结冰粘结特性评估与测试方法研究进展

近年来,全球气候变化加剧,极端天气频繁出现。极寒和结冰等自然灾害给风力机的安全高效运行带来严重影响。探明风力机叶片结冰机理,获得冰与材料之间的粘结特性,是研发经济高效防除冰技术的基础。该文针对目前结冰粘结性的粘结理论、评估指标和测试方法进行梳理,对比分析各种测试方法的特点,为风力机结冰机理研究与防除冰技术开发提供依据。

对称翼型前缘积冰粘结强度试验研究

当飞机在寒冷潮湿的环境中飞行时,机翼前缘有时会出现结冰现象威胁飞行安全。为了发展防冰和除冰技术,有必要对叶片翼型表面覆冰的粘结特性进行研究。本文设计并搭建了叶片翼型覆冰粘结力测量系统,提出了叶片翼型覆冰粘结强度的评估方法,记录和测量了不同条件下NACA0018翼型叶片段上的结冰分布和粘结强度。试验结果表明,结冰时间对冰粘结强度的影响较小。随着环境温度降低,叶片翼型表面冰粘结强度增加,但增长速率减小。此外,随着风速增加,叶片翼型表面冰粘结强度降低。本研究结果为深入探索叶片翼型覆冰粘结机理提供了参考。

小型垂直轴风力机叶片结冰风洞试验与数值计算

利用风洞试验和数值模拟相结合的手段,研究了小型垂直轴风力机叶片在旋转状态下的结冰特性以及结冰后翼型与风力机的气动特性变化,以期为建立较复杂的大型水平轴风力机叶片旋转试验系统和研究其结冰机理、防除冰技术提供参考。试验在东北农业大学自行设计的利用自然低温的结冰风洞中进行,获得了采用NACA0018翼型的小型2叶片垂直轴风力机风轮在5种尖速比下的结冰分布:风力机叶片结冰遍布叶片整个表面,随着尖速比的增大,结冰形状出现不对称性。同时,数值模拟结果表明:叶片结冰后,随着尖速比的增加和结冰量的增多,升力系数降低阻力系数增大的趋势明显,风力机的功率系数也随之下降。分析发现,叶片结冰导致不同旋转角下叶片翼型周围的压力场和速度场发生了不同程度的变化,从而气动特性发生变化,影响了风力机性能。

利用自然低温的风力机结冰风洞实验系统设计

为研究风力机叶片的结冰特性与防除冰方法,设计了一种简便、低成本的结冰风洞实验系统。利用北方冬季的自然低温条件,将常规的开口射流风洞加以改造,安装水雾喷射系统和结冰测试段以提供结冰环境条件。在冬季进行了结冰验证实验,对结冰风洞的3个主要参数:温度稳定性、液态水含量和过冷水滴平均直径进行了测试和标定。结果表明,在环境温度相对稳定的冬季时间段内,主要指标可在一定程度上满足风力机结冰实验要求。

叶片后加小翼垂直轴风力机气动特性数值模拟

为改善直线翼垂直轴风力机叶片周围流场特性,在叶片后部加设辅助小翼调整叶片尾流流场,利用数值模拟方法研究该风力机气动特性。以NACA0018翼型2叶片风力机为对象,辅助小翼与主叶片在同一在旋转圆周上,通过改变小翼与主叶片弦长比和安装角调整小翼与主叶片位置。结果表明,小翼尺度与安装位置对直线翼垂直轴风力机气动特性影响较大,在低尖速比时辅助小翼可改善叶片尾流流场,提高风力机气动特性,功率系数在尖速比从0到获得最大功率系数之前均较不带小翼风力机有不同程度提高,当辅助小翼弦长比为0.4,相对夹角为14°时,对主叶片周围流场改善效果最显著,风力机获得最大功率系数尖速比提前至2.2附近。

圆台型聚风罩对垂直轴风力机起动性的影响

为提高直线翼垂直轴风力机自起动性能,设计可安装在风轮上下两端圆台型聚风罩,收集更大面积来流提高来流风速。针对聚风罩高度、倾角及距风轮距离等主要结构参数作二次正交旋转组合设计,利用三维数值模拟方法计算不同聚风罩结构参数条件下风力机起动力矩,对比分析优化聚风罩结构参数,可有效提升风力机起动力矩。通过分析聚风罩与风轮间流场变化,揭示聚风罩对风力机起动力矩影响机理。

叶片尾缘加弯板垂直轴风力机转矩特性数值模拟

文章提出一种在叶片尾缘加装弯板改善直线翼垂直轴风力机叶片周围流场,提高风力机转矩特性的方法。选取NACA0024和NACA0012两种直线翼垂直轴风力机常用翼型,利用数值模拟计算包括不加装弯板在内具有7种弯板长度2叶片直线翼垂直轴风力机输出转矩特性和静态起动转矩特性。结果表明,在NACA系列对称翼型尾缘加弯板叶片可在一定程度上改善直线翼垂直轴风力机输出转矩特性和静态起动特性。叶片尾缘加装弯板后可在某些旋转角下改变叶片上下表面压力分布,减少涡旋和流动分离产生,提高叶片气动特性,改善风力机转矩特性。研究发现,弯板长度为弦长40%风力机转矩特性改善效果最好,最大输出转矩系数较无弯板风力机提高17%,静态平均起动转矩提高26.4%。

绕轴旋转翼型结冰分布的结冰风洞试验研究

为研究风力机叶片翼型在旋转状态下的结冰分布规律,本文基于利用自然低温的结冰风洞试验系统,对NACA0018翼型和S809翼型进行了绕轴旋转叶片结冰风洞试验,建立了不规则冰形评价方法,对比分析了转速、结冰时间、翼型等参数对叶片翼型结冰分布的影响。试验结果表明:本试验系统具有较好的可重复性,可适用于旋转叶片翼型结冰特性研究;转速对叶片翼型结冰形式影响显著,而结冰时间对其影响不大,但会使结冰量增加;对称翼型与非对称翼型间结冰存在较明显区别,非对称翼型结冰会出现前缘结冰和尾缘结冰同时存在的情况。对于各结冰特征量,无因次结冰面积及无因次结冰驻点厚度随结冰时间增加呈线性增长,但其他特征量随时间变化较小;转速对各结冰特征量有显著影响;对于非对称翼型在一定工况下会出现两个结冰区域,需要增加额外的特征量来描述结冰特征。

直线翼垂直轴风力机起动性的实验研究

为探明直线翼垂直轴风力机的叶片个数对其起动性的影响,设计制作了可更换叶片个数(1～5枚)的风力机模型,通过风洞实验获得了起动力矩与转角的关系曲线,并与用单叶片力矩模拟的结果进行了对比。接着又制作了1台3叶片小型风力机模型,进行了烟线法可视化实验,获得了不同转角下的风力机周围流场迹线图。两项实验结果表明:增加叶片个数可使风力机平均起动性提高,但叶片间相互影响也增加,不同角度下各叶片周围流场受影响程度不同,对叶片受力和风力机起动力矩的影响程度和趋势也不同。

偏心风轮结构对垂直轴风力机气动特性影响数值模拟

为了改善垂直轴风力机气动特性,提出了一种具有偏心结构的直线翼垂直轴风力机风轮形式,通过增大叶片气动力对转轴的作用半径来改善风力机的起动性能和提高输出功率特性.以采用NACA0018翼型的3叶片风力机为对象,利用数值模拟方法计算了具有6种不同偏心量风轮结构的风力机静态起动力矩系数和输出功率系数,分析了不同偏心量对风力机气动特性的影响规律.计算结果表明:适当的偏心量可消除在某些方位角处的反向力矩,使静态力矩系数波动变得平滑,从而有效改善直线翼垂直轴风力机整体起动性能.同时,适当的偏心量还可有效提高风力机的输出功率特性,最大功率系数可提高12%.

小型水平轴风力机导流罩结冰的风洞试验

利用风洞试验对小型水平轴风力机的导流罩结冰现象进行了测试和分析。试验在冬季进行,在风洞吹出口附近安装了水滴流量可控的喷水装置来模拟结冰环境。试验中的水滴流量分别为0.5,1 L/min,风速为4～12 m/s,间隔1 m/s。在相同水滴流量情况下,随着风速的增加,导流罩的结冰率呈增大的趋势;在同一风速条件下,大水滴流量下导流罩的结冰率比小水滴流量的大,而且这种趋势在低风速时较为明显。

基于烟线法的直线翼垂直轴风力机静态流场可视化试验

为探明直线翼垂直轴风力机自起动性能与风力机叶片迎风角度的关系,设计制作了一台具有3枚NACA0018翼型叶片的直线翼垂直轴风力机模型。通过风洞试验测试了直线翼垂直轴风力机在不同风速下自起动性与叶片迎风角度的关系;利用烟线法对风力机的静态流场进行了可视化试验,获得了不同叶片迎风角度下风力机周围流场的流迹线图像;分析了风力机自起动性与叶片翼型、叶片个数、叶片受力情况和周围流场的关系。

叶片附着物对直线翼垂直轴风力机性能的影响

采用黏土作为附着物模拟了直线翼垂直轴风力机叶片表面前缘的结冰情况,并通过风洞试验测试分析了附着物对自行设计制作的直线翼垂直轴风力机模型转速和功率特性的影响.结果表明:附着物的存在降低了风力机的稳定转数、减少了输出功率,且随着附着质量的增加和风速的增大,影响效果越明显.通过将同等质量的黏土附着在叶表和嵌入叶片内的对比试验表明:在本试验条件下,附着物质量轻时,附着质量与翼型变化对风力机性能的影响基本为同等程度;随着附着物质量的增加,附着质量对风力机性能的影响占居主导地位.

具有叶片尾缘弯板结构垂直轴风力机气动特性研究

以采用NACA0018翼型的两叶片直线翼垂直轴风力机为对象,在叶片尾缘部分安装弯板以改善其气动特性。利用数值模拟方法对弯板的主要结构参数进行研究,计算具有7种弯板长度、7种弯板宽度和5种弯板弯曲度风力机的动态输出功率特性和静态启动特性。选取其中具有最优弯板结构的风力机,对其在不同方位角下的受力情况和动静态流场进行分析。结果表明,当弯板长度在30%~40%叶片弦长,宽度在5%~15%叶片弦长,弯曲方向与叶片弦长夹角在20°~40°时对风力机气动特性的改善效果最佳。

基于超声微振动的平板防冰风洞实验研究

为了开发基于超声微振动的风力机叶片防除冰技术,对铝制平板进行了风洞结冰试验研究。试验在利用自然低温的结冰风洞中进行,以铝板表面的结冰分布与结冰厚度为主要参数,测试了不同超声波频率产生的微振动对铝板结冰分布情况与结冰厚度的影响。结果表明:超声微振动可以降低结冰表面的粗糙度和结冰厚度;当振动频率为25.6kHz和33kHz时,抑制铝板结冰的效果较好,结冰厚度的抑制率分别为26.88%和23.7%,验证了超声波微振动可在一定程度上抑制铝板结冰生长,为超声微振动法在风力机叶片防除冰领域的应用提供了理论和实验基础。

垂直轴风力机叶片表面结冰的风洞试验

为研究垂直轴风力机叶片表面结冰的规律以及结冰对其性能的影响,对采用NACA0018翼型的风力机叶片进行了风洞结冰试验研究。在风洞试验段内安装了喷水装置,室外的寒冷空气被吸入风洞后与过冷水滴一起吹向叶片并碰撞结冰。测试了不同水滴流量和叶片攻角下的叶表结冰分布及叶片的升阻力系数变化。在一定攻角范围内,叶表结冰量随翼型迎风面积增加而增加;结冰后的阻力系数增大,升力系数减小,叶片的气动特性降低。

旋转叶片结冰风洞试验研究

水平轴风力机叶片结冰研究是当前以及未来风力机可靠性研究的一个重要方向。本研究旨在搭建一套可模拟绕轴旋转状态下的玻璃钢叶片结冰试验系统并对其进行验证,为实际风力机叶片缩比模型结冰风洞试验提供研究基础。试验系统采用自行设计的基于自然低温的结冰风洞试验系统以及旋转叶片试验台,对翼型为NACA0018的玻璃钢叶片进行绕轴旋转结冰风洞试验。结果表明:在不同环境工况下,叶片的结冰形状虽然不规则,但仍有一定的规律性,通过建立冰形评价方法可以获得其典型特征量的变化趋势。利用回归正交实验设计,将无因次结冰面积与无因次结冰驻点厚度这两个典型特征量作为响应值,获得了结冰规律曲线,与试验值相比在一定范围内具有较高的重合度。本试验系统可用于进行风力机叶片结冰研究,本研究结果可为叶片的防除冰提供参考。