利用自然低溫的風力機結冰風洞實驗系統設計

李 巖， 王紹龍， 鄭玉芳， 劉欽東， 馮 放， 田川公太朗

(1. 東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030； 2. 東北農業大學理學院，哈爾濱 150030； 3. 日本鳥取大學 地域學部, 鳥取 6808551)

利用自然低溫的風力機結冰風洞實驗系統設計

李 巖1，*， 王紹龍1， 鄭玉芳1， 劉欽東1， 馮 放2， 田川公太朗3

(1. 東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030； 2. 東北農業大學理學院，哈爾濱 150030； 3. 日本鳥取大學 地域學部, 鳥取 6808551)

為研究風力機葉片的結冰特性與防除冰方法，設計了一種簡便、低成本的結冰風洞實驗系統。利用北方冬季的自然低溫條件，將常規的開口射流風洞加以改造，安裝水霧噴射系統和結冰測試段以提供結冰環境條件。在冬季進行了結冰驗證實驗，對結冰風洞的3個主要參數：溫度穩定性、液態水含量和過冷水滴平均直徑進行了測試和標定。結果表明，在環境溫度相對穩定的冬季時間段內，主要指標可在一定程度上滿足風力機結冰實驗要求。

結冰風洞；風力機；自然低溫；溫度；液態水含量；水滴直徑

0 引 言

近年來，由于極寒天氣的頻繁出現使得風力機葉片結冰問題逐漸受到了廣泛關注[1-5]。研究葉片的結冰機理和防除冰技術的主要手段之一就是利用結冰風洞來實際測試。結冰風洞是一種模擬在寒冷環境中過冷水滴在一定風速帶動下撞擊到物體表面結冰的實驗設備。結冰風洞多用于航天航空領域，最主要的就是機翼結冰，還有發動機、傳感器及相關零部件結冰。目前世界上能夠進行結冰實驗的風洞有20余座，主要分布在美國、加拿大、法國、英國、意大利和俄羅斯等國家。其中具有代表性的是美國NASA劉易斯研究中心的閉式結冰風洞，意大利的IWI結冰風洞及中國空氣動力研究與發展中心于2014年完成的3m×2m大型冰風洞[6-8]。然而，這些風洞規模大、耗能多、成本高，中、小科研院所和高校很難建設和使用。因此，研制結構簡單，能耗低廉的結冰風洞成為結冰研究的一個重要方向。

風力機工作的環境就是在地表，屬于在自然環境下的結冰問題，而不是像飛機屬于高空特殊環境下的結冰。因此，研究風力機葉片結冰問題，在某種意義上來說并不需要如此高精度、高成本的結冰風洞，接近自然條件的低溫環境風洞更適合。另外，如果利用自然低溫為結冰風洞提供冷源的話，既省去了復雜的人工制冷設備，降低設備成本費用，又省去了人工制冷設備的能耗，降低設備使用費用。通過自然低溫為冰風洞制冷在國際上已有先例，加拿大在1942年就建造了一座開式的簡易冰風洞，利用冬季寒冷的氣候自然制冷；位于明尼蘇達州首府的Fluidyne Engineering Corp利用冬季寒冷環境為冰風洞制冷，所研發的開環式冰風洞主要用于發動機防冰研究[9]。在國內還沒有利用自然低溫進行制冷的冰風洞。

綜上所述，為了研究風力機的結冰特性與開發防除冰系統，本研究利用東北地區特有的低溫環境，在常規開口射流式風洞的基礎上，安裝水霧噴射系統并增加實驗氣道，提供結冰環境條件，設計了利用自然低溫的風力機結冰風洞實驗系統。該實驗系統利用自然低溫可省去人工制冷設備，大幅降低安裝使用的成本及能耗，實現較長時間的結冰測試。在2015年冬季，對結冰風洞的主要參數進行了測試和標定，包括溫度穩定性、液態水含量和過冷水滴平均直徑，驗證了該系統的有效性。

1 結冰風洞設計

圖1為設計的利用自然低溫風力機結冰風洞實驗系統。所用的基礎風洞為日本鳥取大學工學部設計制造的開口射流式風洞，實驗段截面為0.6m×0.6m，風速范圍為1～15m/s。在該風洞的原吹出口處安裝了水霧噴射系統，在其后設置了噴霧段、混合段和實驗段。室外冷空氣由冷風段吸入后，噴霧系統噴出的過冷水滴在混合段充分混合，然后作用于實驗段的實驗物上結冰。其中噴霧系統包括噴頭，水壓表，水壓泵，溫控裝置，流量計及凈水器。通過調整風速、噴頭數量、噴嘴口徑及水壓組合來控制水滴的流量及水滴粒徑。圖2為利用自然低溫的結冰風洞實驗系統實物圖。

圖1 結冰風洞實驗系統簡圖

圖2 結冰風洞實驗系統

2 結冰風洞參數驗證及分析

2.1 實驗段溫度驗證及分析

溫度是影響結冰的重要參數，直接影響到結冰的類型和外形。冰風洞能否提供穩定的過冷環境成為驗證其有效性的重要指標。在本研究中利用自然低溫進行實驗，無法對溫度進行精確調節，但實驗可選擇在相近的環境溫度下進行，可保持實驗段內過冷溫度穩定。

圖3所示列舉了某一時間段內風洞開啟1h實驗段溫度的變化情況。實驗中采用HTC-1溫度傳感

器實時測量風洞實驗段溫度，溫度傳感器測量范圍為-50～70℃，測量精度為±0.5℃。可以發現風洞從開始降溫直至達到穩定，并在-6.2℃范圍內保持較長時間，溫度誤差不超過0.5℃。在實驗過程中，先對實驗段進行降溫，當達到溫度穩定后，開啟噴霧系統進行結冰實驗并實時記錄環境溫度，使實驗過程始終在相對穩定的低溫環境中進行。因此，只要在外界環境溫度相對穩定的時間段內進行實驗，結冰風洞實驗段的溫度便可保持非常好的穩定性，滿足結冰風洞的實驗要求。

圖3 試驗段溫度變化舉例

2.2 液態水含量標定及分析

液態水含量(Liquid Water Content，LWC，g/m3)是指單位體積的空氣中所含有的液態水質量。LWC是影響結冰形狀和結冰類型的重要結冰云霧參數，得到結冰風洞中LWC分布，是得到定量結冰風洞實驗結果的基礎。對于結冰風洞中LWC的測量，有直接法和間接法2種。本研究采用的是間接法，即將由冰刀法衍生而成的柵格置于實驗段中進行實驗，通過分析柵格上的結冰質量推算出LWC。

2.2.1 液態水含量計算方法[10]

結冰是由于過冷水滴碰撞到物面而導致的，在物體外形和空氣繞流條件一定的情況下，水滴的運動軌跡只和水滴的粒徑有關系。在所有運動軌跡中，物體上下表面最遠撞擊點所對應的軌跡為極限軌跡。位于極限軌跡之間的水滴會與物面碰撞，而在極限軌跡之外的水滴將繞過物體。記水滴的收集系數為Em，對于單位寬度d的柵格棱而言，遠場中兩條極限軌跡之間的距離為Δy，則有

(1)

假設來流速度為v，在極限軌跡間的水滴在單位時間內和單位寬度上的結冰質量Mi，則有

Mi=Em×LWC×L×v-Me

(2)

式中:Me為單位時間物體表面蒸發量；v為來流速度；L為單位展長。

由于柵格棱的寬度較小，故在標定規程中取Δy=d，即Em=1，同時忽略表面蒸發量，即Me=0，則式(2)可以變換為

(3)

式中:ρice為冰的密度(實驗過程中實時測量)；hi為柵格棱上結冰厚度。

整理得任意柵格棱條處的LWC為

(4)

2.2.2 液態水含量標定結果及分析

圖4所示為進行標定過程中所用的柵格，其整體尺寸為568mm×568mm，柵格的橫、縱棱的中心間距為80mm，橫、縱棱的寬度為8mm。在結冰實驗條件下，將柵格放入實驗段中進行結冰實驗，獲得一定時間的結冰柵格棱上的結冰厚度，根據位于極限軌跡之間的水滴與物面碰撞結冰原理，計算出實驗段的液態水分布情況。為減小實驗誤差，對同種工況下柵格結冰進行4次實驗，取4次實驗的均值為風洞的LWC值。

圖5所示給出了風速為4.5m/s下的3種液態水分布云圖。通過云圖可以發現，在冰風洞實驗段的中心部分產生了150mm×150mm的均勻區域，在該范圍內可進行靜態葉片的結冰實驗研究。同時，圍繞中心形成多個液態水含量相近的環形區域，在該區域內可進行風力機葉片段的旋轉結冰實驗。

圖4 結冰厚度測試用柵格

(a)

(b)

(c)

2.3 水滴直徑標定及分析

2.3.1 水滴直徑標定方法

過冷水滴粒徑(Medium Volume Diameter，MVD)大小是重要的結冰云霧參數，獲得結冰風洞內水滴粒徑，是得到定量結冰風洞實驗結果的基礎。對于實驗段中運動的過冷水滴，常通過多普勒粒子分析、光學陣列探測等方法，所使用設備及方法復雜且昂貴。

在本研究中采用數值計算與風洞實驗相結合的手段標定水滴直徑。其分析思路如下，測量ΔT結冰時間內，速度為v對應任意碰撞物面位置sn處的結冰厚度為hn，在此基礎上hn的表達式可以寫為

(5)

式中：βn為任意碰撞物面位置sn處的水滴收集率。在物體外形和空氣流動一定情況下，任意碰撞物面的sn處的水滴收集率只和水滴直徑有關。定義水滴撞擊的起始位置s0，sn表示碰撞點距離起始位置s0的物面曲面距離，此處的局部收集系數βn滿足

(6)

針對上述特性對冰風洞水滴粒子直徑標定方法如下：選取典型外形(圓柱)進行風洞實驗，測得多個碰撞物面sn處的結冰厚度hn，得到局部撞擊極限βn與碰撞物面sn的關系曲線βn0=β(sn)；針對冰風洞實驗的空氣繞流條件，通過數值計算的方法獲得不同粒徑所對應的局部撞擊極限βn與碰撞物面sn的關系曲線βnm=β(sn)；將實驗測量的關系曲線βn0=β(sn)與多條關系曲線βnm=β(sn)進行比對，最終得出水滴粒徑分布情況。

2.3.2 局部收集系數計算方法[11]

通過數值計算的方法求解水滴粒子運動軌跡及撞擊極限，先要計算空氣的流場，在得到流場分布基礎后分析單個水滴的運動軌跡及其撞擊特性，再求解多個粒子的軌跡簇，進而確定水滴的撞擊極限，最后分析任意碰撞物面位置sn處的水滴收集率。

控制方程為低速粘流的時均N-S方程，取其通用形式為

(7)

采用標準的κ-ε湍流模型，采用Simple方法求解方程(7)，方程(7)各項的物理意義及具體表達式可參見文獻[12]。

在流場解算的基礎上建立水滴的運動方程，首先做如下假設：(1)水滴的體積保持不變；(2)水滴密度在整個過程中保持不變；(3)水滴的初始速度與自由流的速度相等，水滴質量較小不影響流場性質，通過分析運動中水滴的受力、根據牛頓第二運動定律建立水滴的運動方程為

(8)

式中：xd代表水滴位置，Md為水滴質量，Vd為水滴體積，ρd為水滴密度，ρa是空氣密度，g是重力加速度，Ad是水滴的迎風面積，Vd是水滴的體積，Cd是阻力系數，ua代表當地氣流速度，ud代表水滴速度。

采用Euler方法離散求解水滴運動方程，其在x軸方向的方程加速度方程為

(9)

y軸方向水滴的加速度方程為

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

開始計算時給定水滴的初始位置，然后計算Δt時間步長后水滴的新位置。水滴在物面的最遠撞擊點所對應的軌跡為極限軌跡，極限軌跡分別于物體的表面兩側相切。

通過水滴軌跡計算確定撞擊點位置之后，就能夠獲得一組水滴縱向點出發點位置(y0,y1,y2,…,yn)以及其對已碰撞在物面的位置(s0,s1,s2,…,sn)，此處si表示碰撞點距離駐點的物面曲線距離，為了得到函數s=s(y)，根據這2組數據進行代數插值，得到局部收集系數是s關于y的一階導數，采用三次樣條插值。

(15)

令hi=yi-yi-1，得到s(y)的表達式為

(16)

(17)

2.3.3 液態水含量標定結果及分析

圖6所示為實驗用有機玻璃圓柱，外徑為30mm，厚為5mm，高為150mm。在結冰實驗條件下，將實驗模型固定在支架上，實驗過程中取較低的實驗溫度并使實驗模型能充分預冷，保證水滴在物面碰撞后即可凍結。實驗過程中取風速為5m/s，溫度為-8℃，空心圓柱置于LWC=0.59g/m3處，結冰時間為5min。為減小實驗誤差對同種工況下結冰進行4次實驗。

圖6 實驗圓柱

圖7所示為數值計算網格。計算條件與實驗條件相同，計算采用O型網格，網格數量為6584。

圖7 計算網格

圖8所示為實驗獲得的局部收集系數曲線與數值仿真計算獲得的MVD=20μm、MVD=30μm及MVD=50μm的局部收集系數曲線的比較。可以發現，實驗獲得的局部收集系數曲線介于MVD=30μm與MVD=50μm的局部收集系數曲線之間，可以推斷出該噴霧系統產生的水滴粒子介于30～50μm之間，滿足常規實驗要求。

圖8 實驗與計算對比

3 結 論

為了研究風力機結冰與防除冰問題，本研究設計了一種利用自然低溫條件的簡便低成本的風力機結冰風洞試驗系統。通過在冬季進行的驗證實驗，該結冰風洞的主要參數：實驗段溫度穩定性、液態水滴含量分布與液滴平均粒徑等均在一定程度上滿足實驗需求，可利用其對風力機的葉片等進行結冰特性與防除冰技術研究。本研究提出的這種方法也可以為研究其他結構的結冰問題提供借鑒和參考。

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(編輯：楊 娟)

Design of wind tunnel experiment system for wind turbine icing by using natural low temperature

Li Yan1，*, Wang Shaolong1, Zheng Yufang1, Liu Qindong1, Feng 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)

A simple and low cost icing wind tunnel experiment system has been designed in order to study the characteristics of wind turbine blade icing and de-icing methods. The conventional open jet wind tunnel has been transformed by using the natural low temperature condition of the northern winter, and a water spray system and the icing test section were installed to provide the icing conditions.The verification experiments were carried out in winter, and the three main parameters: the temperature stability, the liquid water content and the medium volume droplet diameter were tested and calibrated. The results show that the main indexes can meet the requirements of the wind turbine icing test to a certain degree at the relatively stable environment temperature.

icing wind tunnel;wind turbine;natural low temperature;temperature;Liquid Water Content(LWC);Medium Volume Diameter(MVD)

1672-9897(2016)02-0054-06

10.11729/syltlx20160001

2015-12-22;

2015-12-28

國家自然科學基金(51576037)

LiY,WangSL,ZhengYF,etal.Designofwindtunnelexperimentsystemforwindturbineicingbyusingnaturallowtemperature.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2016, 30(2): 54-58,66. 李 巖, 王紹龍, 鄭玉芳, 等. 利用自然低溫的風力機結冰風洞實驗系統設計. 實驗流體力學, 2016, 30(2): 54-58,66.

TP601,V244.1+5

A

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。通信地址：東北農業大學工程學院(150030)。E-mail：liyanneau@163.com

*通信作者 E-mail: liyanneau@163.com.