【摘要】：以化石能源為主的常規(guī)能源,隨著人類的不斷開發(fā)與利用,不僅面臨著枯竭的威脅,而且還造成了極為嚴重的環(huán)境問題,近些年可再生能源備受關(guān)注。其中,技術(shù)相對成熟的可再生能源—風(fēng)能得到迅速發(fā)展。其中可耐極端氣候條件的風(fēng)能利用系統(tǒng)的研究正日益受到國際上的廣泛關(guān)注,風(fēng)力機葉片表面結(jié)冰后將產(chǎn)生一系列的后果：(1)結(jié)冰后葉片的翼型形狀發(fā)生改變,其氣動特性發(fā)生改變,降低了風(fēng)力機組的工作效率；(2)結(jié)冰后葉片表面粗糙度增加,增大空氣與風(fēng)機葉片的摩擦力,增加轉(zhuǎn)子負荷,影響風(fēng)力發(fā)電機的效率；(3)風(fēng)力發(fā)電機葉片質(zhì)量增加,轉(zhuǎn)子及傳動系統(tǒng)負荷增加,導(dǎo)致軸承損壞及槳葉疲勞斷裂。所以,研究結(jié)冰對于葉片翼型氣動特性的影響并進行除、防冰研究就十分有必要。 本文在現(xiàn)有實驗室的研究基礎(chǔ)上,提出了基于超聲波法的風(fēng)力機葉片翼型防除冰方法,結(jié)合風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬計算的方法探究了結(jié)冰對風(fēng)力機葉片氣動特性的影響,對超聲波防、除冰理論與方法進行研究,設(shè)計超聲波實驗裝置并進行了超聲波除、防冰葉片準冰風(fēng)洞試驗研究。主要的研究內(nèi)容與結(jié)果如下： (1)研究某覆冰狀態(tài)下結(jié)冰前后風(fēng)力機葉片氣動特性。 對翼型為NACA7715,葉片翼弦長為215mmm,試驗溫度為低溫-10℃以下,風(fēng)洞出口風(fēng)速為6m/s,水滴流量為0.3L/min,葉片翼型的攻角為0°,結(jié)冰時間為100s這一工況下所獲的風(fēng)力機葉片結(jié)冰情況進行建模,通過CFD流體數(shù)值模擬計算的方法獲得該種結(jié)冰形狀在攻角范圍為-10°-20。的氣動特性。得出風(fēng)力機葉片表面覆冰前后,其在不同攻角下升力系數(shù)與阻力系數(shù)的趨勢大致相同,當(dāng)在相同攻角情況下,阻力系數(shù)變大,升力系數(shù)變小。比較結(jié)冰前后風(fēng)力機葉片的升阻比,在同攻角下均降低,且在100s結(jié)冰情況下風(fēng)力機葉片表面的結(jié)冰升阻比較0秒時結(jié)冰的升阻比降低范圍在35%-70%之間,甚至?xí)癸L(fēng)力機葉片的升力方向發(fā)生改變�？偟膩碚f,風(fēng)力機葉片表面覆冰降低了風(fēng)力葉片的升阻比,破壞其原有的氣動性,降低了風(fēng)能利用率。 (2)對超聲波防、除冰理論與方法進行研究,設(shè)計超聲波實驗裝置。 研究了超聲波防、除冰理論；利用有限元分析軟件ANSYS對7715翼型的玻璃鋼風(fēng)力機葉片進行模態(tài)分析,獲得其相應(yīng)振型及共振頻率。得出第十一階頻率對應(yīng)的振型圖最佳,此時葉片上、下端發(fā)生彎振,且前部彎振更加劇烈,有助于防、除冰。此時,葉片的共振頻率為1267.21Hz。確定壓電陶瓷的安裝位置,設(shè)計壓電陶瓷的固定夾緊裝置,選用超聲波發(fā)生器,搭建超聲波防、除冰實驗臺,完成超聲波防、除冰實驗設(shè)備連接。 (3)超聲波微振動防、除冰葉片準冰風(fēng)洞試驗研究 將0.1ml的液滴分別滴于風(fēng)力機葉片的相同位置,開啟風(fēng)洞后將過冷空氣吸入使葉片置于過冷環(huán)境中,在試驗中,過冷空氣被風(fēng)洞由室外吸入,經(jīng)風(fēng)洞口流出,風(fēng)洞出口風(fēng)速為10m/s,達到室外過冷環(huán)境。試驗過程中葉片葉表的溫度為-3±2℃。根據(jù)試驗結(jié)果得出,當(dāng)振動頻率由300Hz增長至700Hz過程中,結(jié)冰所需時間逐漸增長,此時的結(jié)冰時間為42s,當(dāng)振動頻率為700Hz時過冷液滴的結(jié)冰時間最長,當(dāng)振動頻率由700Hz增長至1500Hz時,過冷液滴的結(jié)冰時間逐漸縮短重新回歸至25s附近。固可知,當(dāng)振動頻率為700Hz時近似的達到葉片的共振頻率,此時由于共振現(xiàn)象,葉片表面的液滴結(jié)冰最困難,當(dāng)振動頻率逐漸遠離700Hz時,結(jié)冰時間重新變短。在試驗過程中,用手觸碰葉片,700Hz振動是手的震感也最為明顯,從此也能佐證此時葉片接近共振頻率。加裝超聲波微振動防除冰裝置的風(fēng)力機葉片上的過冷液滴結(jié)冰時間都有所延長,大致接近10%,在振動頻率為700Hz的情況下,改善率達到了70%,說明說明超聲波微振動法除防冰是可行的。
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TK83
【圖文】：

-〗技術(shù)路線

通過準冰風(fēng)洞結(jié)冰試驗研究，獲得隨時間推移葉片表面結(jié)冰生長情況，并將其轉(zhuǎn)化為二維的結(jié)冰模型。圖2-3為準冰風(fēng)洞結(jié)冰試驗系統(tǒng)。試驗于2012年冬季進行，外部的過冷空氣被吸入風(fēng)洞內(nèi)，在風(fēng)洞的出口內(nèi)側(cè)裝有噴水裝置，風(fēng)洞吸入的過冷空氣與水霧混合后從風(fēng)洞口噴出并撞擊在葉片的表面。試驗用風(fēng)洞為開口直流式，風(fēng)洞形式為熱擴散式風(fēng)洞，風(fēng)洞出風(fēng)口尺寸為0.4X0.4m;風(fēng)速調(diào)節(jié)范圍為1?15rn/s。試驗用噴水裝置為從上到下均勻分布的四個噴頭，一字排^u，噴頭在風(fēng)吹出洞口時持續(xù)噴水，噴水的流量與粒子的直徑可以控制。本次試驗中采用高速攝像技術(shù)作為結(jié)冰過程的拍攝工具，高速攝像系統(tǒng)由高速攝像機、光源(2><1.0kW的鶴燈）、計算機、相關(guān)軟件等組成。一  .、、、. ?速播影t壚i分為‘ ?岕.::,?:rr?^輸、、-、 [i j ！—1、、? ： r\計栥 "！Sb ..^L.圖2-3準冰風(fēng)洞結(jié)冰試驗系統(tǒng)Fig2-3 Ice freezes wind tunnel test system結(jié)冰葉片采用的是風(fēng)力機常用翼型NACA7715,材質(zhì)為木材并在表面噴涂油漆，從而保證葉片的光滑度。葉片翼弦長為215mm,試驗溫度為低溫-ICTC以下，風(fēng)洞出口風(fēng)速為6m/s,水滴流量為0.3L/min

葉片氣動特性的影響。計算模型的建立是利用建模軟件建立風(fēng)力機葉片與流體域的過程。在本文的試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2-6所示，風(fēng)力機葉片的外圍計算域為正方形，其邊長為葉片弦長的11倍。由于NACA7715的1動中心不可知，固規(guī)定其距前緣四分之一翼弦并在翼弦上的一點為氣動中心，取該點坐標為（0，0)且與正方形的計算域的中心點重合。本研宄中用到的其他的計算模型都是按照以上的方法建立。111.I-* 丨 ?‘圖2-6葉片計算模型Fig2-6 Leaf blade calculation model網(wǎng)格的劃分是進行流體計算的重要步驟，能否劃分出合理的網(wǎng)格直接影響到數(shù)值模擬計算的準確性。在本研究中，所進行的二維風(fēng)力機葉片計算結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，一般采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格越密計算精度越高但相應(yīng)的計算所需的時間越長，對于結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的二維計算，網(wǎng)格無需過密

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張聘亭;楊濤;盧緒祥;;覆冰對風(fēng)力機專用翼型氣動性能影響的數(shù)值研究[J];動力工程學(xué)報;2011年12期

2 鄭燕;鄭英;張杰;葉林;張洪;;壓電諧振式結(jié)冰傳感器的結(jié)冰試驗和數(shù)據(jù)處理[J];計量與測試技術(shù);2011年02期

3 易賢,朱國林;考慮傳質(zhì)傳熱效應(yīng)的翼型積冰計算[J];空氣動力學(xué)學(xué)報;2004年04期

4 鄧曉湖;盧緒祥;李錄平;李海波;;水平軸風(fēng)力機葉片翼型結(jié)冰的數(shù)值模擬[J];能源技術(shù);2010年05期

5 譚海輝;李錄平;朱益軍;靳攀科;;覆冰對風(fēng)力機葉片動力特性影響的有限元分析[J];可再生能源;2010年04期

6 朱程香;王瓏;孫志國;付斌;朱春玲;;風(fēng)力機葉片翼型的結(jié)冰數(shù)值模擬研究[J];空氣動力學(xué)學(xué)報;2011年04期

7 張禮達;任臘春;;惡劣氣候條件對風(fēng)電機組的影響分析[J];水力發(fā)電;2007年10期

8 尹勝生;葉林;陳斌;葛俊鋒;王立文;;可識別冰型的光纖結(jié)冰傳感器[J];儀表技術(shù)與傳感器;2012年05期

9 張濱華,王華,王勁松,林金秋;一種基于振動原理的結(jié)冰探測方法[J];儀器儀表學(xué)報;2003年04期

10 桑為民;蔣勝矩;李鳳蔚;;翼型冰增長和結(jié)冰影響的數(shù)值模擬研究[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報;2008年03期

本文編號：2796277