利用自然低溫的風(fēng)力機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 巖， 王紹龍， 鄭玉芳， 劉欽東， 馮 放， 田川公太朗

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150030； 3. 日本鳥取大學(xué) 地域?qū)W部, 鳥取 6808551)

利用自然低溫的風(fēng)力機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 巖1，*， 王紹龍1， 鄭玉芳1， 劉欽東1， 馮 放2， 田川公太朗3

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150030； 3. 日本鳥取大學(xué) 地域?qū)W部, 鳥取 6808551)

為研究風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)冰特性與防除冰方法，設(shè)計(jì)了一種簡便、低成本的結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用北方冬季的自然低溫條件，將常規(guī)的開口射流風(fēng)洞加以改造，安裝水霧噴射系統(tǒng)和結(jié)冰測(cè)試段以提供結(jié)冰環(huán)境條件。在冬季進(jìn)行了結(jié)冰驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞的3個(gè)主要參數(shù)：溫度穩(wěn)定性、液態(tài)水含量和過冷水滴平均直徑進(jìn)行了測(cè)試和標(biāo)定。結(jié)果表明，在環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定的冬季時(shí)間段內(nèi)，主要指標(biāo)可在一定程度上滿足風(fēng)力機(jī)結(jié)冰實(shí)驗(yàn)要求。

結(jié)冰風(fēng)洞；風(fēng)力機(jī)；自然低溫；溫度；液態(tài)水含量；水滴直徑

0 引 言

近年來，由于極寒天氣的頻繁出現(xiàn)使得風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰問題逐漸受到了廣泛關(guān)注[1-5]。研究葉片的結(jié)冰機(jī)理和防除冰技術(shù)的主要手段之一就是利用結(jié)冰風(fēng)洞來實(shí)際測(cè)試。結(jié)冰風(fēng)洞是一種模擬在寒冷環(huán)境中過冷水滴在一定風(fēng)速帶動(dòng)下撞擊到物體表面結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。結(jié)冰風(fēng)洞多用于航天航空領(lǐng)域，最主要的就是機(jī)翼結(jié)冰，還有發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器及相關(guān)零部件結(jié)冰。目前世界上能夠進(jìn)行結(jié)冰實(shí)驗(yàn)的風(fēng)洞有20余座，主要分布在美國、加拿大、法國、英國、意大利和俄羅斯等國家。其中具有代表性的是美國NASA劉易斯研究中心的閉式結(jié)冰風(fēng)洞，意大利的IWI結(jié)冰風(fēng)洞及中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心于2014年完成的3m×2m大型冰風(fēng)洞[6-8]。然而，這些風(fēng)洞規(guī)模大、耗能多、成本高，中、小科研院所和高校很難建設(shè)和使用。因此，研制結(jié)構(gòu)簡單，能耗低廉的結(jié)冰風(fēng)洞成為結(jié)冰研究的一個(gè)重要方向。

風(fēng)力機(jī)工作的環(huán)境就是在地表，屬于在自然環(huán)境下的結(jié)冰問題，而不是像飛機(jī)屬于高空特殊環(huán)境下的結(jié)冰。因此，研究風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰問題，在某種意義上來說并不需要如此高精度、高成本的結(jié)冰風(fēng)洞，接近自然條件的低溫環(huán)境風(fēng)洞更適合。另外，如果利用自然低溫為結(jié)冰風(fēng)洞提供冷源的話，既省去了復(fù)雜的人工制冷設(shè)備，降低設(shè)備成本費(fèi)用，又省去了人工制冷設(shè)備的能耗，降低設(shè)備使用費(fèi)用。通過自然低溫為冰風(fēng)洞制冷在國際上已有先例，加拿大在1942年就建造了一座開式的簡易冰風(fēng)洞，利用冬季寒冷的氣候自然制冷；位于明尼蘇達(dá)州首府的Fluidyne Engineering Corp利用冬季寒冷環(huán)境為冰風(fēng)洞制冷，所研發(fā)的開環(huán)式冰風(fēng)洞主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)防冰研究[9]。在國內(nèi)還沒有利用自然低溫進(jìn)行制冷的冰風(fēng)洞。

綜上所述，為了研究風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰特性與開發(fā)防除冰系統(tǒng)，本研究利用東北地區(qū)特有的低溫環(huán)境，在常規(guī)開口射流式風(fēng)洞的基礎(chǔ)上，安裝水霧噴射系統(tǒng)并增加實(shí)驗(yàn)氣道，提供結(jié)冰環(huán)境條件，設(shè)計(jì)了利用自然低溫的風(fēng)力機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用自然低溫可省去人工制冷設(shè)備，大幅降低安裝使用的成本及能耗，實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間的結(jié)冰測(cè)試。在2015年冬季，對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞的主要參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和標(biāo)定，包括溫度穩(wěn)定性、液態(tài)水含量和過冷水滴平均直徑，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

1 結(jié)冰風(fēng)洞設(shè)計(jì)

圖1為設(shè)計(jì)的利用自然低溫風(fēng)力機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。所用的基礎(chǔ)風(fēng)洞為日本鳥取大學(xué)工學(xué)部設(shè)計(jì)制造的開口射流式風(fēng)洞，實(shí)驗(yàn)段截面為0.6m×0.6m，風(fēng)速范圍為1～15m/s。在該風(fēng)洞的原吹出口處安裝了水霧噴射系統(tǒng)，在其后設(shè)置了噴霧段、混合段和實(shí)驗(yàn)段。室外冷空氣由冷風(fēng)段吸入后，噴霧系統(tǒng)噴出的過冷水滴在混合段充分混合，然后作用于實(shí)驗(yàn)段的實(shí)驗(yàn)物上結(jié)冰。其中噴霧系統(tǒng)包括噴頭，水壓表，水壓泵，溫控裝置，流量計(jì)及凈水器。通過調(diào)整風(fēng)速、噴頭數(shù)量、噴嘴口徑及水壓組合來控制水滴的流量及水滴粒徑。圖2為利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖

圖2 結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 結(jié)冰風(fēng)洞參數(shù)驗(yàn)證及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)段溫度驗(yàn)證及分析

溫度是影響結(jié)冰的重要參數(shù)，直接影響到結(jié)冰的類型和外形。冰風(fēng)洞能否提供穩(wěn)定的過冷環(huán)境成為驗(yàn)證其有效性的重要指標(biāo)。在本研究中利用自然低溫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無法對(duì)溫度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，但實(shí)驗(yàn)可選擇在相近的環(huán)境溫度下進(jìn)行，可保持實(shí)驗(yàn)段內(nèi)過冷溫度穩(wěn)定。

圖3所示列舉了某一時(shí)間段內(nèi)風(fēng)洞開啟1h實(shí)驗(yàn)段溫度的變化情況。實(shí)驗(yàn)中采用HTC-1溫度傳感

器實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段溫度，溫度傳感器測(cè)量范圍為-50～70℃，測(cè)量精度為±0.5℃。可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞從開始降溫直至達(dá)到穩(wěn)定，并在-6.2℃范圍內(nèi)保持較長時(shí)間，溫度誤差不超過0.5℃。在實(shí)驗(yàn)過程中，先對(duì)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行降溫，當(dāng)達(dá)到溫度穩(wěn)定后，開啟噴霧系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)冰實(shí)驗(yàn)并實(shí)時(shí)記錄環(huán)境溫度，使實(shí)驗(yàn)過程始終在相對(duì)穩(wěn)定的低溫環(huán)境中進(jìn)行。因此，只要在外界環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的溫度便可保持非常好的穩(wěn)定性，滿足結(jié)冰風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)要求。

圖3 試驗(yàn)段溫度變化舉例

2.2 液態(tài)水含量標(biāo)定及分析

液態(tài)水含量(Liquid Water Content，LWC，g/m3)是指單位體積的空氣中所含有的液態(tài)水質(zhì)量。LWC是影響結(jié)冰形狀和結(jié)冰類型的重要結(jié)冰云霧參數(shù)，得到結(jié)冰風(fēng)洞中LWC分布，是得到定量結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)。對(duì)于結(jié)冰風(fēng)洞中LWC的測(cè)量，有直接法和間接法2種。本研究采用的是間接法，即將由冰刀法衍生而成的柵格置于實(shí)驗(yàn)段中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過分析柵格上的結(jié)冰質(zhì)量推算出LWC。

2.2.1 液態(tài)水含量計(jì)算方法[10]

結(jié)冰是由于過冷水滴碰撞到物面而導(dǎo)致的，在物體外形和空氣繞流條件一定的情況下，水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡只和水滴的粒徑有關(guān)系。在所有運(yùn)動(dòng)軌跡中，物體上下表面最遠(yuǎn)撞擊點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的軌跡為極限軌跡。位于極限軌跡之間的水滴會(huì)與物面碰撞，而在極限軌跡之外的水滴將繞過物體。記水滴的收集系數(shù)為Em，對(duì)于單位寬度d的柵格棱而言，遠(yuǎn)場(chǎng)中兩條極限軌跡之間的距離為Δy，則有

(1)

假設(shè)來流速度為v，在極限軌跡間的水滴在單位時(shí)間內(nèi)和單位寬度上的結(jié)冰質(zhì)量Mi，則有

Mi=Em×LWC×L×v-Me

(2)

式中:Me為單位時(shí)間物體表面蒸發(fā)量；v為來流速度；L為單位展長。

由于柵格棱的寬度較小，故在標(biāo)定規(guī)程中取Δy=d，即Em=1，同時(shí)忽略表面蒸發(fā)量，即Me=0，則式(2)可以變換為

(3)

式中:ρice為冰的密度(實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量)；hi為柵格棱上結(jié)冰厚度。

整理得任意柵格棱條處的LWC為

(4)

2.2.2 液態(tài)水含量標(biāo)定結(jié)果及分析

圖4所示為進(jìn)行標(biāo)定過程中所用的柵格，其整體尺寸為568mm×568mm，柵格的橫、縱棱的中心間距為80mm，橫、縱棱的寬度為8mm。在結(jié)冰實(shí)驗(yàn)條件下，將柵格放入實(shí)驗(yàn)段中進(jìn)行結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，獲得一定時(shí)間的結(jié)冰柵格棱上的結(jié)冰厚度，根據(jù)位于極限軌跡之間的水滴與物面碰撞結(jié)冰原理，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)段的液態(tài)水分布情況。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)同種工況下柵格結(jié)冰進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)，取4次實(shí)驗(yàn)的均值為風(fēng)洞的LWC值。

圖5所示給出了風(fēng)速為4.5m/s下的3種液態(tài)水分布云圖。通過云圖可以發(fā)現(xiàn)，在冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的中心部分產(chǎn)生了150mm×150mm的均勻區(qū)域，在該范圍內(nèi)可進(jìn)行靜態(tài)葉片的結(jié)冰實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，圍繞中心形成多個(gè)液態(tài)水含量相近的環(huán)形區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)可進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片段的旋轉(zhuǎn)結(jié)冰實(shí)驗(yàn)。

圖4 結(jié)冰厚度測(cè)試用柵格

(a)

(b)

(c)

2.3 水滴直徑標(biāo)定及分析

2.3.1 水滴直徑標(biāo)定方法

過冷水滴粒徑(Medium Volume Diameter，MVD)大小是重要的結(jié)冰云霧參數(shù)，獲得結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)水滴粒徑，是得到定量結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)段中運(yùn)動(dòng)的過冷水滴，常通過多普勒粒子分析、光學(xué)陣列探測(cè)等方法，所使用設(shè)備及方法復(fù)雜且昂貴。

在本研究中采用數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段標(biāo)定水滴直徑。其分析思路如下，測(cè)量ΔT結(jié)冰時(shí)間內(nèi)，速度為v對(duì)應(yīng)任意碰撞物面位置sn處的結(jié)冰厚度為hn，在此基礎(chǔ)上hn的表達(dá)式可以寫為

(5)

式中：βn為任意碰撞物面位置sn處的水滴收集率。在物體外形和空氣流動(dòng)一定情況下，任意碰撞物面的sn處的水滴收集率只和水滴直徑有關(guān)。定義水滴撞擊的起始位置s0，sn表示碰撞點(diǎn)距離起始位置s0的物面曲面距離，此處的局部收集系數(shù)βn滿足

(6)

針對(duì)上述特性對(duì)冰風(fēng)洞水滴粒子直徑標(biāo)定方法如下：選取典型外形(圓柱)進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，測(cè)得多個(gè)碰撞物面sn處的結(jié)冰厚度hn，得到局部撞擊極限βn與碰撞物面sn的關(guān)系曲線βn0=β(sn)；針對(duì)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的空氣繞流條件，通過數(shù)值計(jì)算的方法獲得不同粒徑所對(duì)應(yīng)的局部撞擊極限βn與碰撞物面sn的關(guān)系曲線βnm=β(sn)；將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的關(guān)系曲線βn0=β(sn)與多條關(guān)系曲線βnm=β(sn)進(jìn)行比對(duì)，最終得出水滴粒徑分布情況。

2.3.2 局部收集系數(shù)計(jì)算方法[11]

通過數(shù)值計(jì)算的方法求解水滴粒子運(yùn)動(dòng)軌跡及撞擊極限，先要計(jì)算空氣的流場(chǎng)，在得到流場(chǎng)分布基礎(chǔ)后分析單個(gè)水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡及其撞擊特性，再求解多個(gè)粒子的軌跡簇，進(jìn)而確定水滴的撞擊極限，最后分析任意碰撞物面位置sn處的水滴收集率。

控制方程為低速粘流的時(shí)均N-S方程，取其通用形式為

(7)

采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε湍流模型，采用Simple方法求解方程(7)，方程(7)各項(xiàng)的物理意義及具體表達(dá)式可參見文獻(xiàn)[12]。

在流場(chǎng)解算的基礎(chǔ)上建立水滴的運(yùn)動(dòng)方程，首先做如下假設(shè)：(1)水滴的體積保持不變；(2)水滴密度在整個(gè)過程中保持不變；(3)水滴的初始速度與自由流的速度相等，水滴質(zhì)量較小不影響流場(chǎng)性質(zhì)，通過分析運(yùn)動(dòng)中水滴的受力、根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律建立水滴的運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

式中：xd代表水滴位置，Md為水滴質(zhì)量，Vd為水滴體積，ρd為水滴密度，ρa(bǔ)是空氣密度，g是重力加速度，Ad是水滴的迎風(fēng)面積，Vd是水滴的體積，Cd是阻力系數(shù)，ua代表當(dāng)?shù)貧饬魉俣?，ud代表水滴速度。

采用Euler方法離散求解水滴運(yùn)動(dòng)方程，其在x軸方向的方程加速度方程為

(9)

y軸方向水滴的加速度方程為

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

開始計(jì)算時(shí)給定水滴的初始位置，然后計(jì)算Δt時(shí)間步長后水滴的新位置。水滴在物面的最遠(yuǎn)撞擊點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的軌跡為極限軌跡，極限軌跡分別于物體的表面兩側(cè)相切。

通過水滴軌跡計(jì)算確定撞擊點(diǎn)位置之后，就能夠獲得一組水滴縱向點(diǎn)出發(fā)點(diǎn)位置(y0,y1,y2,…,yn)以及其對(duì)已碰撞在物面的位置(s0,s1,s2,…,sn)，此處si表示碰撞點(diǎn)距離駐點(diǎn)的物面曲線距離，為了得到函數(shù)s=s(y)，根據(jù)這2組數(shù)據(jù)進(jìn)行代數(shù)插值，得到局部收集系數(shù)是s關(guān)于y的一階導(dǎo)數(shù)，采用三次樣條插值。

(15)

令hi=yi-yi-1，得到s(y)的表達(dá)式為

(16)

(17)

2.3.3 液態(tài)水含量標(biāo)定結(jié)果及分析

圖6所示為實(shí)驗(yàn)用有機(jī)玻璃圓柱，外徑為30mm，厚為5mm，高為150mm。在結(jié)冰實(shí)驗(yàn)條件下，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄔ谥Ъ苌?，?shí)驗(yàn)過程中取較低的實(shí)驗(yàn)溫度并使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍艹浞诸A(yù)冷，保證水滴在物面碰撞后即可凍結(jié)。實(shí)驗(yàn)過程中取風(fēng)速為5m/s，溫度為-8℃，空心圓柱置于LWC=0.59g/m3處，結(jié)冰時(shí)間為5min。為減小實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)同種工況下結(jié)冰進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)。

圖6 實(shí)驗(yàn)圓柱

圖7所示為數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格。計(jì)算條件與實(shí)驗(yàn)條件相同，計(jì)算采用O型網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為6584。

圖7 計(jì)算網(wǎng)格

圖8所示為實(shí)驗(yàn)獲得的局部收集系數(shù)曲線與數(shù)值仿真計(jì)算獲得的MVD=20μm、MVD=30μm及MVD=50μm的局部收集系數(shù)曲線的比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)獲得的局部收集系數(shù)曲線介于MVD=30μm與MVD=50μm的局部收集系數(shù)曲線之間，可以推斷出該噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的水滴粒子介于30～50μm之間，滿足常規(guī)實(shí)驗(yàn)要求。

圖8 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算對(duì)比

3 結(jié) 論

為了研究風(fēng)力機(jī)結(jié)冰與防除冰問題，本研究設(shè)計(jì)了一種利用自然低溫條件的簡便低成本的風(fēng)力機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)。通過在冬季進(jìn)行的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，該結(jié)冰風(fēng)洞的主要參數(shù)：實(shí)驗(yàn)段溫度穩(wěn)定性、液態(tài)水滴含量分布與液滴平均粒徑等均在一定程度上滿足實(shí)驗(yàn)需求，可利用其對(duì)風(fēng)力機(jī)的葉片等進(jìn)行結(jié)冰特性與防除冰技術(shù)研究。本研究提出的這種方法也可以為研究其他結(jié)構(gòu)的結(jié)冰問題提供借鑒和參考。

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(編輯：楊 娟)

Design of wind tunnel experiment system for wind turbine icing by using natural low temperature

Li Yan1，*, Wang Shaolong1, Zheng Yufang1, Liu Qindong1, Feng Fang2, Tagawa Kotaro3

(1. Engineering College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030， China; 2. College of Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 3. Regional Faulty, Tottori University, Tottori 6808551, Japan)

A simple and low cost icing wind tunnel experiment system has been designed in order to study the characteristics of wind turbine blade icing and de-icing methods. The conventional open jet wind tunnel has been transformed by using the natural low temperature condition of the northern winter, and a water spray system and the icing test section were installed to provide the icing conditions.The verification experiments were carried out in winter, and the three main parameters: the temperature stability, the liquid water content and the medium volume droplet diameter were tested and calibrated. The results show that the main indexes can meet the requirements of the wind turbine icing test to a certain degree at the relatively stable environment temperature.

icing wind tunnel;wind turbine;natural low temperature;temperature;Liquid Water Content(LWC);Medium Volume Diameter(MVD)

1672-9897(2016)02-0054-06

10.11729/syltlx20160001

2015-12-22;

2015-12-28

國家自然科學(xué)基金(51576037)

LiY,WangSL,ZhengYF,etal.Designofwindtunnelexperimentsystemforwindturbineicingbyusingnaturallowtemperature.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2016, 30(2): 54-58,66. 李 巖, 王紹龍, 鄭玉芳, 等. 利用自然低溫的風(fēng)力機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì). 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2016, 30(2): 54-58,66.

TP601,V244.1+5

A

李 巖(1972-), 男, 黑龍江賓縣人, 教授。研究方向：可再生能源綜合利用。通信地址：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院(150030)。E-mail：liyanneau@163.com

*通信作者 E-mail: liyanneau@163.com.