风力发电机叶片覆冰的仿真分析及试验验证

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1、风力发电机叶片覆冰的仿真分析及试验验证重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：杨爽指导教师：胡琴副教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年五月NumericalStudyofIcingonwindturbineAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofElectricalEngineeringByShuangYangSupervisedbyProf.QinHuSpecialty:E

2、lectricalEngineeringSchoolofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要风力发电机叶片是风力发电机正常运行的关键部件之一，其性能的好坏直接影响到整机运行的稳定性。叶片表面覆冰会改变叶片形状，导致叶片荷载不平衡以及影响电力输出等危害。研究风力发电机叶片的覆冰特性，对发展合理的防冰除冰方法十分重要。目前对于风力发电机叶片覆冰的研究多为仿真研究，且大量的仿真分析为二维仿真，与实际情况情况相差较大，因为二维模拟忽

3、略了一个风机绕流场的里的一个关键因素，即由旋转的叶片所产生的径向气流，这种具备三个方向的复杂流场只能通过三维模拟得到。因此，区别于大量二维仿真的风力机叶片覆冰研究，本文主要针对NE-100S风力发电机叶片和NACA0012翼型的覆冰过程进行了三维及二维仿真模拟，利用Fluent软件分析了风力发电机运行状态下的外流场两相流情况，利用Matlab软件模拟了不同参数条件下的叶片覆冰情况，分析了覆冰增长过程及覆冰特性。参数条件包括叶片攻角、尺寸、环境温度、相对风速及过冷却水滴中值直径，对水滴轨迹和覆冰热平衡过程造成的影响分别作了讨论，且在多功能人工气候室进行

4、了试验验证。主要研究成果有：①运用多重参考系模型(MRF)及离散相模型(DPM)计算风力机外部两相流场，求得三维水滴局部碰撞系数，基于控制体思想及热力学平衡方程求解水滴冻结系数，利用覆冰模型计算覆冰冰型。且利用风力发电机叶片覆冰试验验证了该模型的仿真计算结果。②叶尖覆冰严重，叶根覆冰较轻。因为单位时间内，叶尖处扫过的面积最大，水滴碰撞量最多。迎风面覆冰严重，背风面几乎没有覆冰。覆冰出现在迎风面及叶片前缘，背风面少量覆冰出现在背风面靠近叶片前缘的地方，迎风方向是覆冰最易增长方向。③攻角越小，覆冰越集中于叶片前缘，攻角越大，叶片迎风面的覆冰量越平均。水滴

5、碰撞率由于叶片尺寸的增加而略有减少。④当相对风速为0~50m/s，覆冰区域和覆冰量均随相对风速的增大而增大，当MVD在20~800μm时，随MVD的增大，上表面覆冰区域先增大后减小，下表面覆冰区域增大，覆冰量先增大后保持不变；温度对覆冰区域影响不明显，但会影响水滴冻结的热平衡过程，从而使覆冰量随着温度的降低而增大。本文的研究结果对进一步分析风力发电机的覆冰特性具有重要的参考价值，对发展合理的防冰除冰方法提供了重要依据。关键词：风力机叶片，两相流，水滴运动轨迹，覆冰增长，数值计算I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTThebladeofwind

6、turbineisoneofthekeycomponentstoensurethenormaloperationofthewindturbinesystem.Theperformanceofbladehassignificanteffectonthestabilityofthemachinedirectly.Thereductionofpoweroutputandtheshortenedlifespanofwindturbinebladescanbecausedbythechangesofairfoilgeometrywithicedepositon

7、blade.Therefore,itisnecessarytostudyonicegrowthofwindturbinewhichcanoffertechnicalreferencesforanti-icingandde-icingofwindturbine.Simulationisthemajorapproachforthestudyofwindturbineblades’icing.Andmostresearchfocusonthe2-Dsimulation.However,therotatingflowfieldconsistsofaxialf

8、low,tangentialflowandradialflow.Radialflowistheonewhic