風力機葉片覆冰預測模型研究.pdf

1、我國受季風性氣候影響明顯，冬季風力資源特別豐富，但低溫造成的葉片覆冰嚴重地制約著風電產業(yè)的發(fā)展。葉片覆冰對其空氣動力特性造成極大的影響，導致嚴重的風力機功率損耗；葉片上附著的冰塊在旋轉過程中因離心力作用而被甩落，對機組及附近工作人員的安全造成極大的隱患。國內外對于風力機葉片覆冰模型的研究多基于經典的葉素動量理論(BEM)，將三維旋轉問題轉化成具有特定攻角的二維翼型進行研究，且缺乏相應的試驗驗證。由于風力機旋轉過程中包含沿葉展方向的速度，

2、三維模型能更加準確地描述風力機的覆冰過程。因此，從覆冰試驗與三維數值計算模型相結合的角度研究風力機葉片的覆冰增長過程，提出基于氣象參數的葉片覆冰預測模型，對于風電場的冬季維護預警、優(yōu)化防冰除冰方法具有重要的工程指導意義和實用價值。
　　論文首先試驗研究了風力機葉片的覆冰增長過程，然后從建立三維數值計算模型的角度出發(fā)，將其分為空氣流場計算、水滴碰撞系數計算、傳質傳熱計算以及冰形計算四部分，在二維Messinger傳質模型的基礎上對三

3、維覆冰算法進行了改進，在建立模型的過程中綜合考慮了湍流模型、表面水膜流動以及冰面粗糙度對覆冰過程的影響，得到覆冰過程中碰撞系數、對流換熱系數、凍結系數以及冰形沿葉片的分布規(guī)律及其影響因素，最后通過試驗驗證了覆冰預測模型。論文的具體工作及成果如下：
　　①在人工氣候室及雪峰山自然覆冰試驗站搭建試驗平臺得到了風力機葉片覆冰的分布規(guī)律，并根據顯微成像法及旋轉多圓柱監(jiān)測法研究了環(huán)境參數對覆冰荷載的影響。結果表明，覆冰主要集中在葉片前緣，沿

4、展向覆冰逐漸增多；風速、液態(tài)水含量(LWC)的增大以及溫度降低都會導致更加嚴重的覆冰。
　?、诓捎枚鄥⒖甲鴺讼?MRF)法模擬了葉片旋轉，基于S-A、標準k-ε和k-ωSST三種湍流模型的數值模擬，并引入LEWICE的勢流理論求解葉片邊界層速度，研究了湍流模型對葉片表面壓力系數、邊界層速度的影響。計算結果表明，k-ωSST湍流模型具有較高的計算精度，與試驗結果吻合較好；S-A模型在前緣吸力面存在壓力系數偏小的情況，標準k-ε模型對

5、吸力面的壓力系數變化不夠靈敏。
　?、垡詸C翼、圓柱和球體為算例，分別采用拉格朗日法及歐拉法模擬了過冷卻水滴的撞擊過程，并用于計算葉片的碰撞系數分布特性及其影響因素。結果表明，水滴碰撞區(qū)域主要集中在葉片前緣附近，碰撞系數沿葉展方向逐漸增大；碰撞系數和碰撞區(qū)域隨著水滴中值直徑(MVD)的增大而增大；風力機轉速下降或風速上升都會造成水滴的撞擊區(qū)域整體向壓力面移動。
　?、茉囼灥玫搅巳~片粗糙度對覆冰過程以及冰面粗糙度的影響規(guī)律，并在

6、顯微鏡下觀測了葉片表面冰面粗糙度隨時間以及沿弦向的分布變化，依據觀測結果建立了葉片冰面粗糙度模型。試驗結果表明，葉片粗糙度對長時間的覆冰過程影響可以忽略；冰面粗糙度在覆冰增長初期隨時間有顯著的函數關系；通過拍攝到的沿弦長方向冰面粗糙度變化，可將粗糙度的發(fā)展過程分為水膜、水珠和細流三個階段。
　?、輰⒍S Messinger傳質模型拓展到三維葉片，結合水膜的流動開發(fā)了三維數值計算的算法，基于傳質傳熱平衡方程建立了葉片覆冰凍結熱力學模

7、型，得到了對流換熱系數、凍結系數沿葉片的分布規(guī)律，并研究了環(huán)境參數對兩個參數的影響。結果表明，沿葉展方向對流換熱系數逐漸增大、凍結系數逐漸減小；MVD的增大會導致對流換熱系數的明顯增大；凍結系數隨著溫度、MVD和 LWC的降低而升高，風速變化僅對駐點附近的對流換熱系數和凍結系數有一定影響。
　?、薏捎镁W格節(jié)點的線性插值、B樣條曲線光順冰層邊界以及動彈網格法重構網格等方法對冰形計算進行了改進優(yōu)化，提出了完整的葉片覆冰預測模型及三維數

8、值計算流程，并通過時間多步法模擬了葉片覆冰的動態(tài)變化過程，提出了確定時間步長的判定依據。覆冰預測模型與 FENSAP-ICE的數值模擬以及覆冰試驗結果進行了對比，其計算結果比較可靠?；诟脖A測模型研究了網格節(jié)點數、迭代冰層數對數值計算的影響，并研究了環(huán)境參數對冰形的影響。結果表明，增大網格節(jié)點數可以有效提高計算精度，可以通過覆冰程度和覆冰增長速率來確定計算的時間步長；低溫造成葉片雨淞覆冰前緣加厚、覆冰區(qū)域減?。凰晤w粒越小越趨于霧凇覆