典型风力机翼型结冰特性分析

针对风力机叶片的结冰会严重影响风电机组的功率输出、危害风电机组的安全运行的情况,采用计算流体力学方法研究了典型的风力机翼型的结冰特性。首先,对攻角分别为0°,4°,8°的NACA0012翼型水滴撞击特性进行了计算,计算结果与文献实验结果吻合良好,表明了计算方法的正确性。在此基础上,对不同风速和不同温度下的典型风力机叶片表面的覆冰进行了模拟研究,得到了水收集系数和结冰厚度随温度和速度的变化趋势。结果表明:风速增加导致叶片表面结冰厚度增加,结冰附着面积增加;温度降低导致叶片表面结冰厚度增加;S801翼型的抗冰效果明显大于S802翼型的抗冰效果。研究结果有利于在低温环境中合理选择翼型,为降低叶片结冰危害程度提供参考。     

覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性及其影响因素分析

为探究覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性,分析温度、湿度、风速、运行时间四个因素对覆冰叶片振动特性的影响,以1:12.5建立的实体风力机模型为研究对象,搭建旋转风力机叶片覆冰振动测试试验台,设计四因素三水平正交试验,采用环境激励(风激励)和多点拾振的方法进行模态测试。试验研究了不同覆冰状态下旋转风力机叶片的振动特性及其变化规律;以最大振动频率为评价指标,分析四个因素对覆冰风力机叶片振动特性的影响。结果表明:相同覆冰条件下,覆冰厚度不变,旋转风力机叶片振动频率由叶尖至叶根逐渐减小;覆冰位置不变,覆冰厚度增加,旋转风力机叶片振动频率逐渐降低;旋转风力机叶片运行环境温度和湿度变化对其振动频率的影响较大。为进一步分析覆冰条件下旋转风力机叶片的位移响应和振型变化,建立了风力机三维模型,利用ANSYS软件对其进行谐响应分析,分析结果显示不同覆冰状态下叶片振型变化无明显差异,覆冰厚度增加,叶片位移响应值明显增大。研究结果可为覆冰条件下风力机运维策略选择及叶片覆冰安全监测提供理论参考。     

架空导线覆冰实验及模拟

在小型开式冰风洞中对架空导线覆冰过程进行测试,风洞位于低温环境室中,在不同工况下,每隔1 h测量导线上的冰负荷和冰密度以及观察覆冰类型,覆冰测试时间为6 h,将实验结果与改进后基于热平衡的覆冰模型进行比较及误差分析。研究结果表明:当气流温度从-10℃逐渐升高到-2℃时,覆冰开始为干增长(雾凇),然后逐渐变为湿增长(雨凇),同时冰密度增加;风速增加会导致覆冰量增加,但如果气流中液态水含量比较高,即使是在较低的温度下,覆冰类型也为雨凇;改进的覆冰模型对导线冰负荷的预测与实验结果较吻合。     

自然条件下输电线路导线覆冰增长特性

输电线路导线覆冰严重威胁着电网安全运行.导线覆冰过程复杂,影响因素众多,对其覆冰增长规律的准确掌握是建立并优化导线覆冰数值计算模型的基础.从自然覆冰试验出发,依托雪峰山自然覆冰试验基地对不同种类的导线进行了自然覆冰观测试验,研究了导线直径、导线表面处理情况、覆冰类型及导线扭转对导线覆冰增长过程的影响.通过导线表面水滴碰撞系数的计算分析了不同直径导线覆冰的差异性.研究结果表明:自然环境条件下,风速对导线雾凇覆冰冰形起决定性作用,覆冰主要在导线迎风面(横向迎风侧)累积,而背风侧和纵向覆冰较少.覆冰厚度随时间非线性增长,导线直径越小,覆冰厚度增长越快.导线扭转使得导线背风侧向迎风侧转变,覆冰厚度增长速率加快.雨凇覆冰时,除迎风侧翼型覆冰外,导线下方易冻结形成冰棱,使得冰形结构更为复杂.     

风力机叶片表面覆冰影响因素分析

我国低温高海拔地区的风能资源十分丰富，风力机在该环境下运行时会产生叶片表面覆冰现象，不仅降低风力机的发电效率，严重时会影响结构安全性能.采用Fluent与FENSAP-ICE相结合的方法对风力机叶片表面覆冰问题进行数值模拟分析，明确环境温度、来流速度、水滴等主要环境因素影响下叶片表面覆冰发展规律.结果表明，环境温度从-5℃降低到-20℃的过程中，覆冰质量随温度的降低呈线性增长，增长幅度约为0.74 kg/℃;当温度继续降低时，覆冰质量增长幅度降低为0.228 kg/℃.来流速度、空气中水含量(LWC)与水滴直径(MVD)的增加均使覆冰质量呈线性提高，覆冰质量增长幅度分别约为0.236 kg·s/m、8.529 kg·m³/g、0.512 kg/μm.降低环境温度、增大来流速度和LWC会增加叶片覆冰面积，但增大MVD会使覆冰面积减小.     

不同覆冰状态下导线风致振动响应仿真

为研究动态风载作用下不同覆冰状态下输电导线的动力响应,利用谐波叠加法模拟多点相关的脉动风速时程曲线,得到不同覆冰形式下的风荷载,建立导线有限元模型,对不同覆冰状态下输电导线各特征参数和风速的相关性,并对导线振动特性以及动张力特性进行分析。结果表明：在随机风作用下,不均匀覆冰对风速的相关性最强;相同风速下,覆冰厚度和覆冰形式对导线振动特性影响不大;均匀覆冰时,导线张力峰值在15 mm覆冰时达到最大,张力峰值为69 180.4 N;不均匀覆冰状态下,中央重覆冰对导线张力的影响强于两侧重覆冰。     

叶片覆冰对支撑结构抗冰性能的影响分析

海上风能资源作为清洁能源具有较大发展潜力。在我国黄渤海地区,风力机叶片表面在寒冷潮湿环境下易出现覆冰现象,覆冰不均匀可能会改变风机支撑结构的整体力学性能。在结冰海域,海冰会造成风电基础结构强烈的冰激振动。叶片覆冰后不仅会降低风电机组的发电效率,还会影响支撑结构的冰振特性。本文首先通过FENSAP-ICE对叶片覆冰过程进行研究,明确了不同环境条件下的风机叶片覆冰特性;其次,采用增加质量和改变质心位置的等效质量分布方法,建立风机叶片覆冰后支撑结构的冰振响应分析方法。最后,选取某单桩式海上风电基础结构,对不同的风机叶片覆冰情况下支撑结构的力学性能进行分析,并讨论叶片覆冰对支撑结构的抗冰性能影响。     

新月形覆冰单导线静气动力特性的无网格数值模拟研究

覆冰导线在风激励下的气动力系数及其随风速攻角的变化规律是导线舞动的关键因素。论文采用基于LBM方法的无网格数值模拟软件Xflow对新月型覆冰单导线的静气动力特性进行研究,特定风速和冰厚条件下的数值模拟结果与文献风洞试验数据的高度吻合,验证了该方法的可靠性和准确性。进而开展的变风速和变冰厚条件下的导线气动力特性系数随攻角变化的规律,也与风洞试验结果呈现出一致的趋势。论文的研究表明,利用Xflow对覆冰导线气动力特性进行研究,不需要对覆冰导线周围的空气流场划分网格,提高了数值模拟的效率,为覆冰导线舞动机理的研究提供了新的、有效的途径。     

覆冰单导线舞动非线性数值模拟

为研究覆冰导线的舞动响应,针对覆冰导线所受空气动力的非线性和导线大幅运动的几何非线性,采用具有3个平动自由度和1个扭转自由度的两节点索单元,建立了考虑空气动力荷载与位移和速度耦合的舞动分析有限元模型。采用对加速度中心差分、对速度向后差分的时间积分法对舞动进行非线性数值求解。利用MATLAB编制了相应的计算程序。通过对算例的舞动数值模拟验证了该方法与程序的正确性;且具有较高的计算精度及效率;并利用该方法研究了风速对舞动的影响。研究结果表明在初始攻角不变的情况下,随着风速增大,导线的振幅不断增大;但导线竖向振幅增幅较大,水平向振幅增加较小;当风速增大到一定程度,竖向振幅增加开始变得不明显,振幅最终趋于稳定值。     

特高压新月型覆冰导线气动力特性研究

针对特高压多分裂输电导线的概况,通过风洞试验和FLUENT流体动力学软件,分析了八分裂新月型覆冰导线各子导线在不同风攻角、风速下气动力特性的变化规律,并将模拟结果与风洞实验数据进行了对比分析。同时探讨了阻力系数和升力系数变化规律的内在原因。风洞试验和数值模拟结果都表明风攻角对八分裂覆冰导线子导线气动力特性影响明显,风速对阻力系数的影响较大,对升力系数的影响却并不明显。数值模拟与风洞试验得到的气动力系数基本一致。     

导线倾角与覆冰过程扭转因素对覆冰形状特性影响研究

输电导线覆冰严重威胁电网运行安全,准确预测导线覆冰形状和增长趋势,可以有效预防次生灾害的发生.已有输电导线覆冰增长预测模型较少考虑覆冰偏心扭转对导线表面覆冰形状的影响.为此,综合考虑覆冰偏心、风速等对导线的耦合扭转特性,建立输电导线动态扭转覆冰预测模型.基于预测模型对导线表面覆冰形状进行预测模拟并与文献实验数据对比,验证了模型的有效性.利用预测模型,进一步讨论导线倾角及温度、风速和MVD（水滴中值直径）对冰形和扭转速度的影响.研究发现,导线迎风面覆冰厚度随着倾斜角度的增加,分层现象逐渐明显.与水平布置（零倾角）导线对比,倾斜角度为60°时,导线覆冰面积分别增加18.26%（覆冰125 min）、26.30%（覆冰245 min）,扭转角度分别增加10.4°（覆冰125 min）、16.2°（覆冰245 min）,冰形呈“沟壑”状.     

风机叶片结冰对其一体化结构动态响应影响的数值分析

基于美国可再生能源实验室的导管架式一体化海上风机模型,将计算流体力学(CFD)方法与风机一体化分析方法进行耦合,研究叶片结冰过程及其结冰后对风机整体动态性能的影响.首先将一体化分析得到的叶片运动姿态输入到CFD中,采用离散多相模型和融化-凝固模型进行三维风机叶片覆冰增长模拟,然后应用k-ε湍流模型计算结冰前后的气动性能,最后将叶片覆冰后的气动载荷结果返回到一体化分析方法中,分析叶片结冰对风机整体响应产生的影响.计算结果表明,叶片沿叶展方向结冰呈线性增加,结冰主要集中在叶片前缘,叶尖处积冰最厚;覆冰后叶片各剖面翼型升力系数降低、阻力系数升高.叶片结冰会降低整机功率、转子的转矩和转速,叶尖和塔顶产生额外振动响应,风机达到额定功率所需风速增大.     

三峡地区导线覆冰的特性及雾凇覆冰模型

根据对鄂西及川东地区输电线路因导线覆冰引起事故的调查结果,分析了三峡地区输电线路导线覆冰的基本特征,并从理论上建立了导线的雾凇覆冰模型。     

多模态耦合的覆冰导线风致舞动分析

深入研究覆冰导线在风致作用下发生的舞动具有重要意义.覆冰输电导线是一个三维连续体,存在面内-面外-扭转多阶模态耦合,因此详细分析覆冰导线发生舞动时各阶模态在耦合作用下的舞动特性是有必要的.本文提出覆冰导线面内-面外-扭转多阶模态耦合的非线性动力分析模型,通过Lyapunov理论对覆冰导线稳定性进行判断,分析了在稳定风场中不同风速下,覆冰导线各阶模态舞动情况.进一步考虑了覆冰导线所在风场的随机性,为提高脉动风场的模拟效率,采用基于Hermite插值改进Cholesky分解的脉动风场模拟方法,分析脉动风下覆冰导线各阶模态舞动特性,并与稳定风场中覆冰导线各阶模态的振动进行比较.     

输电导线覆冰生长及影响因素数值分析模型

针对现有输电线路覆冰生长模型仅注重覆冰生长量、难于准确预测覆冰形貌的问题,建立了输电导线局部冰层增长计算模型。采用空气动力学方程求解覆冰导线周围气流场参数、覆冰表面对流换热系数,进而采用欧拉二相流模型计算覆冰导线表面过冷却液滴碰撞系数;建立包含液滴碰撞、溢流、蒸发、升华等因素的质量平衡方程,基于此方程推导出计算对象热量平衡方程,并采用多级假设、一维搜索求解方程中多个未知量,得出各单元的冻结系数和覆冰质量。算例表明:局部碰撞系数及碰撞区域随风速的提高快速增大,覆冰量相应增大;而环境温度及导线电流的增加使得溢流水出现,覆冰类型由雾凇向雨凇过渡;模型所得覆冰形貌和覆冰量与已有实验结果基本相符,计算结果满足电力系统工程需要。     

风力发电机叶片覆冰状况及防冰除冰措施

适用于寒冷气候条件的风力发电机研究已成为可再生能源领域广为重视的方向。针对环境因素、翼型、风机型号和运行状态等多因素协同作用下的叶片覆冰特性,依据能量分配理论和叶片表面温升特性,论述了主动防冰除冰技术的结构、热载荷分布以及能量传递方式。被动防冰除冰技术中,具有水滴自去除效应的涂层优势显著,依据涂层的防冰机理、导热导电性和化学稳定性等方面,论证其应用在风力发电机叶片上的可行性。最后,防冰涂层与电加热结合构成的复合防冰除冰结构,有效降低能耗、减少回流水结冰,但在涂层表面润湿性转变、导热率和耐久性等方面的研究尚存一定的争议,将是未来主要的研究方向。     

风力发电机组叶片的气动特性优化研究

叶片是风力发电机获取风能至关重要的部件,性能优良的叶片能够使机组获得充足的动力从而实现理想的功率输出。对叶片进行空气动力学特性分析．来获取功率、风能利用率最大时,风机叶片的转速、升阻比、风速的最佳值,以此来提高风力机的气动优良性,对风力发电机组性能的提高具有重要的意义。     

水平轴风机旋转叶片非线性动力学模型的建立及分析

 对不同风速下水平轴风力发电机旋转叶片的非线性动力学问题进行了研究,将水平轴风力发电机的旋转叶片简化为做定轴转动的柔性旋转悬臂梁,同时考虑叶片的气动力、弹性力和惯性力,建立了脉动风速作用下水平轴风力发电机旋转叶片的非线性动力学模型,利用牛顿定律建立了转动坐标系下叶片的动力学方程,并利用Galerkin离散方法将系统的运动偏微分方程离散为常微分方程。针对1/2亚谐共振-1:3内共振情形,考虑到方程中存在二次非线性项,采用渐进摄动法对该方程进行摄动分析,将其转化为直角坐标下的平均方程。通过数值模拟,得到这种共振情况下的二维相图、三维相图、波形图和频谱图,分析了风速的变化对旋转叶片振动的影响。数值结果表明,随着风速的增大,系统会重复呈现周期运动—混沌运动—周期运动。     

不良气象微环境下桥塔横梁覆冰灾害过程模拟

冬季桥塔横梁坠冰是威胁桥梁交通安全的重大隐患之一,系统分析不良气象微环境下横梁覆冰灾害过程机制,是保证桥梁交通安全的迫切需求。本文依托FLUENT与FENSAP-ICE软件建立了桥塔横梁覆冰数值仿真模型,探讨了风速、液态水含量和环境温度等微气象参数对桥塔横梁覆冰灾害演化过程的影响规律。结果表明：本文提出的数值仿真方法在明冰及霜冰条件下均具有较高的可行性与准确性;对武汉长江二桥桥塔横梁结冰数值模拟发现,覆冰区域集中分布于横梁迎风侧前缘及上下边缘,整体呈现出“U”型分布特征,是横梁防冰、除冰的重点区域;不良气象微环境是影响横梁结冰形态、分布及覆冰量的重要因素,覆冰形状受风速、液态含水量影响较大,受温度影响较小。     

覆冰导线舞动数值仿真分析

利用ABAQUS有限元分析软件,通过欧拉梁单元的自由度释放和设置材料为不可压缩,模拟得到具有扭转自由度的覆冰导线的索单元,进一步利用用户自定义单元模拟覆冰导线所受的阻力、升力和扭矩空气动力载荷,分析了覆冰导线的舞动现象,并通过覆冰单导线与覆冰双分裂导线舞动模拟算例验证了方法的正确性。模拟研究了覆冰初始攻角、线路档距和导线初始张力等因素对覆冰导线舞动的影响规律。所得结果对覆冰导线舞动和防舞技术的研究具有一定的参考价值。