風(fēng)力機(jī)葉片覆冰預(yù)測模型研究.pdf

1、我國受季風(fēng)性氣候影響明顯，冬季風(fēng)力資源特別豐富，但低溫造成的葉片覆冰嚴(yán)重地制約著風(fēng)電產(chǎn)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(dǎo)致嚴(yán)重的風(fēng)力機(jī)功率損耗；葉片上附著的冰塊在旋轉(zhuǎn)過程中因離心力作用而被甩落，對機(jī)組及附近工作人員的安全造成極大的隱患。國內(nèi)外對于風(fēng)力機(jī)葉片覆冰模型的研究多基于經(jīng)典的葉素動量理論(BEM)，將三維旋轉(zhuǎn)問題轉(zhuǎn)化成具有特定攻角的二維翼型進(jìn)行研究，且缺乏相應(yīng)的試驗驗證。由于風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中包含沿葉展方向的速度，

2、三維模型能更加準(zhǔn)確地描述風(fēng)力機(jī)的覆冰過程。因此，從覆冰試驗與三維數(shù)值計算模型相結(jié)合的角度研究風(fēng)力機(jī)葉片的覆冰增長過程，提出基于氣象參數(shù)的葉片覆冰預(yù)測模型，對于風(fēng)電場的冬季維護(hù)預(yù)警、優(yōu)化防冰除冰方法具有重要的工程指導(dǎo)意義和實用價值。
　　論文首先試驗研究了風(fēng)力機(jī)葉片的覆冰增長過程，然后從建立三維數(shù)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(shù)計算、傳質(zhì)傳熱計算以及冰形計算四部分，在二維Messinger傳質(zhì)模型的基礎(chǔ)上對三

3、維覆冰算法進(jìn)行了改進(jìn)，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(shù)、對流換熱系數(shù)、凍結(jié)系數(shù)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(yù)測模型。論文的具體工作及成果如下：
　?、僭谌斯夂蚴壹把┓迳阶匀桓脖囼炚敬罱ㄔ囼炂脚_得到了風(fēng)力機(jī)葉片覆冰的分布規(guī)律，并根據(jù)顯微成像法及旋轉(zhuǎn)多圓柱監(jiān)測法研究了環(huán)境參數(shù)對覆冰荷載的影響。結(jié)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(fēng)速、液態(tài)水含量(LWC)的增大以及溫度降低都會導(dǎo)致更加嚴(yán)重的覆冰。
　?、诓捎枚鄥⒖甲鴺?biāo)系(MRF)法模擬了葉片旋轉(zhuǎn)，基于S-A、標(biāo)準(zhǔn)k-ε和k-ωSST三種湍流模型的數(shù)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(shù)、邊界層速度的影響。計算結(jié)果表明，k-ωSST湍流模型具有較高的計算精度，與試驗結(jié)果吻合較好；S-A模型在前緣吸力面存在壓力系數(shù)偏小的情況，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對

5、吸力面的壓力系數(shù)變化不夠靈敏。
　　③以機(jī)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(shù)分布特性及其影響因素。結(jié)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(shù)沿葉展方向逐漸增大；碰撞系數(shù)和碰撞區(qū)域隨著水滴中值直徑(MVD)的增大而增大；風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速下降或風(fēng)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(jù)觀測結(jié)果建立了葉片冰面粗糙度模型。試驗結(jié)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(shù)關(guān)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(xì)流三個階段。
　?、輰⒍S Messinger傳質(zhì)模型拓展到三維葉片，結(jié)合水膜的流動開發(fā)了三維數(shù)值計算的算法，基于傳質(zhì)傳熱平衡方程建立了葉片覆冰凍結(jié)熱力學(xué)模

7、型，得到了對流換熱系數(shù)、凍結(jié)系數(shù)沿葉片的分布規(guī)律，并研究了環(huán)境參數(shù)對兩個參數(shù)的影響。結(jié)果表明，沿葉展方向?qū)α鲹Q熱系數(shù)逐漸增大、凍結(jié)系數(shù)逐漸減??；MVD的增大會導(dǎo)致對流換熱系數(shù)的明顯增大；凍結(jié)系數(shù)隨著溫度、MVD和 LWC的降低而升高，風(fēng)速變化僅對駐點附近的對流換熱系數(shù)和凍結(jié)系數(shù)有一定影響。
　　⑥采用網(wǎng)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(wǎng)格法重構(gòu)網(wǎng)格等方法對冰形計算進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，提出了完整的葉片覆冰預(yù)測模型及三維數(shù)

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(jù)。覆冰預(yù)測模型與 FENSAP-ICE的數(shù)值模擬以及覆冰試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，其計算結(jié)果比較可靠?；诟脖A(yù)測模型研究了網(wǎng)格節(jié)點數(shù)、迭代冰層數(shù)對數(shù)值計算的影響，并研究了環(huán)境參數(shù)對冰形的影響。結(jié)果表明，增大網(wǎng)格節(jié)點數(shù)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