風(fēng)機(jī)葉片覆冰機(jī)理與預(yù)測分析

于東瑋， 司廣全， 孔祥逸， 溫建民，陳 鋒， 張大勇*，5， 操太春，2

(1.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 盤錦 124221； 2.大連理工大學(xué) 運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部，大連 116023;3.中國華能集團(tuán)公司火電建設(shè)中心，北京 100031；4.新疆金風(fēng)科技股份有限公司，烏魯木齊 830026；5.大連理工大學(xué) 寧波研究院，寧波 315000)

1 引 言

近些年，化石燃料的應(yīng)用對生態(tài)環(huán)境造成大量的負(fù)面影響，可再生能源越來越受到各國的關(guān)注。其中，風(fēng)能作為一種可再生能源，已在全世界范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國的風(fēng)機(jī)主要集中在東北、華北、西北以及近海岸區(qū)域，這些地區(qū)的風(fēng)機(jī)有較長時(shí)間處于寒冷與潮濕環(huán)境中[1]，同時(shí)，經(jīng)常遭遇凍雨、凍霧和降雪等天氣，且伴隨著風(fēng)機(jī)發(fā)電裝備的覆冰現(xiàn)象。

葉片覆冰是降低風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)性能與發(fā)電效率的最主要原因[2]。風(fēng)機(jī)葉片表面覆冰后會(huì)改變氣動(dòng)性能，從而降低風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率[3]。同時(shí)，覆冰會(huì)引起葉片載荷增大和質(zhì)量分布不平衡，從而使結(jié)構(gòu)本身的固有頻率有所改變，可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片在運(yùn)行中產(chǎn)生共振響應(yīng)[4]。因此，風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)必須滿足在高寒環(huán)境中安全運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。風(fēng)機(jī)通過結(jié)冰的預(yù)警與管理技術(shù)，以提升風(fēng)機(jī)在寒區(qū)的發(fā)電效率。

文獻(xiàn)[5,6]使用小尺度模型在風(fēng)洞中進(jìn)行了結(jié)冰研究。然而，Aanderson等[7]研究發(fā)現(xiàn)，相似參數(shù)尚不完善，比例模型得到冰形狀與全尺寸模型不同。此外，由于冰風(fēng)洞大小的限制，全尺寸的測試是不可行的。并且，模型試驗(yàn)研究很難控制氣象參數(shù)和提取冰形數(shù)據(jù)[8]。所以，數(shù)值模擬得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代早期，數(shù)值結(jié)冰模擬已經(jīng)應(yīng)用于航空領(lǐng)域。后來，飛機(jī)結(jié)冰模擬的方法應(yīng)用于風(fēng)電結(jié)冰模擬。早期的二維結(jié)冰模擬方法采用歐拉方程應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)解算器中，采用拉格朗日方程追蹤水滴，利用Messinger模型[9]進(jìn)行水碰撞相變預(yù)測。90年代，三維結(jié)冰模擬開始應(yīng)用，建立Navier-Stokes(RANS)方程應(yīng)用于氣動(dòng)領(lǐng)域。FENSAP-ICE[10]和ICECREMO[11]是代表基于RANS的三維結(jié)冰仿真軟件。Wright等[12]采用實(shí)驗(yàn)完成兩次風(fēng)機(jī)葉片覆冰模擬，Ruff等[13]采用LEWICE進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片覆冰模擬，Heloise等[14]采用FENSAP-ICE進(jìn)行葉片覆冰模擬，Son等[15]開發(fā)新的模擬代碼進(jìn)行葉片覆冰模擬。FENSAP-ICE可以獲取比較準(zhǔn)確的結(jié)果，如圖1所示。

圖1 NACA0012翼型上覆冰形狀

風(fēng)力機(jī)葉片覆冰的研究在我國發(fā)展較晚，針對葉片覆冰的數(shù)值模擬研究主要基于飛機(jī)結(jié)冰環(huán)境條件，研究機(jī)理也大多參照飛機(jī)的結(jié)冰條件。但是，兩者的覆冰過程有較大區(qū)別。對于是否可以完全借鑒飛機(jī)結(jié)冰的研究成果還尚未明確。因此，風(fēng)機(jī)葉片覆冰機(jī)理與數(shù)值預(yù)測研究還需進(jìn)一步開展。首先，本文進(jìn)行氣象學(xué)的結(jié)冰環(huán)境分析；然后，根據(jù)氣象觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)冰氣象條件；最后，通過FENSAP -ICE對風(fēng)機(jī)葉片的覆冰模型進(jìn)行預(yù)測分析。

2 風(fēng)機(jī)葉片覆冰機(jī)理

2.1 覆冰機(jī)理

冰是受到低溫影響，由液體進(jìn)行放熱后固化的產(chǎn)物。目前，對于風(fēng)機(jī)葉片覆冰問題大都基于飛機(jī)高空飛行覆冰機(jī)理進(jìn)行研究[16]。雖然兩者覆冰機(jī)理相同，從微觀來看都是結(jié)構(gòu)捕獲大量過冷水滴后在結(jié)構(gòu)表面凍結(jié)的過程。但是，風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰與飛機(jī)結(jié)冰的氣象條件和過程有較大差別[17]。飛機(jī)結(jié)冰環(huán)境條件是由水汽團(tuán)冷凝和冰晶等大氣懸浮物組成，覆冰過程的主要特點(diǎn)是過冷水滴與結(jié)構(gòu)表面短時(shí)間的高速撞擊。而風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰氣候條件是由冷凍的細(xì)雨、濕雪或結(jié)冰霧、云和霜等水汽凝結(jié)物沉積形成[18]，覆冰主要特點(diǎn)是過冷水滴與結(jié)構(gòu)表面長時(shí)間慢速撞擊的過程。飛機(jī)結(jié)冰研究已經(jīng)有大量成熟成果[19-21]。但是，在雨和霜條件下，風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰機(jī)理及冰形預(yù)測研究較少，還未形成風(fēng)機(jī)結(jié)冰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

風(fēng)機(jī)葉片覆冰氣象條件需要滿足凍結(jié)水滴氣溫(0 ℃以下)和大氣中含有三種狀態(tài)水(水蒸氣、液態(tài)水和固態(tài))。風(fēng)機(jī)在高寒潮濕地區(qū)工作時(shí)，大氣環(huán)境中的過冷水滴會(huì)隨風(fēng)飄過風(fēng)機(jī)。由于不同直徑水滴具有不同質(zhì)量和慣性力，撞擊葉片時(shí)具有不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。這些決定了冰量、冰厚及冰密度等覆冰類型。因此，需要明確葉片覆冰的環(huán)境條件以及不同的覆冰類型。

2.2 結(jié)冰環(huán)境條件

據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)冰時(shí)氣溫范圍在-20 ℃～0 ℃。氣溫低于-20 ℃時(shí)，空氣因?yàn)楹涠^干燥，缺少過冷水滴不易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象[22]。雨凇與霧凇是危害較大的兩種冰形，其形成的條件主要受溫度和風(fēng)速影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，兩者一般只能形成于氣溫在0 ℃～-10 ℃的雨和霧天氣中[23]。雨凇與霧凇的區(qū)別主要在于過冷卻水滴的直徑不同，雨滴的直徑在0.1 mm～8 mm，而霧滴的直徑在 3 μm～100 μm。當(dāng)過冷水滴接觸到溫度低于冰點(diǎn)的物體上，就會(huì)迅速結(jié)冰。然而，大直徑的過冷雨滴接觸物體表面后會(huì)形成雨凇；小直徑的過冷霧滴接觸物體表面后會(huì)形成霧凇。

過冷水滴形成凍雨、凍毛毛雨和凍霧的持續(xù)時(shí)間一般不超過2 h。凍霧發(fā)生時(shí)的風(fēng)速在0 m/s～2 m/s，溫度在-20 ℃～-1 ℃。凍雨與凍毛毛雨發(fā)生時(shí)的風(fēng)速在2 m/s～10 m/s，溫度在-5 ℃～-1 ℃[24]。

2.3 覆冰類型

風(fēng)機(jī)葉片覆冰類型主要是由環(huán)境因素和葉片幾何參數(shù)不同引起。不同覆冰類型對風(fēng)機(jī)葉片的危害程度不同。葉片覆冰按照形態(tài)和危害通常分為雨凇、混合凇、霧凇、積雪和白霜[25]。

雨凇是物體表面形成的清澈光滑透明的冰體。主要特點(diǎn)是液態(tài)水含量高及過冷水滴直徑較大。雨凇形成過程是由一部分過冷水滴在撞擊葉片表面時(shí)凝結(jié)成冰，另一部分過冷水滴在未結(jié)冰之前繼續(xù)沿著物體表面移動(dòng)，形成一種玻璃狀光滑透明、高密度、塊狀形狀的冰層。雨凇具有堅(jiān)硬和較高的附著壓力特性，也是最嚴(yán)重的一種覆冰形式。因此，雨凇對風(fēng)機(jī)葉片的機(jī)械負(fù)荷與氣動(dòng)性能的影響最大。

混合凇是雨凇與霧凇混合凍結(jié)的不透明或半透明冰，密度為0.5 g/cm3～0.9 g/cm3，主要特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的附著壓力。

霧凇是小直徑的過冷水滴接觸物體表面形成放射狀的結(jié)晶，主要特點(diǎn)是具有較弱的附著壓力。霧凇是我國北方冬季常見的一種自然現(xiàn)象，形成條件與雨凇相比，大氣溫度較低。

以上分析發(fā)現(xiàn)，不同覆冰類型的環(huán)境條件不同。雨凇在密度、堅(jiān)硬程度和附著壓力等特性上均大于其他類型覆冰。風(fēng)機(jī)葉片覆冰生長過程可以通過熱平衡及流體力學(xué)理論對覆冰的形成機(jī)理及過程進(jìn)行分析[26]。本文主要針對雨凇環(huán)境條件下的風(fēng)機(jī)葉片覆冰過程，開展冰形和冰厚等預(yù)測分析。

3 覆冰數(shù)值仿真模型

風(fēng)機(jī)葉片覆冰后質(zhì)量分布與翼型重構(gòu)是關(guān)鍵問題，通過本文對風(fēng)機(jī)葉片覆冰機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)與風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰在機(jī)理上是相同的，但兩者在導(dǎo)致覆冰的環(huán)境條件方面差別較大。因此，需要針對風(fēng)機(jī)葉片的實(shí)際運(yùn)行情況，利用FENSAP-ICE軟件進(jìn)行結(jié)冰數(shù)值模擬。

FENSAP-ICE的結(jié)冰數(shù)值模擬主要包括計(jì)算網(wǎng)格生成、空氣流場計(jì)算、水滴軌跡計(jì)算、結(jié)冰量計(jì)算和結(jié)冰后邊界重構(gòu)5個(gè)模塊。本文結(jié)合Fluent和FENSAP-ICE軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究,結(jié)冰計(jì)算過程主要分四個(gè)步驟。

(1) 使用Fluent軟件的Spalart-ALL maras湍流模型求解 N -S 方程，并設(shè)置機(jī)翼弦長、氣流速度、空氣靜壓和空氣溫度等參數(shù)進(jìn)行干凈風(fēng)機(jī)葉片外流場的計(jì)算。

(2) 采用歐拉坐標(biāo)系下空氣-過冷水滴兩相流控制方程求解水滴運(yùn)動(dòng)軌跡，在DROP3D模塊下，模擬水滴的撞擊特性和收集系數(shù)。

(3) 利用ICE3D結(jié)冰模塊求解葉片上覆冰生長及水膜后流[27]，覆冰計(jì)算主要考慮質(zhì)量守恒和能量守恒。

(4) 獲得每個(gè)控制體的結(jié)冰量，確定風(fēng)機(jī)葉片覆冰的冰形與質(zhì)量。

4 模擬結(jié)果及分析

葉片體積龐大，結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，具有不同的翼型分布、弦長分布和扭角分布[28]。整體風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)用數(shù)值模擬過于復(fù)雜。因此，本文以2 MW風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)為研究對象[29]，具體數(shù)據(jù)列入表1，風(fēng)機(jī)葉片覆冰取決于環(huán)境因素與結(jié)構(gòu)類型。下面對風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生雨凇結(jié)冰現(xiàn)象的主要參數(shù)進(jìn)行說明，覆冰數(shù)值仿真條件為氣流速度、葉片攻角、液態(tài)水含量、平均水滴直徑、結(jié)冰溫度和結(jié)冰時(shí)長。

表1 截面翼型數(shù)據(jù)

4.1 環(huán)境因素的影響分析

凍雨與凍毛毛雨是雨凇生成的必然條件，兩者產(chǎn)生的環(huán)境條件是，風(fēng)速為2 m/s～10 m/s，溫度為-5 ℃～-1 ℃。結(jié)冰時(shí)長7200 s，雨滴直徑 8 mm，液態(tài)水含量0.5 g/m3的極端凍雨工況作為定量設(shè)定。因此，本節(jié)考慮該環(huán)境條件對翼型DU86-3的葉片覆冰模型影響進(jìn)行分析。

4.1.1 風(fēng)速的影響

不同風(fēng)速下覆冰形狀和厚度分布如圖2～圖6所示。三維葉片翼型下產(chǎn)生的覆冰總質(zhì)量與最大冰厚如圖7和圖8所示。

圖2 v=2 m/s時(shí)冰形與冰厚分布

分析發(fā)現(xiàn)，葉片的前緣靠近下表面部分容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。前緣部分的冰厚隨著風(fēng)速的增大而增加，主要原因是葉片表面的局部水收集系數(shù)不斷變大。同時(shí)，水滴在靠近葉片表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到慣性力的作用，水滴運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)偏離氣流流線，撞擊在葉片表面，葉片表面的水滴收集區(qū)域會(huì)逐漸變大。

圖3 v=4 m/s時(shí)冰形與冰厚分布

當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，水滴的慣性力相對其受到的粘性力較小，故撞擊在葉片表面的水滴較少；隨著風(fēng)速的增大，慣性力逐漸增加，撞擊在葉片表面的水滴增多。當(dāng)葉片前緣水滴收集量超過可凍結(jié)水滴量，未凍結(jié)水滴會(huì)發(fā)生水膜流動(dòng)特征，所以風(fēng)速越大覆冰極限位置越靠后。

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圖7和圖8表明，葉片表面的覆冰質(zhì)量隨風(fēng)速的增大而增加，主要原因是風(fēng)速直接影響葉片表面水滴收集量。風(fēng)速在2 m/s～4 m/s時(shí)，葉片表面的結(jié)冰厚度增長較快；當(dāng)大于4 m/s時(shí)，冰厚增幅逐漸減小。當(dāng)溫度不變時(shí)，較低風(fēng)速對葉片表面局部凍結(jié)系數(shù)的影響較大；但是，隨著風(fēng)速的不斷增大，對局部凍結(jié)系數(shù)的影響較小。由于水滴收集量與區(qū)域受風(fēng)速影響較大，所以覆冰厚度增幅減小不影響覆冰質(zhì)量變化。

圖4 v=6 m/s時(shí)冰形與冰厚分布

圖5 v=8 m/s時(shí)冰形與冰厚分布

圖6 v=10 m/s時(shí)冰形與冰厚分布

圖7 不同風(fēng)速下的總冰質(zhì)量

圖8 不同風(fēng)速下的最大冰厚

4.1.2 溫度的影響

低溫是葉片覆冰的先決條件，且影響結(jié)冰過程中潛熱的散失。選取風(fēng)速為10 m/s，結(jié)冰時(shí)長7200 s，雨滴直徑為8 mm，液態(tài)水含量為0.5 g/m3。-1 ℃～-5 ℃工況下風(fēng)機(jī)葉片覆冰形狀和冰厚分布如圖9～圖12和圖6(-5 ℃的相同工況)所示，覆冰總質(zhì)量與最大冰厚如圖13和圖14所示。可以看出，隨著溫度降低，葉片凍結(jié)系數(shù)增大，撞擊后的水滴結(jié)冰量增多，水膜流動(dòng)特性越不明顯，最大覆冰厚度區(qū)域越靠近葉片前緣。

圖9 -1°冰形與冰厚分布

圖10 -2°冰形與冰厚分布

圖11 -3°冰形與冰厚分布

圖12 -4°冰形與冰厚分布

圖13 不同溫度下的總冰質(zhì)量

圖14 不同溫度下的最大冰厚

隨著溫度的降低，當(dāng)撞擊在葉片表面的水滴量相同時(shí)，葉片可吸收的熱量越多，凍結(jié)系數(shù)越大，產(chǎn)生的總冰量越多，但產(chǎn)生水膜流動(dòng)特征越不明顯，所以溫度越低時(shí)，葉片總覆冰量的重心越靠前。

從圖13和圖14可以看出，當(dāng)溫度從-1 ℃降到-2 ℃時(shí)，葉片表面的覆冰質(zhì)量增長較大；當(dāng)溫度低于-2 ℃時(shí)，葉片表面的覆冰質(zhì)量增幅較小。所以當(dāng)風(fēng)速不變時(shí)，較低溫度對結(jié)冰系數(shù)影響較小，葉片的覆冰質(zhì)量和最大厚度隨著溫度的降低增幅減小。

4.2 葉片幾何參數(shù)的影響

風(fēng)機(jī)葉片是沿展向的若干個(gè)翼型放樣拉伸而成，每部分的扭角不同，扭角與葉片厚度及攻角密切相關(guān)。因此，本節(jié)分析葉片厚度與攻角對覆冰生長的影響。

4.2.1 厚度的影響

圖15 18.7%相對厚度的冰形與冰厚分布

圖16 35.59%相對厚度的冰形與冰厚分布

表2 在不同相對厚度下覆冰質(zhì)量與最大覆冰厚度

可以看出，相對厚度對葉片前緣結(jié)冰量影響不大。但隨著翼型的流線變化，葉片后端容易產(chǎn)生湍流，水滴收集量增加，更容易產(chǎn)生大量的覆冰。所以隨著相對厚度的增大，覆冰量的重心向后端移動(dòng)。由表2可知，后端產(chǎn)生的湍流使覆冰量增加，在溫度和風(fēng)速不變的情況下，葉片的覆冰質(zhì)量和最大覆冰厚度隨著翼型的相對厚度增加而增大。

4.2.2 攻角的影響

選取風(fēng)速為2 m/s，溫度為-5 ℃，結(jié)冰時(shí)長7200 s，雨滴直徑為8 mm，液態(tài)水含量為0.5 g/m3，不同攻角下相同翼型的覆冰形狀和冰厚分布如圖17～圖20和圖2(0°攻角下相同工況)所示，覆冰總質(zhì)量與最大冰厚變化情況如圖21和圖22所示。

圖17 攻角為-10°時(shí)冰形與冰厚分布

圖18 攻角為-5°時(shí)冰形與冰厚分布

圖19 攻角為5°時(shí)冰形與冰厚分布

圖20 攻角為10°時(shí)冰形與冰厚分布

圖21 不同攻角下的覆冰質(zhì)量

圖22 不同攻角下的最大冰厚

可以看出，葉片中后端的最大冰厚隨著攻角的增加而增大，主要原因是葉片表面的水滴收集區(qū)域隨著攻角增加而后移，導(dǎo)致葉片中后端容易發(fā)生覆冰。從圖21和圖22可以看出，由于攻角的增加，葉片表面水滴收集量增大，因此在環(huán)境條件不變的情況下，葉片的總覆冰質(zhì)量和最大覆冰厚度隨著攻角的增大而增加。通過圖23的升力系數(shù)可以看出，雨凇對升力系數(shù)的影響比較大。在無冰翼型時(shí)，最大升力系數(shù)超過了1.1895，失速攻角超過15°；當(dāng)雨凇時(shí)，最大升力系數(shù)在0.6左右，而且在不到10°攻角的時(shí)候已經(jīng)出現(xiàn)分離失速。從 圖24 的阻力變化可以看出，雨凇的阻力特性隨著攻角的增加不斷增加。由此可見，攻角對覆冰冰形的影響對翼型氣動(dòng)性影響較大。

圖23 升力系數(shù)

圖24 阻力系數(shù)

5 結(jié) 論

本文針對凍雨氣候，基于數(shù)值模擬，分析了環(huán)境因素與葉片幾何參數(shù)對覆冰質(zhì)量和最大覆冰厚度的影響，得出如下結(jié)論。

(1) 當(dāng)溫度不變，風(fēng)速從2 m/s增加到 4 m/s時(shí)，葉片表面的最大覆冰厚度增幅高達(dá)117%；當(dāng)風(fēng)速在4 m/s～10 m/s時(shí)，最大冰厚增幅逐漸減小到0.9%；覆冰質(zhì)量隨著風(fēng)速的增加呈線性增長。

(2) 當(dāng)風(fēng)速不變，溫度從-1 ℃降到-2 ℃時(shí)，葉片表面的覆冰質(zhì)量和最大冰厚分別增加71%和24%；當(dāng)溫度在-2 ℃～-5 ℃時(shí)，覆冰質(zhì)量和最大冰厚增幅較小，分別為1.7%和0.9%。

(3) 當(dāng)溫度和風(fēng)速在某一固定值時(shí)，葉片的覆冰質(zhì)量和最大厚度隨著相對厚度的增加而增大；隨著攻角的增加，覆冰質(zhì)量和最大厚度呈線性方式增大，氣動(dòng)性也受到較大影響。