结冰对直线翼垂直轴风力机气动特性影响研究

论文摘要

近年来,直线翼垂直轴风力机越来越受到关注并快速发展起来,但安装在寒冷地区时叶片表面在冬季会产生结冰现象,目前国内外对风力机结冰气动特性影响方面的研究很少,而在垂直轴风力机领域,结冰研究更是一片空白。作者所在的研究组在这方面有一定的研究基础,所以本项目以直线翼垂直轴风力机和叶片表面结冰为研究对象,通过野外试验、数值模拟计算和风洞试验相结合的手段,对直线翼垂直轴风力机叶片表面结冰情况以及结冰对叶片和风力机气动特性的影响进行了研究。本论文的主要研究内容和研究结果如下:野外试验观测到了叶片表面的结霜、霜冰和瘤冰,分析出了与风速、风向、温度和湿度的关系,总结出在气温低,空气湿度大,风速较低条件产生结霜类型;当温度在-10°～0°,有较高的空气湿度和较大的风速产生霜冰类型;在霜冰出现的气象条件下,如果伴随有冻雨和湿雪则极易出现瘤冰类型的结论。对直线翼垂直轴风力机叶片的结冰研究中,采用了数值模拟计算和风洞试验两种方法,数值模拟计算模拟了不同条件下叶片结冰过程,计算出叶片结冰前后的流场、结冰形状及气动参数结果,风洞结冰试验获得了在不同风速、空气水滴流量和攻角下的叶片表面结冰情况,拍摄了大量的叶片的结冰照片,从这些研究中了解到:1)气流中所含过冷水滴量和风速是影响风力机叶片表面结冰及其在叶片表面生长的关键因素,并与其成正比关系;在低风速时,水滴流量的影响占主导作用;而当风速较高时,风速对结冰的影响也起到关键性作用。前缘迎风时,水滴流量对结冰厚度起关键作用,尾缘迎风时,水滴流量和风速对翼型尾缘部分的结冰影响不大。水滴流量较小时,结冰面积呈现出一定的线性关系;但水滴流量增大时,变化规律变得很复杂。较大的风速能使过冷水滴能更多的附着在叶片上,增快叶片表面结冰过程,但结冰强度不够时,较大的空气压力也会导致结冰量变小;2)攻角不同,叶片的受风面积发生改变,从而使叶片表面的流场发生变化,导致过冷水滴与叶片碰撞的情况产生很大变化,其表面结冰的厚度、面积和结冰生长趋势也就不同。尤其是在前缘和后缘处的结冰规律有很大不同,当翼型尾缘迎风时,结冰主要发生在尾缘的很小范围,当前缘迎风时,前缘的最大结冰厚度不随着攻角的增加而增加,但各条件下前缘结冰的厚度整体上要比后缘厚;从总体来看,在一定攻角范围内,翼型表面的结冰面积、冰量随翼型迎风面积增加而增加,在一定条件下,结冰面积可达到翼型面积的30%以上;3)叶片结冰后的阻力系数大幅增大,升力系数减小,升阻比降低,导致叶片气动特性整体降低,试验结果为最大的阻力系数变化量为1.1513,最大的升力系数变化量为1.9806。数值模拟计算的结果因为CFD手段并不完善,所以只能作为参考,但也可以得出相同的结论。对直线翼垂直轴风力机的结冰研究中,风洞结冰试验获得了在不同风速、空气水滴流量和攻角下的叶片表面结冰情况,并测量了风力机的力矩、冰量、冰量比变化:在风力机结冰过程中,冰量的多少,水滴流量是比风速更重要的决定因素,但无法决定冰量比的大小;尖速比也对冰量有影响,在小尖速比的情况下,大流量下的结冰量大致是小流量下结冰量的2倍,但在大尖速比的时候,两种流量下的冰量则无法预测。当风力机结冰后,风力机的气动性能都被削弱,在同一风速下,小流量条件下的风力机力矩降低较小,大流量条件下的风力机力矩降低程度较大;同时在同一流量下,大风速下风力机结冰后力矩降低程度也比小风速大。本项目可为直线翼垂直轴风力机的基础研究提供实验和理论依据,为开发适用于寒冷地区的风能利用系统,以及叶片表面的防结冰和除冰技术提供重要参考。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 风力机技术背景及发展现状
• 1.1.1 风力机历史背景
• 1.1.2 风力机种类
• 1.2 风力机结冰问题研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究目的及意义
• 1.4 课题来源及研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究内容
• 2 直线翼垂直轴风力机工作原理及相关理论
• 2.1 直线翼垂直轴风力机工作原理
• 2.1.1 升力与阻力
• 2.1.2 风能利用系数
• 2.1.3 力矩系数
• 2.1.4 尖速比
• 2.2 相关理论
• 2.2.1 流管理论
• 2.2.2 数值计算
• 3 结冰相关理论
• 3.1 结冰机理
• 3.2 影响结冰的因素
• 3.3 水滴轨迹运动方程
• 4 研究方法
• 4.1 试验研究
• 4.1.1 野外观测试验
• 4.1.2 叶片结冰风洞试验
• 4.1.3 风力机结冰风洞试验
• 4.2 数值计算研究
• 4.2.1 计算手段
• 4.2.2 计算条件
• 5 研究结果与分析
• 5.1 野外结冰观测
• 5.1.1 观测结果与天气情况
• 5.1.2 结冰机理分析
• 5.2 结冰数值模拟计算
• 5.2.1 攻角因素的影响
• 5.2.2 水滴流量和风速因素的影响
• 5.2.3 前缘与尾缘处最大结冰厚度
• 5.2.4 叶片表面结冰面积比
• 5.2.5 叶片结冰前后流场分析
• 5.2.6 结冰前后叶片升阻力系数变化
• 5.3 叶片结冰风洞试验
• 5.3.1 水平放置叶片结冰风洞试验
• 5.3.2 垂直放置叶片结冰风洞试验
• 5.4 风力机结冰风洞试验
• 5.4.1 静止状态风力机结冰风洞试验
• 5.4.2 动态风力机结冰风洞试验
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文