水平軸風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰分布數(shù)值模擬與冰風(fēng)洞試驗研究.pdf

1、在風(fēng)能利用高速發(fā)展的大背景下，如何提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性、可維護(hù)性和抵抗各種極端氣候條件的能力受到了越來越多的關(guān)注，其中，適用于寒冷氣候條件的風(fēng)力機(jī)研究便是近年來風(fēng)力機(jī)研發(fā)的一個重要方向，而結(jié)冰問題又是寒冷氣候條件下的主要問題。風(fēng)力機(jī)結(jié)冰是指在寒冷氣候條件下空氣中的液態(tài)水在風(fēng)力機(jī)表面凍結(jié)并積累成冰的物理過程。葉片表面結(jié)冰后會降低翼型升力，增加阻力，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)輸如功率降低。葉片結(jié)冰會改變其載荷分布，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞壽命;葉片上的冰塊甩

2、落也會帶來安全隱患。針對水平軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布進(jìn)行研究，在參考國內(nèi)外結(jié)冰研究成果的基礎(chǔ)上，利用提出的準(zhǔn)三維結(jié)冰數(shù)值模擬方法獲得了大型風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰分布，構(gòu)建了結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)，試驗獲得了旋轉(zhuǎn)葉片模型的結(jié)冰分布。主要工作及獲得的創(chuàng)新性研究成果如下:
　　(1)提出了適用于水平軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片準(zhǔn)三維結(jié)冰數(shù)值模擬研究方法，并對水平軸風(fēng)力機(jī)準(zhǔn)三維結(jié)冰分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。借鑒飛行器二維云霧結(jié)冰計算理論與方法，依據(jù)風(fēng)力機(jī)葉素理論工作原

3、理，提出了風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片準(zhǔn)三維結(jié)冰數(shù)值模擬研究方法。對在額定工況下運行的某1.5 MW水平軸風(fēng)力機(jī)在不同環(huán)境溫度、液態(tài)水含量、水滴粒子平均直徑、結(jié)冰時間下的旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰進(jìn)行數(shù)值模擬。得到的主要結(jié)論:
　　1）利用該方法計算出了旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布，歸納出兩種典型冰型，即流線型冰和角狀型冰;葉片發(fā)生結(jié)冰區(qū)域在尖部前50％-70％;隨著結(jié)冰時間增長，相同截面展向位置的翼型上的結(jié)冰類型不變，只在原有結(jié)冰形狀的基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)大，單位時間內(nèi)擴(kuò)大量

4、接近相等。當(dāng)環(huán)境溫度及液態(tài)水含量一定時可推測出該處翼型結(jié)冰冰型，而水滴粒子平均直徑對結(jié)冰冰型影響較弱。環(huán)境溫度越高，液態(tài)水含量越大，越容易形成角狀型冰，反之環(huán)境溫度越低，液態(tài)水含量越小，越容易形成流線型冰;液態(tài)水含量及水滴粒子平均直徑越大，結(jié)冰區(qū)域越向葉片根部發(fā)展。
　　2）建立了風(fēng)力機(jī)不規(guī)則冰形評價方法，分析了環(huán)境溫度、液態(tài)水含量及水滴粒子平均直徑對結(jié)冰特征量最大結(jié)冰厚度、結(jié)冰面積及結(jié)冰體積的影響規(guī)律。該成果可為風(fēng)力機(jī)結(jié)冰控制策

5、略的開發(fā)與防除冰系統(tǒng)設(shè)計提供了有益參考。
　　(2)設(shè)計新型利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)，并對其性能進(jìn)行了驗證。依托我國東北地區(qū)特有的持久穩(wěn)定的低溫環(huán)境，在實驗室既有的常規(guī)開口射流式風(fēng)洞的基礎(chǔ)上，設(shè)計安裝了噴霧系統(tǒng)和氣道結(jié)構(gòu)，形成了利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)。對結(jié)冰試驗系統(tǒng)的試驗段溫度，流場均勻性，液態(tài)水含量和水滴粒子平均直徑進(jìn)行了測量，對不同工況下的玻璃鋼葉片進(jìn)行了固定葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗。
　　得到的主要結(jié)論是:

6、>　　1）當(dāng)外界溫度穩(wěn)定時結(jié)冰風(fēng)洞試驗段溫度亦保持穩(wěn)定，試驗段風(fēng)速分布較均勻，對于液態(tài)水含量分布，在試驗段截面中心部分產(chǎn)生了較均勻區(qū)域，圍繞中心區(qū)域形成多個相近的環(huán)形區(qū)域。噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的水滴粒子直徑介于30μm～50μm之間，各項指標(biāo)可在一定程度上滿足風(fēng)力機(jī)結(jié)冰試驗需求。
　　2）利用該系統(tǒng)測試了固定葉片結(jié)冰分布，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。在攻角較小且液態(tài)水含量較小時，通過試驗獲得的冰形與數(shù)值模擬結(jié)果重合度較高。當(dāng)液態(tài)水含量

7、較大時，數(shù)值模擬雖然能夠得到不規(guī)則冰形，但與試驗結(jié)果偏差較大，表明數(shù)值模擬方法還不能完全計算所有工況下的葉片結(jié)冰，結(jié)冰風(fēng)洞試驗仍是當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰研究必不可少的研究方法。該試驗系統(tǒng)的設(shè)計為風(fēng)力機(jī)以及其它模型的結(jié)冰研究提供了新的試驗手段。
　　(3)研究了旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片段模型結(jié)冰分布規(guī)律。在現(xiàn)有利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了旋轉(zhuǎn)葉片試驗臺，形成了旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)。在一定的結(jié)冰工況下，對不同直徑的圓柱和不同翼

8、型的葉片段在不同轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗。得到的主要結(jié)論有:
　　1）獲得了旋轉(zhuǎn)圓柱結(jié)冰分布規(guī)律，通過正交試驗獲得了旋轉(zhuǎn)圓柱無因次結(jié)冰面積及無因次結(jié)冰駐點厚度的回歸模型方程，其預(yù)測趨勢與試驗結(jié)果具有較高吻合性，為旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰研究提供了試驗基礎(chǔ)。
　　2）對于旋轉(zhuǎn)鋁制葉片，總體來看，轉(zhuǎn)速對結(jié)冰冰型影響明顯，轉(zhuǎn)速較低時結(jié)冰冰厚均勻，轉(zhuǎn)速較高時葉片前緣結(jié)冰增加，尾緣結(jié)冰減少;結(jié)冰時間對葉片結(jié)冰冰型影響較小，但是隨著時間的

9、增加，結(jié)冰量增加。對稱翼型與非對稱翼型結(jié)冰冰形存在明顯差異，非對稱翼型會有前緣結(jié)冰與尾緣結(jié)冰同時存在的工況;無因次結(jié)冰面積、無因次結(jié)冰駐點厚度隨結(jié)冰時間增加而增加，其他典型特征量變化較小;轉(zhuǎn)速不同對結(jié)冰典型特征量影響明顯，很大程度上決定其發(fā)展趨勢;非對稱翼型在一定工況下出現(xiàn)兩個結(jié)冰區(qū)域，需要增加額外的典型特征量進(jìn)行分析。
　　3）對于玻璃鋼葉片，其結(jié)冰規(guī)律與鋁制葉片相同，通過正交試驗獲得了無因次結(jié)冰面積及無因次結(jié)冰駐點厚度的回歸模

10、型方程，在一定范圍內(nèi)模型與試驗值重合性較高。該部分工作為大型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰試驗研究奠定基礎(chǔ)。
　　(4)研究了針對水平軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布的相似方法，提出了一種偏心放置的繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)并進(jìn)行了驗證。分析現(xiàn)有結(jié)冰相似性研究的相關(guān)理論，利用旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰相似方法，提出了一種偏心放置的繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)，拓寬了結(jié)冰風(fēng)洞試驗參數(shù)范圍，提高了結(jié)冰風(fēng)洞的試驗?zāi)芰?，并對旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰相似方法在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰研究中的可行性

11、進(jìn)行了驗證。
　　得到的主要結(jié)論有:
　　1）提出了一種偏心放置的繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)，在不改變結(jié)冰風(fēng)洞試驗段截面尺寸的前提下，提高了試驗?zāi)Ｐ偷膱A周速度，使其能進(jìn)行更多工況的結(jié)冰試驗;對新結(jié)冰試驗系統(tǒng)的各項參數(shù)進(jìn)行測量，試驗系統(tǒng)可滿足旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗需求;對比了改進(jìn)前后旋轉(zhuǎn)圓柱及旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)冰冰形，兩者重合度較高，改進(jìn)后的試驗系統(tǒng)可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗。
　　2）驗證了旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰相似方法在風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰研

12、究中的可行性，給出了霜冰及明冰狀態(tài)下縮比為0.5和0.25時的試驗參數(shù)，通過數(shù)值模擬獲得了該試驗參數(shù)下結(jié)冰冰形，與原始工況的結(jié)冰冰形相似度較高。利用風(fēng)力機(jī)結(jié)冰相似方法，可以用翼型弦長0.21 m距轉(zhuǎn)軸0.5 m的葉片段模型結(jié)冰分布預(yù)測弦長0.84 m距轉(zhuǎn)軸38.1 m處的實際葉片翼型結(jié)冰分布，改進(jìn)后的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)可對該相似試驗工況進(jìn)行試驗。
　　該研究屬于風(fēng)力機(jī)結(jié)冰領(lǐng)域相關(guān)研究的前期應(yīng)用基礎(chǔ)性研究，可為后續(xù)風(fēng)力機(jī)災(zāi)害預(yù)測，結(jié)冰