典型風(fēng)力機(jī)翼型結(jié)冰特性分析

程杰 來(lái)永斌 王龍 武浩 李亮

摘要：針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)冰會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的功率輸出、危害風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行的情況，采用計(jì)算流體力學(xué)方法研究了典型的風(fēng)力機(jī)翼型的結(jié)冰特性。首先，對(duì)攻角分別為0°，4°，8°的NACA0012翼型水滴撞擊特性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明了計(jì)算方法的正確性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同風(fēng)速和不同溫度下的典型風(fēng)力機(jī)葉片表面的覆冰進(jìn)行了模擬研究，得到了水收集系數(shù)和結(jié)冰厚度隨溫度和速度的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：風(fēng)速增加導(dǎo)致葉片表面結(jié)冰厚度增加，結(jié)冰附著面積增加;溫度降低導(dǎo)致葉片表面結(jié)冰厚度增加;S801翼型的抗冰效果明顯大于S802翼型的抗冰效果。研究結(jié)果有利于在低溫環(huán)境中合理選擇翼型，為降低葉片結(jié)冰危害程度提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電工程;風(fēng)力機(jī);翼型結(jié)冰;水滴收集系數(shù);計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類號(hào)：V211.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

CHENG Jie，LAI Yongbin，WANG Long，et al.Study on the icing characteristics of typical wind turbine[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2019，40（1）：9-14.Study on the icing characteristics of typical wind turbine

CHENG Jie1， LAI Yongbin1， WANG Long1， ?WU Hao1， LI Liang2

（1 School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui 232001， China;2 School of Mechanics and Optoelectronic Physics， Anhui University of Science and Technology， ?Huainan， ?Anhui 232001， China）

Abstract：The icing of wind turbine blade will seriously affect the power output of wind turbine and endanger the safe operation of wind turbine. Computational fluid dynamics （CFD） is used to study the icing characteristics of typical wind wing. Firstly， the impact characteristics of water droplets on NACA0012 type turbine under different attack angle of 0°，4°，8°are calculated. The calculated results are in good agreement with the experimental results， which shows that the calculation method is correct， and， the ice coating on the blade surface of typical wind turbine with different wind speed and temperature was simulated， and the variation trend of water collection coefficient and ice thickness with temperature and velocity was obtained. The results show that： 1） with the increase of wind speed， the ice thickness of blade surface increases and the icing adhesion area increases; 2） with the decrease of temperature， the ice thickness of blade surface increases; and 3） the anti-ice effect of S801 airfoil is obviously greater than that of S802 airfoil. The research result helps logically select turbine under low temperature conditions， providing reference for lowering the blade icing hazard.

Keywords：project for power generation; wind turbine; turbine blade icing; water drop collection coefficient; computational fluid dynamics

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔無(wú)污染、可持續(xù)的新型能源，可用來(lái)緩解對(duì)常規(guī)能源的依賴。中國(guó)風(fēng)電行業(yè)起步較晚，卻取得了驚人的成績(jī)，風(fēng)電場(chǎng)遍布全國(guó)各地。風(fēng)力機(jī)通常工作在野外，工作環(huán)境惡劣，尤其在中國(guó)北方地區(qū)，風(fēng)電機(jī)組經(jīng)常會(huì)在低溫環(huán)境下工作，并極有可能會(huì)遭遇結(jié)冰現(xiàn)象，增加了部件的不平衡性和疲勞程度。因此研究風(fēng)力機(jī)翼型結(jié)冰特性，可為風(fēng)力機(jī)防除冰提供數(shù)據(jù)支持，降低風(fēng)力機(jī)在結(jié)冰條件下發(fā)生故障的可能性。

數(shù)值模擬方法是結(jié)冰研究最常用的方法，國(guó)外首先采用了數(shù)值模擬方法對(duì)結(jié)冰翼型進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，國(guó)內(nèi)數(shù)值模擬研究也在不斷發(fā)展。SHIN等[1]提供了一種翼型前緣結(jié)冰表面粗糙度的測(cè)量方法，證實(shí)了光滑和粗糙冰區(qū)的存在，并指出結(jié)冰表面粗糙度受溫度和空氣的液態(tài)含水量的影響較大，受風(fēng)速的影響不大;SON等[2]對(duì)翼型結(jié)冰增長(zhǎng)進(jìn)行了定量分析，并開發(fā)出相關(guān)的翼型結(jié)冰數(shù)值模擬軟件;BOSE等[3-4]研究了小型水平軸風(fēng)力機(jī)覆冰的過程， 對(duì)葉片表面的覆冰做了分析，給出了覆冰過程中風(fēng)力機(jī)輸出功率的變化;FORTIN 等[5]利用CFD技術(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)過程中的覆冰過程進(jìn)行了模擬，對(duì)覆冰后風(fēng)力機(jī)葉片的性能進(jìn)行了相應(yīng)的分析。FU等[6]通過Fluent計(jì)算空氣和水的兩相流動(dòng)，進(jìn)行了霜冰的外形和質(zhì)量積累的仿真計(jì)算。HOMOLA等[7]利用結(jié)冰軟件模擬翼型結(jié)冰，并通過Fluent軟件對(duì)比了結(jié)冰前后翼型氣動(dòng)性能的變化。KRAJ等[8]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)渦輪機(jī)葉片結(jié)冰進(jìn)行研究，指出葉片上冰的黏附力與附著面積與環(huán)境的溫度成比例關(guān)系。馬強(qiáng)等[9]采用Fluent中的歐拉多相流模型，通過添加質(zhì)量傳遞以及對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算模型等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片表面覆冰的二維數(shù)值模擬，得到了葉片表面覆冰狀況?？诐M昭等[10]應(yīng)用fensapice結(jié)冰計(jì)算軟件，對(duì)NACA0012翼型進(jìn)行了結(jié)冰過程的模擬研究，同時(shí)對(duì)翼型結(jié)冰前后的氣動(dòng)特性作了比較和分析，發(fā)現(xiàn)翼型表面在結(jié)冰后，會(huì)導(dǎo)致翼型前緣氣流提前分離，并嚴(yán)重破壞其氣動(dòng)性能。桑為民等[11]對(duì)于霜狀結(jié)冰， 在給定的結(jié)冰氣候條件下， 采用數(shù)值方法， 預(yù)測(cè)整個(gè)結(jié)冰過程，并分析不同形狀的冰型對(duì)翼型繞流及氣動(dòng)特性的影響。邵曉海等[12]采用歐拉兩相流法研究了冷水滴撞擊翼型表面的收集特性，結(jié)果表明，平均水滴直徑越大，局部水滴收集系數(shù)和撞擊區(qū)域越大。李巖等[13]利用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，研究了小型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的結(jié)冰特性以及結(jié)冰后翼型氣動(dòng)特性變化，指出葉片結(jié)冰導(dǎo)致不同旋轉(zhuǎn)角下葉片翼型周圍的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)發(fā)生了不同程度的變化，從而氣動(dòng)特性發(fā)生變化，影響了風(fēng)力機(jī)性能。

河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2019年第1期程杰，等：典型風(fēng)力機(jī)翼型結(jié)冰特性分析筆者采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型表面進(jìn)行結(jié)冰情況的模擬研究，分析溫度和來(lái)流速度對(duì)翼型表面冰層增長(zhǎng)的影響，對(duì)比不同翼型在相同條件下的結(jié)冰情況。

1結(jié)冰計(jì)算的原理及過程

1.1空氣流場(chǎng)的計(jì)算

通過求解空氣流體的控制方程得到翼型的外繞流流場(chǎng)，采用無(wú)量綱化積分形式的N-S方程[14-15]：t∫∫ΩQdV+∫αΩF（Q）·ndS=∫αΩG（Q）·ndS，（1）式中：Ω是控制體;Ω是對(duì)應(yīng)的邊界;Q是守恒變量;F是無(wú)黏通量;G是黏性通量;n是控制體外法線向量，其中：Q=ρ

1.2水滴運(yùn)動(dòng)方程與冰形計(jì)算

分別跟蹤每一個(gè)水滴的運(yùn)動(dòng)并做出如下假設(shè)：1）水滴在運(yùn)動(dòng)過程中，體積保持不變;2）水滴在撞擊過程中不破裂，不濺射;3）水滴初始速度與自由來(lái)流的速度相等，水滴在運(yùn)動(dòng)過程中不影響流場(chǎng)的性質(zhì)。在計(jì)算水滴運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，考慮作用在水滴上的重力、浮力和阻力的影響，則根據(jù)牛頓第二定律，水滴運(yùn)動(dòng)方程可寫作式（5）。Mdd2xddt2=12ρa(bǔ)AdCd|u-ud|（u-ud）+（ρd-ρa(bǔ)）Vdg。（5）上述各項(xiàng)含義可參見文獻(xiàn)＼[12＼]。

結(jié)冰過程采用Messinger 控制容積思想，結(jié)冰厚度計(jì)算可參見文獻(xiàn)＼[16＼]。

2計(jì)算結(jié)果和分析

2.1流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

使用Ansys軟件劃分計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格，對(duì)弦長(zhǎng)為1 m的S801和S802翼型分別進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，計(jì)算區(qū)域尺寸為30 m×18 m×18 m，其中入口邊界距離葉片10 m，出口邊界距離葉片20 m，上下邊界距離葉片9 m。網(wǎng)格總數(shù)約為50萬(wàn)。網(wǎng)格的劃分結(jié)果如圖1所示。

2.2算例驗(yàn)證

首先對(duì)NACA012翼型進(jìn)行了水滴特性的計(jì)算，翼型弦長(zhǎng)c=0533 4 m，來(lái)流馬赫數(shù)Ma=0302，攻角AOA分別選取0°，4°，8°，水滴的當(dāng)量直徑MVD=20 μm，空氣中液態(tài)水含量為1 g/m3。圖2給出了不同攻角下的水滴表觀密度ρd的分布云圖。從圖2中可見，隨著攻角的增加，上翼型表面的陰影區(qū)區(qū)域逐漸增加，下翼型表面的陰影區(qū)域范圍逐漸減小。圖3給出了不同攻角下翼型的水收集系數(shù)的分布，橫坐標(biāo)中的S為該單元的中心點(diǎn)到駐點(diǎn)的距離，本文將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)＼[17＼]結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。圖3中可見，水滴局部收集系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了本文計(jì)算方法的正確性。通過圖中不同攻角下的水收集系數(shù)的結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)最大水收集系數(shù)不受攻角變化的影響，均保持在0.7附近。攻角增大，最大水收集系數(shù)點(diǎn)將向右偏離駐點(diǎn)，實(shí)際情況則是沿著葉片上表面向上移動(dòng)。

2.3S801和S802翼型計(jì)算結(jié)果及分析

在0°攻角時(shí)，對(duì)溫度為263.15 K，來(lái)流速度為10，15和20 m/s，以及來(lái)流速度為20 m/s、不同溫度兩種情況分別對(duì)S801和S802翼型進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算過程中其他計(jì)算參數(shù)如表1所示。

結(jié)冰時(shí)間/s弦長(zhǎng)/m來(lái)流壓強(qiáng)/Pa空氣含水量/（g·m-3）水滴當(dāng)量直徑/μm4201101 325120

2.3.1不同風(fēng)速下的結(jié)冰對(duì)比

局部水收集系數(shù)對(duì)結(jié)冰計(jì)算至關(guān)重要，分別對(duì)不同風(fēng)速下葉片局部的水收集系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，圖4給出了S801和S802翼型在溫度為263.15 K，來(lái)流速度分別為10，15和20 m/s時(shí)，其他計(jì)算參數(shù)和表1相同條件下葉片的水收集系數(shù)變化趨勢(shì)。為方便比較，橫坐標(biāo)采用翼型表面單元的中心點(diǎn)到駐點(diǎn)的距離與翼型弦長(zhǎng)的比值，用“S/c”表示。從圖4中可以看出，隨著速度的增加水收集系數(shù)也在不斷增加，這與水滴計(jì)算的假設(shè)條件相關(guān)。在假設(shè)條件中，水滴不破裂，水滴不會(huì)濺射，隨著速度增大水滴的慣性也會(huì)增大，水滴撞擊翼型表面時(shí)的趨勢(shì)也會(huì)增加，最終導(dǎo)致收集系數(shù)增大[18]。因?yàn)橹豢紤]0°攻角的情況，故水收集系數(shù)最大位置點(diǎn)均集中在駐點(diǎn)附近。另外，對(duì)比S801和S802翼型的水收集系數(shù)，可以看出S802翼型的水收集系數(shù)最大值在相同的條件下，均大于S801翼型的水收集系數(shù)的最大值，兩者水收集系數(shù)的最大值相差1.5倍左右。

圖4水收集系數(shù)

Fig.4Coefficient of local water collection

風(fēng)速是影響葉片表面結(jié)冰的重要因素，圖5給出了在溫度為263.15 K時(shí)，來(lái)流速度分別為10，15和20 m/s，其他參數(shù)與表1相同的條件下的S801和S802翼型前緣表面的結(jié)冰厚度變化圖。從圖中可以看出，隨著速度不斷增加翼型的最大結(jié)冰厚度也在不斷增加，結(jié)冰最大位置點(diǎn)都在集中駐點(diǎn)附近。隨著風(fēng)速的增大，單位時(shí)間內(nèi)葉片表面收集到的水滴數(shù)就越大，從而導(dǎo)致結(jié)冰量增加。隨著風(fēng)速增加，水滴在空氣剪切應(yīng)力和壓力作用下沿翼型上下表面運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)，此外低溫導(dǎo)致水滴凝結(jié)成冰，從而冰形覆蓋范圍更廣[19]。對(duì)比不同翼型的最大結(jié)冰厚度可以明顯看出，在相同條件下S802翼型最大結(jié)冰厚度均比S801翼型的最大結(jié)冰厚度大， S801翼型前緣結(jié)冰附著面較大，S802翼型前緣結(jié)冰較集中，兩種翼型的最大結(jié)冰厚度相差1.5倍左右。

2.3.2不同溫度下的結(jié)冰對(duì)比

溫度是影響結(jié)冰厚度的重要因素，溫度的不同會(huì)對(duì)結(jié)冰速度產(chǎn)生影響。在來(lái)流風(fēng)速為20 m/s，其他條件和表1相同，分別對(duì)S801和S802翼型在溫度不同的情況下進(jìn)行了模擬研究，溫度條件設(shè)置為243.15，248.15，253.15，258.15，263.15和268.15 K。

圖6給出了S801和S802翼型葉片表面在不同溫度下結(jié)冰厚度的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出，隨著溫度的降低翼型的表面最大結(jié)冰厚度在不斷增加，在263.15～273.15 K之間冰厚會(huì)變化比較明顯，計(jì)算條件溫度的變化使得結(jié)冰的類型發(fā)生了改變[20]，溫度的不斷降低使得結(jié)冰類型從明冰向霜冰發(fā)生轉(zhuǎn)變，冰面的粗糙程度不斷加大，最終導(dǎo)致了溫度在263.15和273.15 K時(shí)結(jié)冰厚度的劇烈變化。

筆者首先在算例部分給出了軟件計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，驗(yàn)證了計(jì)算過程的正確性，再經(jīng)過數(shù)值模擬方法對(duì)S801翼型葉片和S802翼型葉片進(jìn)行模擬，計(jì)算了不同風(fēng)速下兩種翼型水收集系數(shù)的變化趨勢(shì)，分析了在不同溫度和不同風(fēng)速下的葉片前緣結(jié)冰厚度的變化，得到如下結(jié)論。

1）風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)前緣葉片表面的水收集系數(shù)影響較大，隨著速度的增加，葉片表面水收集系數(shù)在不斷增大。對(duì)比兩種翼型的計(jì)算結(jié)果可以看出，S802翼型的水收集系數(shù)要大于S801翼型。

2）風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片前緣表面結(jié)冰厚度有較大的影響，風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致葉片前緣結(jié)冰厚度增加，結(jié)冰附著面積加大，且前緣表面結(jié)冰厚度變化的趨勢(shì)和表面水收集系數(shù)變化趨勢(shì)一致，反映出水收集系數(shù)對(duì)葉片表面結(jié)冰的影響。

3）溫度是影響葉片表面結(jié)冰的另一個(gè)重要因素，溫度的降低會(huì)導(dǎo)致葉片結(jié)冰厚度的增加。

4）不同種翼型對(duì)結(jié)冰的抗性不同，在相同條件下S801翼型的抗冰性能要優(yōu)于S802翼型的抗冰性能。

本文為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，采用二維截?cái)嗄Ｐ偷玫搅藴囟群蛠?lái)流風(fēng)速對(duì)兩種翼型的影響結(jié)果，為解決工程實(shí)際問題提供了參考依據(jù)。但在計(jì)算過程中，水滴假設(shè)為球形，與實(shí)際情況可能存在一定偏差，對(duì)結(jié)果有一定的影響，后續(xù)工作尚需改進(jìn)。

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2019年2月Journal of Hebei University of Science and TechnologyFeb. 2019