冷面結(jié)霜研究及風(fēng)力機(jī)葉片覆冰的數(shù)值模擬

發(fā)布時間：2020-11-21 01:25

　　結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于制冷空調(diào)、航空航天和風(fēng)力發(fā)電等多領(lǐng)域，并帶來很大的危害，前人圍繞結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行了很多研究，近年來這些研究不斷深入到霜層內(nèi)部細(xì)節(jié)和動態(tài)結(jié)構(gòu)特征，但對于結(jié)霜過程中霜層和濕空氣參數(shù)空間分布變化研究得較少，對風(fēng)力機(jī)葉片表面覆冰的研究也比較少。本文實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)境參數(shù)和冷面溫度對結(jié)霜初期過冷水珠和結(jié)霜過程中冰晶體積分?jǐn)?shù)的影響，數(shù)值模擬研究了霜層生長過程中霜層和濕空氣參數(shù)的變化規(guī)律以及風(fēng)力機(jī)葉片覆冰過程中攻角和風(fēng)速對覆冰量及覆冰形貌的影響。本文通過對結(jié)霜過程的可視化研究發(fā)現(xiàn)，在霜晶出現(xiàn)之前，冷面上都經(jīng)歷了水珠生成、聚合長大和水珠凍結(jié)的過程，但水珠的出現(xiàn)時刻及凍結(jié)時間受環(huán)境因素的影響：風(fēng)速越大、冷面溫度越低以及環(huán)境溫度越低，則冷面上過冷水珠越早出現(xiàn)，同時水珠的凍結(jié)時間越短。在一定范圍內(nèi)，冷面溫度越高、風(fēng)速越大、環(huán)境溫度越高，則冰晶體積分?jǐn)?shù)越高。改進(jìn)了課題組原有結(jié)霜模型的質(zhì)量傳輸判據(jù)和模型，利用Fluent模擬了霜層生長過程，考察了冷面附近霜層和濕空氣參數(shù)隨空間和時間的變化規(guī)律，以及環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速和冷表面溫度對冷面附近霜層和濕空氣參數(shù)的影響，結(jié)果表明冰晶體積分?jǐn)?shù)受環(huán)境工況影響的規(guī)律跟實(shí)驗(yàn)結(jié)論較為符合，并且風(fēng)速越大，冰相體積分?jǐn)?shù)沿空氣流向分布越均勻。在霜層內(nèi)部，時間越久、高度越低，則冰相體積分?jǐn)?shù)越高，并且沿著空氣流向逐漸降低，且入口附近降幅較大，但出口附近有小幅度的上升。在冷面結(jié)霜模型的基礎(chǔ)上，采用湍流模型和新的質(zhì)量傳遞模型對夾雜過冷水滴的空氣流經(jīng)葉片表面時的覆冰進(jìn)行了初步的模擬。結(jié)果表明過冷水滴受空氣流場影響較小，覆冰一般在迎風(fēng)面發(fā)生；當(dāng)葉片攻角增加時，過冷水滴隨著來流撞擊到葉片下表面的幾率增加，覆冰面積和覆冰質(zhì)量均增加；由于駐點(diǎn)處受來流的垂直撞擊，故駐點(diǎn)處覆冰量較少，兩側(cè)覆冰量較多；隨著來流風(fēng)速的增加，葉片表面覆冰量增多，其原因是：單位時間內(nèi)撞擊到葉片表面的過冷水滴數(shù)增加，同時單位體積內(nèi)撞擊到葉片表面的過冷水滴百分?jǐn)?shù)增加，使得葉片表面覆冰量明顯增加。
【學(xué)位單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：TK83
【部分圖文】：

雨凇,霧凇,風(fēng)力機(jī)葉片,覆冰

各種初始霜晶形狀

不易破碎，密度較大，難以去除。圖 1.2 霧凇圖圖 1.3 雨凇圖1.2.4 影響因素的研究霜層是由冰晶和濕空氣構(gòu)成的特殊多孔介質(zhì)，結(jié)霜過程是一個具有移動邊界，變物性的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過程。霜層表面和主流濕空氣之間的溫差決定著水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗У男问健Ｒ话愣�，�?dāng)溫差較小時，分子擴(kuò)散和紊流擴(kuò)散成為結(jié)霜的主要機(jī)理，水蒸氣通過這兩個過程傳輸?shù)嚼浔砻�；而溫差較大時，水蒸汽在流經(jīng)冷表面時溫度迅速降低，可能在冷面附近凝結(jié)或凝華，此時的結(jié)霜機(jī)理主要是顆粒間的碰撞和表面對顆粒的吸收；而當(dāng)遇到極低溫表面，水蒸氣通過冷表面時直接凝華為小冰粒，由于熱質(zhì)擴(kuò)散的作用冰粒向冷表面遷移進(jìn)入霜層[31]。對于冷面結(jié)霜，影響霜層生長的主要因素有冷面溫度、主流溫濕度、主流速度和表面特性；對于風(fēng)力機(jī)葉片表面覆冰，來流速度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、攻角大小以及過冷水滴含量和直徑對表面覆冰均有著直接的關(guān)系[32]。綜合已有文獻(xiàn)，得出濕空氣參數(shù)和冷表面溫度對霜層物性的影響，如表 1.1 所示。表 1.1 濕空氣參數(shù)及冷面溫度對霜層的影響霜層物性工況霜層生長速率霜層密度增大濕空氣濕度提高增加提高濕空氣溫度下降增加提高雷諾數(shù) 影響不大增加提高冷表面溫度下降增加孫玉清等[33]分別對普通表面和疏水表面的結(jié)霜情況進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)

雨凇,霧凇