ，η = η2 代入公式 ( 5) ，得( 6) 和( 7) :

422 应用化工 第 44 卷

表 2 IV 型飞机除冰/ 防冰液的实验结果和计算值 Table 2 The calculated and experimentally for the viscosity of type IV deicing / anti-icing fluid

剪切速率/ s － 1 实验值/ Pa·s 计算值/ Pa·s

通过比较验证可知，流变方程( 4 ) 能比较准确的描述飞机除冰/ 防冰液的流变特性，能全面准确地反映飞机除冰/ 防冰液假塑性幂律流体的流变特性。在整个剪切速率范围内具有很好的相关性。

3 结论

( 1) 在中等剪切速率条件下，飞机除冰/ 防冰液符合幂律流体的流变特性。

( 2) 当剪切速率趋近于 0 时，飞机除冰/ 防冰液的粘度趋近于固定值 η0 ( 零剪切粘度) ; 当剪切速率趋近于无穷大时，飞机除冰/ 防冰液的粘度趋近于固定值 η∞ ( 极限剪切粘度) 。

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( 3 ) 流变方程 η = η∞

( 1 － ( 1 － ( η∞ ) k )

η

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－ nkγ

－ 1

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e ) k 能全面准确描述非牛顿型飞机除冰/ 防冰

液受到剪切后，其流变性能的真实变化情况。

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