水平轴结冰风力机气动特性数值模拟

水平轴结冰风力机气动特性数值模拟

乔棚钰 1，张浩博 2，彭杨杨 3

1.华北理工大学 管理学院 ，河北唐山063210； 2.华北理工大学 人工智能学院 ，河北唐山063210；华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063210

摘要：随着能源危机进一步加深，风能作为清洁的可再生能源受到了重视，其中寒冷地区风力机结冰问题尤为凸显。本文以某1.5MW水平轴风力机为研究对象，分析结冰对于气动特性的影响。通过Fluent软件进行数值模拟，分析未结冰和-4℃、-8℃、-12℃三种温度下结冰时间分别为30min、60min、90min、120min的翼型气动特性。结果表明：结冰导致风力机气动特性明显降低，升力系数降低，阻力系数升高，升阻比锐减。

关键词：水平轴结冰；气动特性；数值模拟

0引言

当前风能利用飞速发展，风力机可靠性与可维护性受到广泛关注，其中，寒冷高湿气候条件下的研究是一个重要方向，寒冷高湿气候给风力机带来的主要问题就是叶片结冰^[1]，风力机叶片结冰后其翼型形状发生改变，导致升力降低，阻力升高，影响风力机气动特性，减少风力机的输出功率^[2]；风力机叶片结冰还会使叶片增加额外负载，非对称负载会导致叶片额外振动，严重时引发风机共振，进而影响叶片的结构强度，降低其疲劳寿命，引发安全事故。因此风力机结冰问题受到了人们的广泛关注。

1获取结冰冰型

结冰冰型的获取是研究风力机气动特性的前提。针对某1.5 MW水平轴风力机进行计算研究，风轮直径83 m，额定风速为11m/s，额定转速为20 r/min。把整个风力机叶片外形分成八个截面，由于第8个翼型截面的结冰最为明显，因此研究结冰后的气动特性最具代表性。第八截面风力机额定工况下翼型的工作参数如表1所示。

表1 各翼型工作参数

在本文计算中选取环境温度T为-4℃、-8℃、-12℃，选取液态含水量LWC为0.1 g/m3，选取水滴粒子平均直径MVD为15 μm，选取结冰时间t为30 min、60 min、90 min、120 min。由于第8个翼型截面的结冰最为明显，因此研究结冰后的气动特性最具代表性。获取文献^[3]通过计算软件获取的上述不同环境温度下的12组工况下的结冰冰型，用Tecplot软件导出上述冰型翼型。

2数值模拟计算

本文通过ICEM CFD软件对1.5MW水平轴风力机结冰前、后气动外形进行二维建模^[4]。为了使模型变成有限元，有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，直接影响到后续数值计算分析结果的精确性。二维风力机叶片网格划分，一般采用四边形网格，网格越密，计算精度越高但相应的计算时间也就越长。若要模拟结果接近实际，需定义合适的网格外形尺寸，综合考虑影响因素设置网格外形尺寸为30 m。

利用Fluent软件对不同环境温度下不同结冰时刻的翼型进行数值模拟，模拟结果为升阻力系数，升阻力系数如表2、3所示。

本文所选的来流风速为86m/s。通过研究不同环境温度下第八界截面翼型的13组工况下风力机的结冰状态，对水平轴风力机结冰后与结冰前的升阻力系数与静压进行对比，从而分析得出结冰对风力机气动特性的影响。

气动中心处将气动力分为两个分力：垂直于来流方向的翼型升力和平行于来流方向的翼型阻力。为了更好的反应翼型的气动特性的好坏，翼型的升阻比定义为升力与阻力的比值，用L/D来表示：

将计算结果进行对比，下表2、3为Fluent模拟计算出的升阻力系数，表4为计算出的-4℃、-8℃、-12℃环境温度下不同结冰时间的升阻比。

表2 不同结冰时刻的升力系数C_L

表3 不同结冰时刻的阻力系数C_D

表4 不同结冰时刻的升阻比C_L/C_D

图1 升阻比对比图

从结冰时间角度分析。可明显得出：在-4℃、-8℃、-12℃三种不同的环境温度下，随着结冰时间的增加，升力系数C_L均呈下降趋势，阻力系数C_D均呈上升趋势，0min~30min的范围内，风力机升阻力系数变化最缓慢，在90min~120min的范围内，风力机的升阻力系数变化较快，三种气动特性均有不同程度的下降，且随着结冰时间的增加，结的冰量不断增加，气动特性越来越恶化。

从环境温度的角度分析。可明显得出：在-4℃时升力系数C_L下降的趋势明显大于-8℃和-12℃时的下降趋势，在-4℃时阻力系数C_D上升的-8℃和-12℃时气动特性的恶化情况。导致这种情况发生的原因是因为随着环境温度的不同，结冰的冰型也有所不同：在-4℃时风力机叶片结冰冰型为角状型冰，在-8℃和-12℃时风力机结冰冰型为流线型冰，而角状形冰形状复杂，其包括上下两个冰角，上、下两个冰角距离叶片相对较远，中间部分距离叶片较近。

风力机叶片的合力由升力和阻力共同作用，风力机叶片气动特性的变化用升、阻力的单纯变化不能直观反映出来，因此需要进一步对不同环境温度下不同结冰时刻的升阻比进行比较，如图1所示，在同一环境温度下，随着结冰时间的增加，结冰冰量增加，风力机叶片升阻比与前一时间相比都呈下降趋势，实际工作中，正是由于大的升阻比以获得较高的风能利用率，因此结冰导致风力机叶片升阻比下降，风能利用率下降，破坏了风力机的气动特性。

3结论

本文选用某1.5MW水平轴风力机翼型为研究对象，首先获取结冰冰型，然后将翼型结冰前后数据点导入ICEM中建立模型、划分网格，再采用Fluent软件模拟未结冰与结冰后翼型的气动特性，获得升阻力系数、升阻比对比图，观察并比较原翼型与结冰翼型气动特性的差异，分析结冰对翼型气动性能的影响。本文分别从结冰时间、结冰温度角度分析结冰对气动特性的影响，观察升力系数、阻力系数、升阻比角度判断得出：升力系数随结冰时间和结冰冰量的增加逐渐降低，而阻力系数逐渐增加，导致升阻比逐渐降低，使得风力机气动特性恶化。

参考文献

[1]蒋立波. 冰冻对风力机气动性能的影响及应对研究[D].长沙理工大学,2016.

[2]John A. Ekaterinaris,Max F. Platzer. Computational prediction of airfoil dynamic stall[J]. Progress in Aerospace Sciences,1998,33(11):759-846.

[3]王绍龙. 水平轴风力机叶片结冰分布数值模拟与冰风洞试验研究[D].东北农业大学,2017.

[4]纪兵兵．ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解[M]．北京：中国水利水电出版社，2012：120-134．