水平轴风力机桨叶覆冰的数值模拟

论文摘要

风力机桨叶覆冰是影响风力机安全可靠性的主要因素之一,桨叶覆冰使风力机组效率降低,输出功率减少,严重覆冰时还将导致机组的非计划停机。因此,处于寒冷气象条件下的风力机桨叶结冰的相关研究已经成为保证风力机安全运行需要解决的迫切问题。目前对风力机桨叶结冰现象的数值模拟尚处于起步阶段。本文在总结前人针对机翼和架空导线结冰数值模拟方法的基础上,选取结冰所需的预测模型和所需的热力学模型。通过分析桨叶覆冰的主要传热过程,建立了覆冰的数值模拟理论模型。本文对风力机桨叶覆冰的成因与所需条件、影响因素、以及霜冰和光冰两种冰型的形成进行了研究。根据桨叶覆冰的特性,在GAMBIT软件中建立了桨叶翼型的物理模型,借助流体计算软件FLUENT,计算了光洁翼型的气动性能参数和过冷水滴体积分数这一结冰的关键因子,并且得出过冷水滴收集系数的分布曲线。采用迭代算法对不同风速、温度和攻角下的风力机桨叶翼型覆冰进行了计算,得出了覆冰的外形、覆冰前后翼型气动性能参数以及覆冰区域的分布。通过翼型覆冰的数值模拟方式,在风力机桨叶取多段翼型进行了覆冰的数值模拟,取得了各个翼型生成的冰形。通过对覆冰前后桨叶气动性能的模拟计算,得出了风力机桨叶在覆冰情况下的升阻力系数变化规律。本文的研究结果对于风力机运行控制具有参考价值,对风力机桨叶的覆冰机理研究具有一定的意义,并且为接下来针对风力机桨叶结冰的实验研究以及所开发的防／除冰设备提供了对应的理论基础和对比数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究背景
• 1.1.3 本课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 数值计算的研究
• 1.2.2 实验研究
• 1.3 研究思路及本文研究内容
• 第二章 风力机桨叶覆冰的CFD模型
• 2.1 风力机桨叶覆冰的成因及影响因素
• 2.1.1 成因与条件
• 2.1.2 影响因素
• 2.2 风力机桨叶覆冰数值模拟的CFD理论与方法
• 2.2.1 风力机桨叶气动理论
• 2.2.2 CFD相关理论
• 2.2.3 风力机桨叶结冰模拟过程与方法
• 2.3 覆冰冰型种类及其CFD模型的建立
• 2.3.1 霜冰模型
• 2.3.2 光冰模型
• 2.3.3 结冰参数
• 2.4 本章小结
• 第三章 风力机桨叶翼型覆冰的数值模拟
• 3.1 翼型模型建立
• 3.2 水滴收集系数的计算
• 3.2.1 模型建立
• 3.2.2 计算区域和边界条件
• 3.3 水滴收集系数计算结果和后处理
• 3.3.1 不同风速下的计算结果
• 3.3.2 不同水滴直径的计算结果
• 3.3.3 不同攻角下的计算结果
• 3.4 翼型覆冰的数值模拟
• 3.4.1 不同温度下的模拟结果
• 3.4.2 不同风速下的模拟结果
• 3.4.3 不同攻角下的模拟结果
• 3.5 结冰前后气动性能对比
• 3.5.1 控制方程与边界条件
• 3.5.2 边界重构网格生成
• 3.5.3 结冰翼型气动模拟结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 风力机桨叶覆冰的数值模拟
• 4.1 风力机桨叶及风轮模型的建立
• 4.1.1 Gambit简介
• 4.1.2 几何模型的建立方法
• 4.2 网格划分和计算模型选择
• 4.2.1 网格划分
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 计算结果及后处理
• 4.3.1 桨叶压力曲线
• 4.3.2 各个断面升阻力系数迭代收敛曲线
• 4.3.3 桨叶压力矢量云图
• 4.3.4 风轮等速度曲线图和矢量云图
• 4.3.5 风力机各翼型段覆冰外形
• 4.3.6 覆冰前后性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要工作及结论
• 5.1.1 主要工作
• 5.1.2 主要结论
• 5.2 本文创新点
• 5.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研情况
• 附录B 多段翼型覆冰外形及迭代曲线