李巖，劉欽東，王紹龍，馮放，田川公太朗

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030; 3.日本鳥取大學(xué)地域?qū)W部，鳥取6808551)

小型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗與數(shù)值計算

李巖1，*，劉欽東1，王紹龍1，馮放2，田川公太朗3

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030; 3.日本鳥取大學(xué)地域?qū)W部，鳥取6808551)

利用風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，研究了小型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的結(jié)冰特性以及結(jié)冰后翼型與風(fēng)力機(jī)的氣動特性變化，以期為建立較復(fù)雜的大型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)和研究其結(jié)冰機(jī)理、防除冰技術(shù)提供參考。試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)自行設(shè)計的利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行，獲得了采用NACA0018翼型的小型2葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在5種尖速比下的結(jié)冰分布:風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰遍布葉片整個表面，隨著尖速比的增大，結(jié)冰形狀出現(xiàn)不對稱性。同時，數(shù)值模擬結(jié)果表明:葉片結(jié)冰后，隨著尖速比的增加和結(jié)冰量的增多，升力系數(shù)降低阻力系數(shù)增大的趨勢明顯，風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)也隨之下降。分析發(fā)現(xiàn)，葉片結(jié)冰導(dǎo)致不同旋轉(zhuǎn)角下葉片翼型周圍的壓力場和速度場發(fā)生了不同程度的變化，從而氣動特性發(fā)生變化，影響了風(fēng)力機(jī)性能。

結(jié)冰;垂直軸風(fēng)力機(jī);旋轉(zhuǎn)葉片;風(fēng)洞試驗;數(shù)值模擬

0 引言

近年來，寒冷氣候條件對風(fēng)力機(jī)的影響受到了國際風(fēng)能界的廣泛關(guān)注［1-6］，研究風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰特性與防除冰技術(shù)成為了熱點領(lǐng)域［7］。當(dāng)前國內(nèi)外風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰的主要研究方法是結(jié)冰風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬計算。大部分研究主要是針對靜止葉片翼型的二維結(jié)冰和小型水平軸風(fēng)力機(jī)靜態(tài)結(jié)冰［8-12］。對于大型風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)冰試驗研究還未見報道，主要原因:一是尚未建立合理有效的結(jié)冰實驗相似準(zhǔn)則;二是冰風(fēng)洞試驗成本較高使得這方面的研究開展受到一定的限制。

本研究對風(fēng)力機(jī)結(jié)冰試驗研究進(jìn)行了新的探索。首先嘗試了利用北方寒冷地區(qū)的自然低溫實現(xiàn)在常規(guī)風(fēng)洞中進(jìn)行結(jié)冰試驗。通過前期研究確認(rèn)了該方法的可行性［13］，研究小型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片在靜態(tài)［14-15］與旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的結(jié)冰特性。選取該種風(fēng)力機(jī)為研究對象的主要原因有兩個，一是這種風(fēng)力機(jī)是目前國內(nèi)外新型小型風(fēng)力機(jī)的代表，研究其結(jié)冰特性有一定的實用價值;二是該種風(fēng)力機(jī)葉片簡單，沒有水平軸風(fēng)力機(jī)葉片變截面等變化，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片結(jié)冰特性較易通過實驗獲得。因此，可先通過研究這種風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰的試驗方法與特性，為探索建立較復(fù)雜的大型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)提供參考，為研究水平軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰機(jī)理及風(fēng)力機(jī)防除冰技術(shù)提供借鑒。通過實驗測試了不同尖速比下葉片結(jié)冰分布，其后將結(jié)冰后的翼型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析葉片及風(fēng)輪的氣動特性變化，并從流場改變的角度分析氣動特性變化原因，為葉片防除冰技術(shù)提供依據(jù)。

1 實驗裝置與方法

1.1 風(fēng)力機(jī)模型

根據(jù)實驗室風(fēng)洞條件，設(shè)計了一臺小型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)，如圖1所示。風(fēng)輪直徑為440 mm。葉片采用了直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)常用的NACA0018翼型，葉片個數(shù)為2，材質(zhì)為玻璃鋼，長度為250 mm，弦長為125mm。

圖1 試驗風(fēng)力機(jī)模型Fig.1 W ind turbine model for test

1.2 結(jié)冰試驗系統(tǒng)與測試方法

本研究試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)自行設(shè)計的利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞［13］中進(jìn)行，結(jié)冰試驗段截面為0.6m×0.6m，風(fēng)速范圍為1～15m/s。為模擬室外結(jié)冰環(huán)境，在吹出口處安裝了水霧噴射系統(tǒng)提供結(jié)冰條件。圖2為風(fēng)洞試驗系統(tǒng)示意圖。

圖2 測試系統(tǒng)Fig.2 Test system

試驗條件如下:LWC(Liquid Water Content，ISO 12494中規(guī)定大氣中物體結(jié)冰時的水滴含量參數(shù))為2.32 g/m3;MVD(Median Volume Droplet，ISO 12494中規(guī)定大氣中物體結(jié)冰時的水滴粒子大小的參數(shù))約為40μm;溫度在－12℃至－7℃之間;風(fēng)速為4m/ s;風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)尖速比為五種:0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。在固定轉(zhuǎn)速下，利用安裝在風(fēng)輪上方的高速攝影記錄旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片表面結(jié)冰。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 氣動參數(shù)

計算涉及的葉片及風(fēng)力機(jī)氣動參數(shù)定義如下:

式中，ρ為空氣密度，1.225 kg/m3;A為物體相對來流的投影面積，m2;U為來流速度，m/s。

即葉片尖端線速度與風(fēng)速之比。式中，V是旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪外徑切線速度，m/s;U是風(fēng)進(jìn)葉輪前的速度，m/s;ω為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，rad;R為風(fēng)輪半徑，m。

式中，M為力矩，N·m;A為物體相對來流的投影面積，m2。

其中p為壓力，Pa。

2.2 求解方程

因為測試的空氣的雷諾數(shù)和馬赫數(shù)都很小，所以可以被視為不可壓縮流體。數(shù)值模擬是基于二維不可壓縮流N-S方程，連續(xù)性方程和動量方程如下所示:

式中，xi、xj分別為方向矢量;ui、uj分別為速度矢量。

將實驗得到的二維葉片結(jié)冰形狀進(jìn)行數(shù)字化處理后導(dǎo)入流場中，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格Fig.3 M esh around test model

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)冰試驗結(jié)果

圖4所示為尖速比在0.2、0.6、1.0時葉片在30 min過程中的結(jié)冰情況。由圖可知，直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰是遍布葉片整個表面的，隨著時間的增加，葉片結(jié)冰逐漸增厚，且結(jié)冰在葉片表面分布較為均勻。隨著尖速比的增大，結(jié)冰形狀出現(xiàn)了一定的不對稱性，在葉片尾緣外側(cè)以及前緣內(nèi)側(cè)結(jié)冰情況更加明顯。

圖4 不同尖速比下30m in內(nèi)葉片表面結(jié)冰分布Fig.4 Ice accretion on blade surface during 30 m inutes at different tip speed ratios

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

將上述結(jié)冰后的翼型進(jìn)行數(shù)字化處理，對結(jié)冰前后的葉片升阻力系數(shù)、風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)、力矩系數(shù)以及葉片周圍流場等進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。圖5和圖6給出了結(jié)冰葉片的升力和阻力系數(shù)的變化，圖7給出了風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)的變化情況。

由圖5和圖6可知，隨著時間的增加，結(jié)冰量越大的情況下，葉片的升力系數(shù)呈明顯下降趨勢，而阻力系數(shù)則明顯增大。隨著結(jié)冰量的增加，升力的改變有一定的波動性，但整體趨勢一致。而阻力系數(shù)的降低基本上是隨時間呈線性增加。由此可知，結(jié)冰后的葉片氣動特性整體下降。

圖5 結(jié)冰后葉片升力系數(shù)Fig.5 Lift coefficient of iced airfoil

從圖7可知，葉片結(jié)冰后風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)在各個尖速比下都不同程度下降。由于尖速比在0.2時的風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)較小，所以結(jié)冰后的功率系數(shù)變化不大。當(dāng)尖速比在0.4至0.8時，在前5分鐘內(nèi)隨著結(jié)冰的出現(xiàn)，使得風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)迅速下降，然后隨著結(jié)冰的增加，風(fēng)力機(jī)的功率變化維持在一定的水平。而當(dāng)在尖速比為1.0時，可以明顯的看出風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)隨結(jié)冰量的增加而下降。結(jié)冰30 min的實驗?zāi)Ｐ团c未結(jié)冰的實驗?zāi)Ｐ拖啾容^，功率系數(shù)下降了37%。由此可知，葉片結(jié)冰后風(fēng)力機(jī)將不能按照原來的設(shè)計輸出功率，甚至要停機(jī)。

圖6 結(jié)冰后葉片阻力系數(shù)Fig.6 Drag coefficient of iced airfoil

圖7 風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)Fig.7 Power coefficient of w ind turbine w ith iced blade

為了進(jìn)一步分析葉片結(jié)冰后對風(fēng)力機(jī)氣動特性影響的機(jī)理，計算了葉片結(jié)冰后風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的力矩系數(shù)變化，如圖8所示。

由圖8可知在未結(jié)冰時，風(fēng)輪的力矩系數(shù)基本上都為正值，只有在攻角為110°到155°之間為負(fù)值。然而，葉片結(jié)冰后，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的負(fù)力矩范圍明顯增多，且隨著時間的增加和結(jié)冰量的增大，負(fù)力矩的范圍和程度均呈增大的趨勢。結(jié)冰30 min分鐘的風(fēng)輪力矩系數(shù)的影響最大。

為了進(jìn)一步分析影響機(jī)理，針對結(jié)冰30min葉片和無結(jié)冰葉片風(fēng)力機(jī)，選取三個典型的方位角0°、70°、120°，計算了結(jié)冰前后葉片周圍的流場和壓力場，如圖9～圖11所示。

圖8 有無結(jié)冰風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)力矩變化(λ=1.0)Fig.8 Cmof rotors w ith and w ithout icing on blade(λ=1.0)

圖9 結(jié)冰前后葉片周圍流場(α=0°)Fig.9 Flow field around blade w ith or w ithout icing(α=0°)

由圖9可知，由于上面的葉片前緣結(jié)冰的存在導(dǎo)致前緣附近形狀變化，使得背面出現(xiàn)了較大的流動分離，從而影響到整個葉片周圍的流場。這一變化直接導(dǎo)致該葉片周圍壓力場的變化，較大的流動分離使得背面壓力增大，腹面壓力降低，從而導(dǎo)致升力下降，阻力升高。而對于圖中下面葉片來說，由于尾緣在前，結(jié)冰對其產(chǎn)生的影響相對較小;同時，在180°時葉片的升阻力特性原本也相對較差，因此，結(jié)冰對該葉片的影響程度相對較小。因此，在這一狀態(tài)下，風(fēng)力機(jī)的整體氣動特性較結(jié)冰前大幅下降。

由圖10可以看出，無論是速度場還是壓力場，葉片結(jié)冰前后的流場變化并不是十分顯著，這與圖8中給出的風(fēng)輪力矩變化情況基本一致。主要的變化還是來自左上方葉片結(jié)冰所產(chǎn)生葉片周圍流場變化。可以看到在該葉片腹面，由于結(jié)冰導(dǎo)致分離區(qū)增大，上下面的壓力變化增大，影響了升力的發(fā)揮。而右下側(cè)葉片周圍的壓力場也發(fā)生了一定的變化，因此從總體上影響了風(fēng)力機(jī)的氣動特性。

由圖11可知，結(jié)冰導(dǎo)致左下方葉片背面的壓力顯著增大，以及右上方葉片前緣附近的壓力增大。在結(jié)冰時，該狀態(tài)下的風(fēng)力機(jī)力矩為負(fù)值，因此，結(jié)冰后導(dǎo)致負(fù)力矩進(jìn)一步加大，使得風(fēng)力機(jī)的氣動特性進(jìn)一步惡化。

圖10 結(jié)冰前后葉片周圍流場(α=70°)Fig.10 Flow field around blade w ith or w ithout icing(α=70°)

圖11 結(jié)冰前后葉片周圍流場(α=120°)Fig.11 Flow field around blade w ith or w ithout icing(α=120°)

4 結(jié)論

本文通過試驗測試了不同尖速比下葉片結(jié)冰分布，并對結(jié)冰后的翼型進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，分析了葉片及風(fēng)輪的氣動特性變化，得到了如下結(jié)論:

1)試驗結(jié)果表明，采用對稱翼型的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)冰在尖速比較小時均勻分布在整個葉片表面，隨著尖速比增大，冰層逐漸增厚，由于旋轉(zhuǎn)效應(yīng)使結(jié)冰出現(xiàn)一定的不對稱性，在葉片尾緣外側(cè)及前緣內(nèi)側(cè)的結(jié)冰不對性較明顯。

2)計算結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰后的升力系數(shù)降低，阻力系數(shù)增大，風(fēng)輪功率系數(shù)下降，這種趨勢隨尖速比的增加和結(jié)冰量增多而更加顯著。

3)結(jié)冰后葉片翼型周圍流場發(fā)生改變，其變化程度與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角相關(guān)，這是導(dǎo)致結(jié)冰后的葉片氣動特性變化與風(fēng)力機(jī)性能降低的主要原因。

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W ind tunnel test and numerical simulation on blade icing of small-scaled vertical axis w ind turbine

Li Yan1，*，Liu Qindong1，Wang Shaolong1，F(xiàn)eng Fang2，Tagawa Kotaro3
(1.Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China;2.College of Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China;3.Regional Faulty，Tottori University，Tottori 6808551，Japan)

The icing characteristics of rotating blade of a small-scaled Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)and the aerodynamics performance changes of the iced blade airfoil and rotor were researched by wind tunnel tests and numerical simulation in order to provide technology reference for establishing the more complex test system for large scale Horizontal Axis Wind Turbine with rotating blade and study the icing mechanism and anti-icing and de-icing technology.The experiments were performed in an icing wind tunnel designed by Northeast Agricultural University using natural low temperature in cold winter.The test model was a small-scaled VAWT with 2 blades with NACA0018 airfoil.The icing accretions on rotating blade surface under 5 tip speed ratios were tested and recorded.Wind turbine blades were frozen over the entire surface of the blade.Ice shape asymmetry can be found on the blade with the increasing of tip speed ratio.Furthermore，the lift coefficient of iced blade decreased and drag coefficient increased with the increasing of tip speed ratio and the amount of ice based on the results of numerical simulation.The power coefficients of the rotor were also decreased.It can be also found that the change degree of pressure field and velocity field around the iced blade depended on rotating angles，which was the main reason affecting the aerodynamic performance of blade and the turbine.

icing;vertical axis wind turbine;rotating blade;wind tunnel test;numerical simulation

V211.753

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0214

0258-1825(2016)05-0568-05

2015-12-18;

2016-01-14

國家自然科學(xué)基金(51576037)

李巖*(1972-)，男，黑龍江賓縣人，教授，研究方向:可再生能源綜合利用.E-mail:liyanneau@163.com

李巖，劉欽東，王紹龍，等.小型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗與數(shù)值計算［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2016，34(5):568-572，586.

10.7638/kqdlxxb-2015.0214 Li Y，Liu Q D，Wang S L，et al.Wind tunnel test and numerical simulation on blade icing of small-scaled vertical axis wind turbine［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2016，34(5):568-572，586.