【摘要】：直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)是近年來(lái)受到國(guó)際上廣泛關(guān)注的一種升力型垂直軸風(fēng)力機(jī),適合應(yīng)用在中小型風(fēng)能利用領(lǐng)域。然而當(dāng)其安裝在寒冷地區(qū)時(shí),在低溫和潮濕條件下風(fēng)力機(jī)葉片會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)冰會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)的性能,甚至產(chǎn)生安全事故。為了研究直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰特性,尤其是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片結(jié)冰規(guī)律,本研究利用自然寒冷氣候的結(jié)冰風(fēng)洞,對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)葉片和旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪模型進(jìn)行了結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn),并利用數(shù)值模擬對(duì)結(jié)冰前后的垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性變化進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。研究主要分為兩大部分內(nèi)容:(1)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片靜態(tài)結(jié)冰特性研究,主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法。結(jié)冰試驗(yàn)在采用自然低溫的小型結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行。葉片翼型采用直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)常用的NACA0018(對(duì)稱(chēng)翼型)和NACA7715(非對(duì)稱(chēng)翼型)。試驗(yàn)包括在不同攻角下的葉片結(jié)冰分布測(cè)試和在零度攻角下葉片長(zhǎng)時(shí)間結(jié)冰過(guò)程測(cè)試。利用高速攝像記錄結(jié)冰過(guò)程,利用電子天平測(cè)試結(jié)冰質(zhì)量。(2)垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰特性研究,主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)采用NACA0018翼型的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型,葉片個(gè)數(shù)為2葉片和3葉片兩種,測(cè)試了風(fēng)輪在不同水滴流量和葉片減速比下的旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布。分析了葉片結(jié)冰面積,結(jié)冰質(zhì)量,結(jié)冰率等。另外,將結(jié)冰后的葉片形狀輸入,旋轉(zhuǎn)模型以及結(jié)冰前后的葉片進(jìn)行模擬計(jì)算,探討結(jié)冰前后的葉片氣動(dòng)特性變化,結(jié)冰前后的旋轉(zhuǎn)模型功率系數(shù)、力矩系數(shù)變化,結(jié)冰前后旋轉(zhuǎn)模型速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的變化。在本研究條件下得到的主要結(jié)論如下:(1)在零度攻角下NACA0018翼型結(jié)冰是由前緣開(kāi)始逐步向兩側(cè)爬行生長(zhǎng)。NACA7715翼型結(jié)冰分為兩部分,一部分由前緣像兩側(cè)爬行生長(zhǎng),另一部分由后緣向前緣爬行生長(zhǎng)。NACA0018翼型結(jié)冰面積速度趨勢(shì)是逐漸下降的,NACA7715翼型結(jié)冰面積速度趨勢(shì)是先升高后下降。NACA0018翼型和NACA7715翼型前緣結(jié)冰厚度生長(zhǎng)的速度趨勢(shì)都隨時(shí)間的增加而減小。NACA0018翼型兩側(cè)結(jié)冰厚度開(kāi)始沒(méi)有生長(zhǎng),結(jié)冰中期開(kāi)始生長(zhǎng),生長(zhǎng)到一定程度后速度逐漸減緩。NACA7715兩側(cè)結(jié)冰厚度增長(zhǎng)較為穩(wěn)定。NACA0018翼型和NACA7715翼型結(jié)冰效果速度的總體趨勢(shì)是下降的。(2)在一定風(fēng)速下,葉片表面結(jié)冰受攻角變化的影響較大。當(dāng)葉片攻角在-90°~-10°之間時(shí),結(jié)冰主要出現(xiàn)在葉片背部。當(dāng)葉片攻角在0°時(shí),結(jié)冰主要出現(xiàn)在葉片前緣。當(dāng)葉片攻角在10°~90°之間時(shí),結(jié)冰主要出現(xiàn)在葉片的腹部。在流量較大時(shí),低風(fēng)速的結(jié)冰量總體大于高風(fēng)速的結(jié)冰量。NACA0018翼型結(jié)冰面積比總體大于和NACA7715翼型的結(jié)冰面積比。(3)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰發(fā)生整個(gè)葉片表面,與靜態(tài)葉片結(jié)冰有很大不同。葉片結(jié)冰情況隨著LWC、尖速比的增大而越顯著。葉片結(jié)冰面積比隨時(shí)間增加而增加,呈一定的線性變化規(guī)律。在相同條件下小風(fēng)力機(jī)實(shí)度越大單葉片結(jié)冰率越小,對(duì)整機(jī)而言,實(shí)度越大結(jié)冰率越高。(4)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰后的升力系數(shù)降低,阻力系數(shù)增大,且隨著尖速比的增加和結(jié)冰量的增多而趨勢(shì)加大;風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)也隨之下降,在尖速比較大時(shí),下降趨勢(shì)明顯。結(jié)冰后的葉片翼型周?chē)膲毫?chǎng)和速度場(chǎng)發(fā)生了不同程度的變化,使葉片氣動(dòng)特性改變。本研究可為垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的防冰與除冰技術(shù)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TK83

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