利用自然低溫的旋轉葉片結冰風洞試驗系統設計

李 巖, 孫 策, 郭文峰,2, 王紹龍, 馮 放, 姜 禹

(1. 東北農業大學 工程學院, 哈爾濱 150030; 2. 東北農業大學 寒地農業可再生資源利用技術與裝備黑龍江省重點實驗室, 哈爾濱 150030; 3. 東北農業大學 理學院, 哈爾濱 150030)

0 引 言

風能、太陽能等綠色能源是當今世界大力發展的清潔能源，風能以其儲量巨大、應用范圍廣泛等特點得以大規模開發利用[1]。風能的開發利用對環境保護、優化傳統能源結構有極為深遠的意義[2]。風力發電場選址集中在高寒地區及靠近沿海的高濕度地區，但近年來隨著全球極寒天氣的頻繁出現，令分布在寒冷地區的風力機面臨著越來越嚴峻的考驗。極寒天氣會導致風力機葉片、機艙和導流罩等部位結冰，而葉片作為風力機工作的主要工作部件，產生結冰會嚴重影響其氣動性能及載荷分布，從而導致其發電效率下降、工作不穩定，嚴重的甚至引發安全事故，所以對葉片結冰特性的研究尤為重要[3]。

結冰風洞試驗是進行結冰研究的主要手段，可通過模擬真實環境中的各項參數，較為精確地模擬風力機葉片在寒冷環境下的結冰情況，研究其結冰特性，為風力機葉片結冰及防除冰研究提供基礎[4]。國外建造的結冰風洞多達20余座，世界著名的結冰風洞有美國NASA 格林研究中心結冰風洞(IRT)、美國LeClerc結冰實驗室的Cox結冰風洞、美國NASA的Lewis結冰風洞[5-6]、加拿大低速及高速結冰風洞與意大利航天研究中心的結冰風洞等[7]。Andrea G.Kraj等利用UMITF結冰風洞對風力機葉片表面結冰冰形生長特性進行了研究[8-9]。我國的結冰風洞研究雖起步較晚，但發展速度很快，如南京航空航天大學建設了引射式結冰風洞[10-11]、中國空氣動力研究與發展中心于2017年設計建設了2m×3m 大型結冰風洞等[12-13]。符澄等對結冰風洞環境下的噴嘴霧化特性進行了研究[14]，孟繁鑫等對結冰風洞內的圓柱進行了結冰試驗[15]，易賢等對結冰風洞水滴直徑及水滴結冰分布進行了研究[16-17]。

由于進行風洞結冰試驗耗能大、成本高，一些科研機構難以進行有效的科學研究。為此，本研究利用東北地區特有的長時間低溫環境，于2015年設計了一種利用自然低溫的風力機結冰風洞試驗系統[18]，并通過該結冰試驗系統進行了旋轉圓柱及翼型結冰試驗[19-21]，對獲得的結冰數據進行了研究分析，得到了一系列研究成果。但該試驗系統受到風洞口徑的限制，不能進行大直徑下的結冰試驗。為此，本研究在原有試驗系統的基礎上設計一種利用可變截面試驗段的結冰風洞試驗系統，可有效提高結冰風洞的試驗能力。對風洞試驗段內的環境參數如溫度分布、速度分布和液態水含量(Liｑuid Water Content，LWC，g/m3)分布等進行標定與分析，結果顯示本系統性能穩定，滿足結冰試驗系統要求。利用本試驗系統進行圓柱和翼型的結冰試驗，對得到的二維結冰冰形與原系統下相同圓柱及翼型得到的二維結冰冰形進行對比分析。

1 結冰風洞試驗系統設計

1.1 試驗系統設計

在對原有的結冰風洞試驗系統充分研究的基礎上，設計并制造一種利用自然低溫的旋轉葉片結冰風洞試驗系統。原有結冰風洞試驗系統如圖1(a)所示，以日本鳥取大學工學部設計制造的開口射流式風洞為基礎，在其后加裝了噴霧段、混合段、試驗段及水霧排出段，利用東北地區特有的自然低溫進行結冰試驗，可降低高制冷量及高風速下的能源消耗。利用該試驗系統進行了旋轉圓柱及葉片的結冰試驗，得到其結冰冰形數據并進行數據分析。然而本系統受到基礎風洞口徑的影響，其旋轉半徑受到限制。加裝混合段雖使其風道口徑增加，但受到液態水含量分布及來流速度分布等因素影響，其試驗旋轉半徑尺寸仍受到諸多限制。為此，本文提出一種可變試驗段截面結冰風洞試驗系統，系統示意圖如圖1(b)所示，在其后亦加裝噴霧段、水霧混合段、試驗段及水霧排出段。該試驗系統將旋轉試驗臺偏置于風洞一側并完成與試驗段的配裝，其結構示意圖及實物圖如圖2(a)和(b)所示。

在該配裝方式中，由于旋轉試驗臺與試驗段配裝，則其旋轉半徑只受到試驗段尺寸制約，所以只需將試驗段設計為所需尺寸，便可完成預想條件下的結冰試驗。如此可不通過大口徑結冰風洞完成較大旋轉半徑下的結冰試驗，有效降低結冰試驗成本。

圖2 旋轉葉片試驗臺與可變截面試驗段結構圖

1.2 試驗系統工作原理

在利用本系統進行葉片結冰試驗時，其實現過程如下：首先通過變頻器調節電機轉速，并利用力矩轉速儀完成對葉片轉速的測量，顯示葉片模型轉速；繼而冷氣吸入段及常規風洞段將外部冷空氣吸入風道內，噴霧段內噴霧系統完成水霧的噴灑后，水霧在混合段內與吸入風洞腔體內的冷空氣完成混合并加速，形成一定流速的過冷水滴并流入試驗段腔體內；最終葉片模型在試驗段腔內以一定轉速繞軸旋轉時，僅轉至試驗段與混合段后部開口的噴霧區域內完成結冰，而在其他部分的非噴霧區域不發生結冰且保持冰形，當其轉至噴霧區域內完成進一步結冰。這樣只需保證非噴霧區域溫度低于0℃，葉片模型在非噴霧區內結冰冰形便不會發生融化，從而保證了結冰外形。圖3(a)為葉片在原有系統內運動示意圖，圖3(b)為葉片在本系統內運動示意圖，圖4為本試驗系統某結冰試驗過程中的葉片模型運動情況。

2 結冰風洞試驗系統環境參數測量與評價方法

本系統以試驗段為主要工作段，需要對試驗段內的溫度分布、速度分布、液態水含量(LWC)分布及水滴粒徑平均直徑(Medium Ｖolume Diameter，MＶD)等主要環境參數進行標定與分析。由于2個系統所采用的噴霧系統相同，故水滴粒徑平均直徑(MＶD)相同，只需測量其余參數即可。

圖3 旋轉葉片在試驗段內運動示意圖

圖4 試驗過程中的葉片

2.1 試驗段溫度標定

對圖5所示的試驗段溫度測試區域某個試驗狀態下各位置的溫度進行測定，得到了如圖6所示的溫度分布云圖。從溫度分布云圖中可知，過冷氣流從噴霧區域流出，通過葉片旋轉帶動噴霧區冷氣體進入非噴霧區，從而形成熱交換，故非噴霧區域溫度明顯高于噴霧區域，且噴霧區域內的平均溫度為-8℃，滿足試驗要求。對于非噴霧區域，實驗模型劃過的弧線始終低于0℃，即模型在噴霧區域結冰后，轉動至非噴霧區域時冰不發生融化，保持原有結冰外形，滿足試驗要求。

圖6 試驗段截面溫度分布

2.2 試驗段流速標定

在進行結冰試驗時，葉片模型在噴霧區域完成結冰，故對噴霧區域的流場均勻性進行測量與分析，圖7(a)為本系統的風速測量位置，得到如圖8(a)所示的速度分布云圖。圖7(b)為原有系統試驗段測風位置，圖8(b)為原有系統速度分布云圖。

圖7 測風位置

通過圖8可以看出，2個系統試驗段截面風速分布云圖的中心位置均出現了較為均勻的流場，就整體而言，噴霧區域的風速是均勻的，滿足試驗要求。2個系統風速分布中心區域均出現了小塊低風速區域，其原因在于2個系統均采用相同的開口式射流風洞，在風速分布上具有一定的相似性，該低風速區域分布較小，對結冰風洞試驗系統流場分布的影響較小。

(b)原系統

2.3 液態含水量(LWC)分布測量與分析

采用柵格法對試驗段噴霧區域的液態水含量分布進行測量，圖9(a)為本系統所用柵格，圖9(b)為原系統所用柵格。

本系統柵格置于噴霧區流入口處，尺寸為400mm×400mm，對流入試驗段的水霧進行LWC測定；原系統柵格置于試驗段腔體內，尺寸為568mm×568mm，對腔體內的LWC 進行測量。2個系統所用柵格的網格間距均為80mm，橫、縱棱寬度均為8mm，材質均為有機玻璃。

圖9 試驗用柵格

圖10(a)為本系統下的液態水含量(LWC)分布云圖，圖10(b)為原系統下的液態水含量分布云圖。由于2個系統風速分布均呈現一定的不均勻，且均采用高壓水霧噴頭，噴霧形狀為圓錐形，噴霧區域為中間水量大，周圍水量小，這就使得2個系統的LWC均呈現一定的不均勻性，在云圖上表現為2個系統在試驗段噴霧區域截面上圍繞中心區域形成多個相近環形區域，該區域LWC 均勻度均滿足結冰試驗要求。而原系統因混合段口徑增加，其液態水含量分布不夠均勻。本試驗系統液態水含量分布較為均勻，這也將使該試驗系統的性能得到有效的提高。

圖10 噴霧區域液態水分布

3 結冰風洞試驗系統性能驗證

利用相同圓柱及葉片，在2個系統內進行相同工況的結冰試驗，通過結冰冰形及制訂的結冰性能評價方法驗證該結冰試驗系統性能。

3.1 結冰試驗參數的確定

首先確定2個系統相同的環境參數：結冰溫度T＝-8℃；來流風速U＝4.54m/s；液態水含量LWC＝0.5g/m3；過冷水滴平均粒徑MＶD＝40μm。

若想在環境參數一致的條件下，2個系統進行相同工況的結冰試驗，需要確定2個系統下的結冰時間t，旋轉模型角速度ω 和截面離轉軸距離r。

原有試驗系統參數為：結冰時間tf，角速度ωf，截面離轉軸距離rf；本試驗系統參數為：結冰時間tm，角速度ωm，截面離轉軸距離rm。

為了使2個系統具有相同的試驗條件，需滿足模型圓周速度相同，即

ωmrm＝ωfrf

(1)

原有試驗系統在結冰時間tf內葉片劃過的圓周長度為

Cf＝ωfrftf

(2)

該試驗系統在結冰時間tm內葉片劃過的圓周長度為

Cm＝ωmrmtm

(3)

本試驗系統僅在噴霧區內產生結冰，噴霧區的截面尺寸為0.4m×0.4m，則弧長Lm滿足

(4)

整理得

(5)

為使2個模型具有相同的結冰試驗條件，則結冰過程中劃過的弧長應相等，即滿足

Cf＝Lm

(6)

將式(2)、(3)、(5)代入式(6)可求得本試驗系統的結冰時間tm為

(7)

通過公式(1)、(7)即可針對該試驗系統進行試驗方案設計。

3.2 結冰性能評價方法

在2個系統下分別進行相同工況的結冰試驗，得到二維結冰冰形，將其放在同一坐標系下進行相似性研究。為直觀評價本系統的結冰性能，需對不規則冰形進行量化分析。利用各工況下的結冰面積進行無量綱化處理，引入無因次結冰面積ηS ，利用ηS 對2個系統下的結冰性能進行數值化研究，無因次結冰面積ηS 為：

ηS＝S/Sm

(8)

式中：S 為二維結冰面積；Sm為旋轉模型截面面積。

3.3 旋轉圓柱結冰對比

對圓柱進行結冰試驗，以驗證其試驗性能。所選用圓柱模型均為鋁制，直徑 分別為20和40mm，高h 均為20mm，其實物模型如圖11所示。

原有試驗系統旋轉半徑r＝0.25m，轉速n＝600r/min，旋轉時間t＝10min；本試驗系統旋轉半徑r＝0.45m，由公式(1)可得本系統的轉速n＝333r/min，由公式(7)可得本系統旋轉時間t＝68.3min。

得到試驗參數對比如表1所示。

圖11 試驗用圓柱

表1 試驗參數對照表

圖12 圓柱結冰冰形

對圓柱的二維結冰冰形進行數據處理得到無因次結冰面積，對比情況如表2所示，通過表中數據可發現2個系統的無因次結冰面積數值差距小，且本系統結冰面積略大于原系統。

表2 圓柱無因次結冰面積對比表

3.4 旋轉葉片結冰對比

進行繞軸旋轉葉片結冰試驗，得到了二維結冰冰形，利用二維結冰冰形數據對本系統的結冰試驗性能進行驗證。所選用的葉片模型不變，均為實心鋁制NACA0018葉片模型和S809葉片模型，葉片弦長c均為100mm，所用模型實物照片如圖13和14所示。

圖13 NACA0018葉片模型

圖14 S809葉片模型

將2個系統的結冰試驗條件均設定為：結冰溫度T＝-8℃；來流風速U＝4.54m/s；液態水含量LWC＝0.5g/m3；過冷水滴平均粒徑MＶD＝40μm。根據原有試驗系統參數旋轉半徑r、旋轉角速度ω 以及結冰時間t，利用公式(1)、(7)得到本系統的各項參數并制定試驗方案，得出2個試驗系統運行參數對比情況如表3所示。

表3 運行參數對照表

對稱翼型NACA0018及非對稱翼型S809利用表3中的工況進行結冰試驗。圖15(a)和16(a)分別為NACA0018及S809葉片實際結冰冰形，圖15(b)和16(b)分別為在2個系統下得到的二維結冰冰形放在相同坐標系下的示意圖。可以發現兩種翼型在原系統和本系統的結冰冰形外形延展趨勢相同，吻合度很高，但本系統結冰冰形均略大于原系統結冰冰形。

對于對稱翼型NACA0018，在1號和2號工況下，葉片模型的迎風面均出現結冰。

對于非對稱翼型S809，在1號工況下葉片的迎風面均出現結冰；在2號工況下葉片均出現了特征明顯的尾緣結冰，且2個系統下的前緣結冰與尾緣結冰冰形相似。

圖15 NACA0018結冰分布圖

圖16 S809結冰分布圖

將得到的二維結冰冰形數據，利用無因次結冰面積ηS 進行數值化研究，結果如表4所示。對稱翼型NACA0018及非對稱翼型S809的無因次結冰面積均表現為2號工況下的結冰面積比1號工況下的結冰面積大，趨勢相同，且本系統無因次結冰面積數值均略大于原系統數值。

表4 無因次結冰面積對比表

3.5 討論

利用相同圓柱及葉片模型在2個系統下進行相同工況的結冰試驗，得到了二維結冰冰形并對其進行分析。發現本系統的結冰冰形輪廓要略大于原系統，無因次結冰面積數值也略大于原系統，原因在于本系統內的旋轉圓柱及葉片模型劃過噴霧區域內過冷水滴流速大、液態水含量高、溫度低的中心區域，而原系統模型只在中心區域外圍以半徑為0.25m 的圓域旋轉，其旋轉區域的液態水含量、溫度及來流風速均略小于平均值。雖然在本文中所取的來流風速、液態水含量及溫度平均值相同，但實際劃過區域內仍有較小差距，這就使得2個系統下的結冰冰形略有不同。在后續的研究中，將進一步提高風洞的噴霧均勻性，降低中心區域與周圍環形區域的的液態水含量分布差異，當降低液態水含量分布的差異時，即降低了試驗系統前后的誤差。

4 結 論

為研究較大旋轉半徑下的葉片結冰試驗，本研究設計制造了一種具有可變截面試驗段的結冰風洞試驗系統，得到相關結論如下：

(1)標定并分析該試驗系統的3個環境變量：溫度分布、速度分布及液態水含量(LWC)分布，結果表明該試驗系統性能穩定良好。

(2)利用圓柱及葉片模型進行旋轉結冰試驗，將試驗中得到的二維結冰冰形與在原試驗系統下相同工況試驗中得到的二維結冰冰形進行形狀相似性對比與無因次結冰面積數值研究。結果顯示，2個系統下得到的二維結冰冰形相似，無因次結冰面積數值雖有差異，但數值規律相同，試驗結果重復性好。驗證了試驗系統性能的穩定性，可利用本系統對風力機葉片等模型進行結冰特性與防/除冰試驗研究。

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(編輯：楊 娟)