【摘要】：直線翼垂直軸風力機是近年來受到國際上廣泛關注的一種升力型垂直軸風力機,適合應用在中小型風能利用領域。然而當其安裝在寒冷地區(qū)時,在低溫和潮濕條件下風力機葉片會出現(xiàn)結冰現(xiàn)象。結冰會嚴重影響風力機的性能,甚至產(chǎn)生安全事故。為了研究直線翼垂直軸風力機葉片結冰特性,尤其是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片結冰規(guī)律,本研究利用自然寒冷氣候的結冰風洞,對垂直軸風力機的靜態(tài)葉片和旋轉(zhuǎn)風輪模型進行了結冰風洞試驗,并利用數(shù)值模擬對結冰前后的垂直軸風力機氣動特性變化進行了數(shù)值模擬計算。研究主要分為兩大部分內(nèi)容:(1)垂直軸風力機葉片靜態(tài)結冰特性研究,主要采用風洞試驗的方法。結冰試驗在采用自然低溫的小型結冰風洞中進行。葉片翼型采用直線翼垂直軸風力機常用的NACA0018(對稱翼型)和NACA7715(非對稱翼型)。試驗包括在不同攻角下的葉片結冰分布測試和在零度攻角下葉片長時間結冰過程測試。利用高速攝像記錄結冰過程,利用電子天平測試結冰質(zhì)量。(2)垂直軸風力機旋轉(zhuǎn)葉片結冰特性研究,主要采用風洞試驗和數(shù)值模擬相結合的方法。設計制作了一臺采用NACA0018翼型的直線翼垂直軸風力機風輪模型,葉片個數(shù)為2葉片和3葉片兩種,測試了風輪在不同水滴流量和葉片減速比下的旋轉(zhuǎn)葉片結冰分布。分析了葉片結冰面積,結冰質(zhì)量,結冰率等。另外,將結冰后的葉片形狀輸入,旋轉(zhuǎn)模型以及結冰前后的葉片進行模擬計算,探討結冰前后的葉片氣動特性變化,結冰前后的旋轉(zhuǎn)模型功率系數(shù)、力矩系數(shù)變化,結冰前后旋轉(zhuǎn)模型速度場、壓力場的變化。在本研究條件下得到的主要結論如下:(1)在零度攻角下NACA0018翼型結冰是由前緣開始逐步向兩側爬行生長。NACA7715翼型結冰分為兩部分,一部分由前緣像兩側爬行生長,另一部分由后緣向前緣爬行生長。NACA0018翼型結冰面積速度趨勢是逐漸下降的,NACA7715翼型結冰面積速度趨勢是先升高后下降。NACA0018翼型和NACA7715翼型前緣結冰厚度生長的速度趨勢都隨時間的增加而減小。NACA0018翼型兩側結冰厚度開始沒有生長,結冰中期開始生長,生長到一定程度后速度逐漸減緩。NACA7715兩側結冰厚度增長較為穩(wěn)定。NACA0018翼型和NACA7715翼型結冰效果速度的總體趨勢是下降的。(2)在一定風速下,葉片表面結冰受攻角變化的影響較大。當葉片攻角在-90°~-10°之間時,結冰主要出現(xiàn)在葉片背部。當葉片攻角在0°時,結冰主要出現(xiàn)在葉片前緣。當葉片攻角在10°~90°之間時,結冰主要出現(xiàn)在葉片的腹部。在流量較大時,低風速的結冰量總體大于高風速的結冰量。NACA0018翼型結冰面積比總體大于和NACA7715翼型的結冰面積比。(3)直線翼垂直軸風力機旋轉(zhuǎn)葉片結冰發(fā)生整個葉片表面,與靜態(tài)葉片結冰有很大不同。葉片結冰情況隨著LWC、尖速比的增大而越顯著。葉片結冰面積比隨時間增加而增加,呈一定的線性變化規(guī)律。在相同條件下小風力機實度越大單葉片結冰率越小,對整機而言,實度越大結冰率越高。(4)數(shù)值計算結果表明,旋轉(zhuǎn)葉片結冰后的升力系數(shù)降低,阻力系數(shù)增大,且隨著尖速比的增加和結冰量的增多而趨勢加大;風力機的功率系數(shù)也隨之下降,在尖速比較大時,下降趨勢明顯。結冰后的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,使葉片氣動特性改變。本研究可為垂直軸風力機葉片的防冰與除冰技術提供試驗基礎。
【學位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK83

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本文編號：2612699