繞軸旋轉(zhuǎn)翼型結(jié)冰分布的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究

李巖， 王紹龍， 馮放， 郭文峰， 田川公太朗

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030； 2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 黑龍江 150030； 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030； 4.鳥(niǎo)取大學(xué) 地域?qū)W部，日本 鳥(niǎo)取 6808552)

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繞軸旋轉(zhuǎn)翼型結(jié)冰分布的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究

李巖1，2， 王紹龍1， 馮放2，3， 郭文峰1，2， 田川公太朗4

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030； 2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 黑龍江 150030； 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030； 4.鳥(niǎo)取大學(xué) 地域?qū)W部，日本 鳥(niǎo)取 6808552)

為研究風(fēng)力機(jī)葉片翼型在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的結(jié)冰分布規(guī)律，本文基于利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)NACA0018翼型和S809翼型進(jìn)行了繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)，建立了不規(guī)則冰形評(píng)價(jià)方法，對(duì)比分析了轉(zhuǎn)速、結(jié)冰時(shí)間、翼型等參數(shù)對(duì)葉片翼型結(jié)冰分布的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：本試驗(yàn)系統(tǒng)具有較好的可重復(fù)性，可適用于旋轉(zhuǎn)葉片翼型結(jié)冰特性研究；轉(zhuǎn)速對(duì)葉片翼型結(jié)冰形式影響顯著，而結(jié)冰時(shí)間對(duì)其影響不大，但會(huì)使結(jié)冰量增加；對(duì)稱翼型與非對(duì)稱翼型間結(jié)冰存在較明顯區(qū)別，非對(duì)稱翼型結(jié)冰會(huì)出現(xiàn)前緣結(jié)冰和尾緣結(jié)冰同時(shí)存在的情況。對(duì)于各結(jié)冰特征量，無(wú)因次結(jié)冰面積及無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度隨結(jié)冰時(shí)間增加呈線性增長(zhǎng)，但其他特征量隨時(shí)間變化較??；轉(zhuǎn)速對(duì)各結(jié)冰特征量有顯著影響；對(duì)于非對(duì)稱翼型在一定工況下會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)結(jié)冰區(qū)域，需要增加額外的特征量來(lái)描述結(jié)冰特征。

風(fēng)力機(jī)；翼型；結(jié)冰；繞軸旋轉(zhuǎn)；結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)；結(jié)冰分布

在當(dāng)今能源短缺日漸凸顯，環(huán)境壓力日益增大的大背景下，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，正受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)代的大部分風(fēng)力機(jī)是研究者們利用航空的空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)翼翼型工作原理，針對(duì)風(fēng)力機(jī)大氣工作環(huán)境而設(shè)計(jì)研發(fā)的[1-3]。風(fēng)力機(jī)高效工作具有兩個(gè)前提：優(yōu)秀的風(fēng)資源與高效的風(fēng)能捕獲裝置。寒冷地區(qū)通常具有更好的風(fēng)資源，該地區(qū)風(fēng)速更大，空氣密度更高，但是該地區(qū)環(huán)境惡劣，這就為風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高要求[4]。結(jié)冰問(wèn)題是寒冷地區(qū)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)面對(duì)的一個(gè)典型的挑戰(zhàn)，例如我國(guó)三北地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)冬季常面臨降雪結(jié)冰、南方高山風(fēng)電場(chǎng)及沿海風(fēng)場(chǎng)由于空氣中水氣含量較高或海浪飛濺形成水霧，造成風(fēng)力機(jī)云霧結(jié)冰。結(jié)冰后風(fēng)力機(jī)葉片外形發(fā)生改變，氣動(dòng)特性受到破壞、載荷分布不均，輕則降低發(fā)電效率，重則造成風(fēng)力機(jī)停機(jī)甚至發(fā)生安全事故[5-7]。

近年來(lái)，為研究風(fēng)力機(jī)結(jié)冰，研究者們大多借鑒飛機(jī)結(jié)冰的研究方法，最常用的是CFD數(shù)值模擬法與結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)法。在數(shù)值計(jì)算方面，易賢等對(duì)二維翼型結(jié)冰及風(fēng)力機(jī)結(jié)冰進(jìn)行了計(jì)算[8-10]，鄧曉湖等進(jìn)行了水平軸風(fēng)力機(jī)葉片翼型結(jié)冰的數(shù)值模擬[11-12]，朱程香等進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)葉片翼型的結(jié)冰數(shù)值模擬研究[13-14]；李巖等對(duì)風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰問(wèn)題也進(jìn)行了初步的研究[15-16]。然而風(fēng)力機(jī)葉片做的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而飛機(jī)機(jī)翼是平動(dòng)飛行，雖然在風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中常將其葉片翼型看作平動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是在結(jié)冰過(guò)程中，液滴撞擊到風(fēng)力機(jī)葉片并凝結(jié)的過(guò)程中始終受到旋轉(zhuǎn)的離心力作用，其結(jié)冰外形也相應(yīng)的受到影響。針對(duì)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰的試驗(yàn)研究較計(jì)算研究相對(duì)很少，國(guó)外典型研究有Neil通對(duì)小型水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)冰進(jìn)行研究[17]，

Gillenwater等對(duì)結(jié)冰狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[18]，Kraj等利用小型冰風(fēng)洞研究了風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰過(guò)程[19]，HAN 等做過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)，但未能對(duì)冰形規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的分析[20]，國(guó)內(nèi)對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰研究的相關(guān)報(bào)道較少，國(guó)內(nèi)蔣興良等對(duì)小風(fēng)力機(jī)結(jié)冰進(jìn)行了研究[21-22]，李巖等對(duì)小型垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)冰進(jìn)行了研究[23]。

為此，在前期研究的基礎(chǔ)上，基于自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)繞軸旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱翼型葉片及非對(duì)稱翼型葉片進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)研究，在驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性后，提出了針對(duì)不規(guī)則冰形的典型特征量的分析方法，并對(duì)在不同工況下兩種翼型葉片的結(jié)冰規(guī)律進(jìn)行分析研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗(yàn)所采用的冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示[24]，所采用的基礎(chǔ)風(fēng)洞為日本鳥(niǎo)取大學(xué)工學(xué)部設(shè)計(jì)制造的開(kāi)口射流式風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面為0.6 m×0.6 m，風(fēng)速范圍為1～15 m/s。在該風(fēng)洞的吹出口處安裝了水霧噴射系統(tǒng)，在其后設(shè)置了噴霧段、混合段和試驗(yàn)段。室外冷空氣由冷風(fēng)段吸入后，在噴霧段與噴霧系統(tǒng)噴出的過(guò)冷水滴在混合段充分混合，然后作用于試驗(yàn)段的試驗(yàn)物上結(jié)冰。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experiment system of icing wind tunnel

系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，調(diào)頻電機(jī)、力矩儀與轉(zhuǎn)軸同軸連接，在轉(zhuǎn)軸端部連接旋轉(zhuǎn)梁，在旋轉(zhuǎn)梁的端部固裝試驗(yàn)用葉片模型，其中調(diào)頻電機(jī)與力矩儀安裝在氣道外部，旋轉(zhuǎn)部分位于氣道內(nèi)部，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)高速攝像機(jī)(美國(guó)Phantom v5.1，分辨率1 024×1 024像素)拍攝旋轉(zhuǎn)過(guò)程中結(jié)冰葉片圖像。

旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗(yàn)所用的葉片模型如圖3所示，選用的翼型分別為NACA0018翼型和S809翼型，所采用的材質(zhì)為實(shí)心鋁制，葉片弦長(zhǎng)c為100mm。

1.2 試驗(yàn)方法

旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)如圖4所示，試驗(yàn)在2015年冬季進(jìn)行，其中結(jié)冰風(fēng)洞的相關(guān)參數(shù)標(biāo)定方法在作者的前期研究中已給出介紹，主要包括試驗(yàn)段溫度穩(wěn)定性驗(yàn)證，試驗(yàn)段截面液態(tài)水含量分布標(biāo)定及過(guò)冷水滴直徑標(biāo)定。確定試驗(yàn)條件為：結(jié)冰溫度，T=-8℃；來(lái)流風(fēng)速，U=4.54 m/s；液態(tài)水含量，LWC=0.5 g/m3；過(guò)冷水滴平均粒徑，MVD=40 μm；繞軸旋轉(zhuǎn)直徑，D=0.5 m；選取了兩種直徑的葉片，分別為NACA0018翼型與S809翼型；選取了兩個(gè)結(jié)冰時(shí)間：t=5 min和t=10 min；選取了4個(gè)旋轉(zhuǎn)速度ω分別為200、400、600、800r/min。

1.3 不規(guī)則冰形評(píng)價(jià)方法

常見(jiàn)的風(fēng)力機(jī)葉片翼型分為對(duì)稱型與非對(duì)稱型，其結(jié)冰情況存在不同，最典型的區(qū)別是非對(duì)稱翼型在某些工況下其尾緣部分會(huì)出現(xiàn)單獨(dú)結(jié)冰，見(jiàn)圖5。對(duì)二維翼型的結(jié)冰形狀進(jìn)行分析，可提煉出冰形幾何特征量。針對(duì)本研究中獲得的不規(guī)則冰形，對(duì)于對(duì)稱翼型的葉片結(jié)冰，采用結(jié)冰冰形面積S、駐點(diǎn)厚度σ、駐點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角α、結(jié)冰上極限Lu與結(jié)冰下極限Ld，見(jiàn)圖6(a)。對(duì)于非對(duì)稱翼型的葉片結(jié)冰，采用前緣結(jié)冰面積Sf、駐點(diǎn)厚度σf、駐點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角α，結(jié)冰上極限Lu、結(jié)冰下極限Ld，后緣結(jié)冰面積Sb，后緣偏角β，后緣厚度σb及后緣極限Lb，見(jiàn)圖6(b)。

圖2 結(jié)冰測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Test station for icing measurement

圖3 葉片模型Fig.3 Experimental model of blade

圖4 旋轉(zhuǎn)葉片運(yùn)動(dòng)參數(shù)Fig.4 Motion parameters of rotating blade

對(duì)于不同弦長(zhǎng)的葉片，其結(jié)冰的特征量就無(wú)法相互比較，對(duì)其幾何特征量進(jìn)行無(wú)量綱化，引入如下無(wú)因次參數(shù)，對(duì)于對(duì)稱翼型有

圖5 典型旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰Fig.5 Typical icing on rotating blade

圖6 翼型結(jié)冰典型特征量Fig.6 Typical factors of blade icing

無(wú)因次結(jié)冰面積ηs：

(1)

無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度ησ：

(2)

無(wú)因次結(jié)冰上極限ηLu：

(3)

無(wú)因次結(jié)冰下極限ηLd：

(4)

式中：A為翼型的面積，c為翼型的弦長(zhǎng)。

對(duì)于非對(duì)稱翼型有：

無(wú)因次前緣結(jié)冰面積ηSf：

(5)

無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度ησf：

(6)

無(wú)因次結(jié)冰上極限ηLu：

(7)

無(wú)因次結(jié)冰下極限ηLd：

(8)

無(wú)因次后緣結(jié)冰面積ηSb：

(9)

無(wú)因次后緣厚度ησb：

(10)

無(wú)因次后緣極限ηLb：

(11)

雖然對(duì)稱翼型和非對(duì)稱翼型的結(jié)冰特征量評(píng)價(jià)方法存在差異，但是根據(jù)其相關(guān)性對(duì)于相同部位的特征量可共同比較。其非對(duì)稱翼型無(wú)因次總結(jié)冰面積ηs可看作無(wú)因次前緣結(jié)冰面積ηSf與無(wú)因次后緣結(jié)冰面積ηSb的和，即

ηs=ηSf+ηSb

(12)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 葉片表面結(jié)冰分布

圖7所示為NACA0018鋁制葉片在不同轉(zhuǎn)速下結(jié)冰時(shí)間分別為5 min和10 min的葉片表面結(jié)冰分布情況。在相同的工況下，分別用3個(gè)葉片進(jìn)行試驗(yàn)，可知這3個(gè)葉片上的結(jié)冰分布基本一致，利用本試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)稱翼型旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)冰試驗(yàn)具有可重復(fù)性。

圖7 NACA0018翼型在不同轉(zhuǎn)速下的結(jié)冰分布情況Fig.7 Distributions of NACA0018 airfoil icing under different rotational speed

當(dāng)其他條件相同，轉(zhuǎn)速不同時(shí)，葉片表面結(jié)冰情況不相同。1)當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，結(jié)冰主要集中在迎風(fēng)面，非迎風(fēng)面結(jié)冰很少，迎風(fēng)面結(jié)冰分布比較均勻，冰層厚度較一致，一直從前緣生長(zhǎng)至尾緣。2)當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，迎風(fēng)面與非迎風(fēng)面積冰發(fā)生變化，對(duì)于迎風(fēng)面結(jié)冰仍然從前緣生長(zhǎng)至尾緣，但是厚度不再一致，前緣厚度增加，尾緣厚度減小，非迎風(fēng)面結(jié)冰開(kāi)始向尾緣延伸。3)當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，迎風(fēng)面已經(jīng)無(wú)法完全覆冰，冰層無(wú)法生長(zhǎng)到尾緣部分，冰層厚度更加不一致，前緣部分結(jié)冰厚度要更大于后緣部分積冰，非迎風(fēng)面結(jié)冰更像后延伸。4)當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，結(jié)冰主要集中到了前緣部分，迎風(fēng)面的結(jié)冰延伸距離變短，非迎風(fēng)面的結(jié)冰延伸變長(zhǎng)，前緣結(jié)冰厚度更厚。綜合對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，迎風(fēng)面結(jié)冰延伸變短，非迎風(fēng)面結(jié)冰延伸變長(zhǎng)，迎風(fēng)面結(jié)冰延伸距離要大于非迎風(fēng)面結(jié)冰延伸距離，迎風(fēng)面結(jié)冰要更加平滑，非迎風(fēng)面結(jié)冰在尾部會(huì)急劇收縮。隨著轉(zhuǎn)速增加，結(jié)冰厚度分布變得不均衡，前緣結(jié)冰的厚度增大，后緣結(jié)冰厚度減小。

當(dāng)其他條件相同，結(jié)冰時(shí)間不同時(shí)，葉片表面結(jié)冰情況仍滿足上述結(jié)冰分布規(guī)律，所不同的是當(dāng)葉片結(jié)冰時(shí)間由5 min增加到10 min時(shí)，葉片表面的結(jié)冰量增大，厚度增加，結(jié)冰在葉片表面的爬伸距離不能看出明顯變化。

圖8所示為S809實(shí)心鋁制葉片在不同轉(zhuǎn)速下結(jié)冰時(shí)間分別為5 min和10 min的葉片表面結(jié)冰分布情況。在相同工況下分別對(duì)3個(gè)葉片結(jié)冰進(jìn)行試驗(yàn)，可知這3種葉片結(jié)冰分布一致，利用本試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行非對(duì)稱翼型旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗(yàn)具有可重復(fù)性。

當(dāng)其他條件相同，轉(zhuǎn)速不同時(shí)，葉片表面結(jié)冰情況不同。1)當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，結(jié)冰主要集中在迎風(fēng)面且將其全部覆蓋，非迎風(fēng)面很少，這與NACA0018翼型結(jié)冰趨勢(shì)相同，但是冰層厚度并不一致，其中前緣部分與尾緣部分的結(jié)冰厚度要大，中間部分結(jié)冰厚度要小。2)當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，結(jié)冰不能將迎風(fēng)面完全覆蓋，其中結(jié)冰由前緣部分延伸到葉片中部，同時(shí)在葉片尾緣部分出現(xiàn)結(jié)冰，同時(shí)葉片非迎風(fēng)面結(jié)冰向后爬伸，迎風(fēng)面前緣部分結(jié)冰厚度基本相同，到后部急速降低。3)當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，結(jié)冰已經(jīng)無(wú)法生長(zhǎng)到尾緣部分，尾緣部分不再發(fā)生結(jié)冰，非迎風(fēng)面結(jié)冰延生變長(zhǎng)，這與對(duì)稱翼型結(jié)冰相同。4)當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，葉片結(jié)冰主要集中在前緣部分，迎風(fēng)面的結(jié)冰延伸變小，非迎風(fēng)面的結(jié)冰延伸變大。綜合對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，迎風(fēng)面首先會(huì)被結(jié)冰完全覆蓋，其后會(huì)出現(xiàn)前緣部分結(jié)冰和尾緣部分結(jié)冰，最后尾緣部分結(jié)冰消失，結(jié)冰全部出現(xiàn)在前緣部分，迎風(fēng)面的結(jié)冰延伸距離要大于非迎風(fēng)面。非對(duì)稱翼型迎風(fēng)面與非迎風(fēng)面結(jié)冰均不平滑，由前緣向后先是平滑過(guò)渡，在結(jié)束部位急劇收縮。

圖8 S809翼型在不同轉(zhuǎn)速下的結(jié)冰分布情況Fig.8 Distributions of S809 airfoil icing under different rotational speeds

當(dāng)其他條件相同時(shí)，結(jié)冰時(shí)間不同，葉片表面仍滿足上述結(jié)冰分布規(guī)律，所不同的是當(dāng)葉片結(jié)冰時(shí)間由5 min增加10 min時(shí)，葉片表面的結(jié)冰量增大，

厚度增加，結(jié)冰在葉片表面的爬伸距離不能看出明顯變化。

2.2 結(jié)冰特征量分析

為了定量的分析不同環(huán)境參數(shù)對(duì)葉片結(jié)冰的影響，根據(jù)葉片結(jié)冰評(píng)價(jià)方法，對(duì)葉片結(jié)冰的特征量進(jìn)行分析。

2.2.1 無(wú)因次結(jié)冰面積分析

圖9給出了試驗(yàn)所用的兩種葉片在不同工況下的無(wú)因次結(jié)冰面積ηs?？傮w來(lái)看，對(duì)于對(duì)稱翼型的葉片結(jié)冰，其在低轉(zhuǎn)速時(shí)結(jié)冰較少，隨著轉(zhuǎn)速增高，結(jié)冰呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后又呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。而對(duì)于非對(duì)稱翼型結(jié)冰，其在400r/min時(shí)結(jié)冰要大于200r/min，但是在600r/min時(shí)急劇下降，在800r/min時(shí)又出現(xiàn)了提升。這說(shuō)明風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速對(duì)結(jié)冰面結(jié)的影響很大，主要表現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增大，葉片的相對(duì)速度攻角變小，雖然相對(duì)于來(lái)流來(lái)說(shuō)葉片的迎風(fēng)面始終沒(méi)有發(fā)生變化，但是相對(duì)于葉片的相對(duì)速度而言，葉片的迎風(fēng)面發(fā)生了變化，其水滴收集能力發(fā)生了變化，迎風(fēng)面變化占主要因素；在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，由于葉片運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度攻角變化較小，迎風(fēng)面的影響減弱，但是由于自身轉(zhuǎn)速較高，其收集水滴增強(qiáng)，轉(zhuǎn)速對(duì)結(jié)冰面積占主要因素。

考慮時(shí)間對(duì)無(wú)因次葉片結(jié)冰面積影響可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于任意工況下葉片在10min的無(wú)因次結(jié)冰面積是5min無(wú)因次結(jié)冰面積的兩倍，可知在本文研究的結(jié)冰工況范圍內(nèi)，葉片無(wú)因此結(jié)冰面積與時(shí)間的關(guān)系可看作是線性關(guān)系。

圖9 不同工況葉片無(wú)因次結(jié)冰面積Fig.9 Dimensionless icing area of blade under different working conditions

2.2.2 無(wú)因次駐點(diǎn)厚度分析

圖10給出了試驗(yàn)所用的兩個(gè)葉片在不同工況下的無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度ησ?？傮w而言，對(duì)于對(duì)稱翼型無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度是隨著轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。這是由于隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，葉片結(jié)冰由流線型冰向角狀型冰發(fā)展。對(duì)于非對(duì)稱翼型，其無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度在低轉(zhuǎn)速時(shí)較小，隨著轉(zhuǎn)速增大，開(kāi)始快速上升，但達(dá)到一定峰值時(shí)又開(kāi)始降低，然后再繼續(xù)增加。出現(xiàn)上述情況的主要原因還是在于在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)迎風(fēng)面起主要作用，在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速起主要作用。

圖10 不同工況葉片無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度Fig.10 Dimensionless icing stagnation thickness of blade under different working conditions

考慮時(shí)間對(duì)無(wú)因次駐點(diǎn)厚度的影響可知，對(duì)于任意工況下葉片在10min的無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度是5min無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度的兩倍，可知在本文研究的結(jié)冰工況范圍內(nèi)，葉片的無(wú)因次結(jié)冰駐點(diǎn)厚度與時(shí)間的關(guān)系可看作是線性關(guān)系。

2.2.3 駐點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角分析

圖11給出了試驗(yàn)所用的兩個(gè)葉片在不同工況下的駐點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角α?？傮w而言，隨著轉(zhuǎn)速的增加，駐點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明偏轉(zhuǎn)角主要受到的是來(lái)流風(fēng)速與自身轉(zhuǎn)速的影響，主要為來(lái)流風(fēng)速與葉片圓周速度的合速度方向。

圖11 不同工況葉片結(jié)冰駐點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角Fig.11 Blade icing stagnation angles under different working conditions

2.2.4 無(wú)因次結(jié)冰上、下極限分析

圖12給出了試驗(yàn)所用的兩種葉片在不同工況下的無(wú)因次結(jié)冰上極限ηLu變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)對(duì)于對(duì)稱翼型而言，當(dāng)轉(zhuǎn)速為200r/min與400r/min時(shí)，葉片的上極限覆蓋了葉片的迎風(fēng)面輪廓，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，結(jié)冰上極限減小。對(duì)于非對(duì)稱翼型，在200r/min時(shí)葉片的上極限覆蓋了葉片的迎風(fēng)面輪廓，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，結(jié)冰上極限逐漸減小，速度越大，其減小的趨勢(shì)越低。

圖13給出了試驗(yàn)所用的兩種葉片在不同工況下的無(wú)因次結(jié)冰下極限ηLd。隨著轉(zhuǎn)速的增加，結(jié)冰下極限也在相應(yīng)的增加。結(jié)冰下極限為旋轉(zhuǎn)葉片的非迎風(fēng)面，隨著轉(zhuǎn)速的增加其相對(duì)速度攻角減小，結(jié)冰下極限增加。

綜合比較葉片無(wú)因次結(jié)冰上極限和無(wú)因次結(jié)冰下極限可以發(fā)現(xiàn)，這兩者不隨時(shí)間變化而變化。

2.2.5 非對(duì)稱翼型結(jié)冰評(píng)價(jià)

上述分析了對(duì)稱翼型和非對(duì)稱翼型結(jié)冰的具有相同特性的結(jié)冰特征量，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)非對(duì)稱翼型S809所結(jié)的不規(guī)則冰形將出現(xiàn)兩個(gè)結(jié)冰區(qū)域，即前緣結(jié)冰和尾緣結(jié)冰，結(jié)合非對(duì)稱翼型的不規(guī)則冰型評(píng)價(jià)方法，獲得400r/min時(shí)非對(duì)稱翼型S809的結(jié)冰特征量如表1所示。

圖12 不同工況葉片無(wú)因次結(jié)冰上極限Fig.12 Dimensionless icing upper limit of blade under different working conditions

圖13 不同工況葉片無(wú)因次結(jié)冰下極限Fig.13 Dimensionless icing lower limit of blade icing under different working conditions

t/minηSfησfα/(°)ηLuηLdηSbβ/(°)ησbηLb50.160.0714.890.490.080.0331.310.050.25100.330.1317.420.500.090.0733.510.100.35

對(duì)于表1中的數(shù)據(jù)，與對(duì)稱翼型相同的不再進(jìn)行分析，僅對(duì)有差別的結(jié)冰特征量進(jìn)行分析。其中，后緣偏轉(zhuǎn)角β隨著結(jié)冰時(shí)間的增大有少量增加，同時(shí)無(wú)因次后緣結(jié)冰極限ηLd也有增加，其主要原因在于隨著積冰的累積其結(jié)冰特征量發(fā)生變化，氣動(dòng)外形也發(fā)生變化，其值也相應(yīng)的有所提升。同時(shí)無(wú)因次后緣結(jié)冰厚度ησb的增加也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。

圖14給出了兩次結(jié)冰時(shí)間下無(wú)因次前緣結(jié)冰面積ηSf、無(wú)因次后緣結(jié)冰面積ηSb及無(wú)因次總結(jié)冰面積ηs的關(guān)系圖。可以發(fā)現(xiàn)無(wú)因次后緣結(jié)冰面積ηSf與無(wú)因次前緣結(jié)冰面積ηSb的比例變化較小，無(wú)因次前緣結(jié)冰面積ηSf要遠(yuǎn)大于無(wú)因次后緣結(jié)冰面積ηSb。

圖14 前緣與后緣無(wú)因次結(jié)冰面積Fig.14 Dimensionless icing area at the leading and trailing edge of blade

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)NACA0018翼型和S809翼型進(jìn)行的繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的主要結(jié)論如下：

1)本試驗(yàn)系統(tǒng)具有較高可重復(fù)性，可適用于對(duì)稱翼型與非對(duì)稱翼型的葉片結(jié)冰試驗(yàn)研究；

2)旋轉(zhuǎn)葉片翼型的轉(zhuǎn)速不同，對(duì)結(jié)冰外形形式影響明顯，低轉(zhuǎn)速下葉片冰厚均勻，高轉(zhuǎn)速下葉片前緣結(jié)冰增加，尾緣結(jié)冰減少；結(jié)冰時(shí)間對(duì)葉片結(jié)冰外形形式影響較小，但是隨時(shí)間增加，葉片總量增加；對(duì)稱翼型與非對(duì)稱翼型間結(jié)冰存在較明顯區(qū)別，非對(duì)稱翼型結(jié)冰會(huì)出現(xiàn)前緣結(jié)冰和尾緣結(jié)冰同時(shí)存在的情況；

3)對(duì)于各結(jié)冰特征量，無(wú)因次結(jié)冰面積、無(wú)因次駐點(diǎn)厚度會(huì)隨著結(jié)冰時(shí)間的增加而呈線性增加，而其他結(jié)冰特征量隨時(shí)間變化較小；轉(zhuǎn)速不同對(duì)各結(jié)冰特征量有較明顯的影響，在很大程度上決定了其發(fā)展趨勢(shì)；對(duì)于非對(duì)稱翼型在一定工況下會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)結(jié)冰區(qū)域，需要增加額外的特征量來(lái)分析結(jié)冰特征。

4)旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果還無(wú)法完全反應(yīng)實(shí)際的風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰情況，但實(shí)現(xiàn)縮小后的旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)并建立起與其相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，就可以在之后的工作中通過(guò)選取合適的試驗(yàn)工況，利用相似準(zhǔn)則的方法，對(duì)大型的風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰情況進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，為大型風(fēng)力機(jī)結(jié)冰研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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An icing wind tunnel experiment on the icing distribution of a blade airfoil rotating around a shaft

LI Yan1，2， WANG Shaolong1， FENG Fang2，3， GUO Wenfeng1，2， TAGAWA Kotaro4

(1.Engineering College， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China; 2.Key Laboratory of technology and equipment for the utilization of agricultural renewable resources in Cold Region， Harbin 150030， China; 3.College of Science， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China; 4.Faculty of Regional Sciences， Tottori University， Tottori 6808552， Japan)

To research the icing distribution characteristics on the surface of wind turbine blade airfoils under the rotating conditions， icing wind tunnel tests were performed on blades around a shaft using NACA0018 and S809 airfoils. The testing was based on a self-designed icing wind tunnel experimental system using natural low temperatures in a cold climate. Some typical factors describing icing distribution characteristics on blade airfoil surfaces and an evaluation method for the icing distribution on a blade airfoil were established. The effects of blade airfoil type， chord length， and rotational speed on the icing characteristics were compared. Results show that the system has high repeatability and can be used for icing experiments on the rotating blade airfoils of wind turbines. The rotation speed of the blade airfoil obviously affects ice formation. However， freezing time had little effect on ice formation but increased the amount of ice on the blade airfoil. Typical icing factors on the rotating blade show that the dimensionless icing area and the dimensionless thickness of stagnation increased linearly with the freezing time， while other factors did not change with increasing time. The rotational speed had a noticeable effect on all the typical blade icing factors， which led to the difference in icing characteristics on different parts of the blade on a horizontal wind turbine.

wind turbine; airfoil; icing; rotating around the axis; icing wind tunnel; icing distribution

2016-10-14.

日期：2017-03-17.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51576037).

李巖(1972-)， 男， 教授，博士生導(dǎo)師.

李巖，E-mail：liyanneau@163.com.

10.11990/jheu.201610051

V211.73；V211.1

A

1006-7043(2017)04-0545-09

李巖， 王紹龍， 馮放，等.繞軸旋轉(zhuǎn)翼型結(jié)冰分布的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 38(4): 545-553.

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