垂直轴风机叶片覆冰数值模拟及其气动性能研究

张汉文，罗日成，刘志勇，姜贻哲

（长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410114）

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近年来，我国风电场建设速度较快，在中南、西南等地区新建了多个风电场基地，但这些地区春冬季节的湿冷气候也使得风力发电机面临着严峻的覆冰问题[1]，[2]。风力发电机覆冰的主要危害体现在风机叶片气动性能下降导致风机出力降低，风机荷载增大造成主轴磨损加剧以及覆冰可能会在风机旋转过程中甩出发生安全事故[3]，[4]。

风机叶片覆冰是指叶片在旋转过程中持续捕获空气中的过冷却水滴而在其表面发生冻结的物理现象。这个过程中影响风机叶片覆冰的因素包括环境因素和自身因素。环境因素包括风速、气温、湿度等。自身因素包括翼型、叶片尺寸、叶片数量、叶片表面涂层、叶尖速比λ等。

由于试验条件、经费等因素限制，目前国内外学者主要采用数值模拟法来研究风机叶片的覆冰问题。数值模拟法是指通过计算机软件建立风机的几何模型，利用有限元法划分网格，再分别对空气流场、水滴碰撞以及质量和热量的传递过程进行计算，从而获得叶片表面的覆冰增长过程。文献[5]通过LEWICE系统将三维旋转叶片覆冰问题简化为二维叶片覆冰问题，并通过试验验证了该模型模拟雾凇覆冰的准确性。文献[6]基于二维覆冰模型完成了对风机的雨淞、雾凇覆冰的模拟，并计算分析了风机在覆冰工况下的转矩损失。文献[7]基于气液两相流和Messinger模型建立了水平轴风机的三维雨淞覆冰预测模型，并对小型水平轴风力机进行了人工覆冰试验验证。……