冷面结霜研究及风力机叶片覆冰的数值模拟

发布时间：2020-11-21 01:25

　　结霜现象广泛存在于制冷空调、航空航天和风力发电等多领域，并带来很大的危害，前人围绕结霜现象进行了很多研究，近年来这些研究不断深入到霜层内部细节和动态结构特征，但对于结霜过程中霜层和湿空气参数空间分布变化研究得较少，对风力机叶片表面覆冰的研究也比较少。本文实验研究了环境参数和冷面温度对结霜初期过冷水珠和结霜过程中冰晶体积分数的影响，数值模拟研究了霜层生长过程中霜层和湿空气参数的变化规律以及风力机叶片覆冰过程中攻角和风速对覆冰量及覆冰形貌的影响。本文通过对结霜过程的可视化研究发现，在霜晶出现之前，冷面上都经历了水珠生成、聚合长大和水珠冻结的过程，但水珠的出现时刻及冻结时间受环境因素的影响：风速越大、冷面温度越低以及环境温度越低，则冷面上过冷水珠越早出现，同时水珠的冻结时间越短。在一定范围内，冷面温度越高、风速越大、环境温度越高，则冰晶体积分数越高。改进了课题组原有结霜模型的质量传输判据和模型，利用Fluent模拟了霜层生长过程，考察了冷面附近霜层和湿空气参数随空间和时间的变化规律，以及环境温度、相对湿度、风速和冷表面温度对冷面附近霜层和湿空气参数的影响，结果表明冰晶体积分数受环境工况影响的规律跟实验结论较为符合，并且风速越大，冰相体积分数沿空气流向分布越均匀。在霜层内部，时间越久、高度越低，则冰相体积分数越高，并且沿着空气流向逐渐降低，且入口附近降幅较大，但出口附近有小幅度的上升。在冷面结霜模型的基础上，采用湍流模型和新的质量传递模型对夹杂过冷水滴的空气流经叶片表面时的覆冰进行了初步的模拟。结果表明过冷水滴受空气流场影响较小，覆冰一般在迎风面发生；当叶片攻角增加时，过冷水滴随着来流撞击到叶片下表面的几率增加，覆冰面积和覆冰质量均增加；由于驻点处受来流的垂直撞击，故驻点处覆冰量较少，两侧覆冰量较多；随着来流风速的增加，叶片表面覆冰量增多，其原因是：单位时间内撞击到叶片表面的过冷水滴数增加，同时单位体积内撞击到叶片表面的过冷水滴百分数增加，使得叶片表面覆冰量明显增加。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

雨凇,雾凇,风力机叶片,覆冰

各种初始霜晶形状

不易破碎，密度较大，难以去除。图 1.2 雾凇图图 1.3 雨凇图1.2.4 影响因素的研究霜层是由冰晶和湿空气构成的特殊多孔介质，结霜过程是一个具有移动边界，变物性的复杂传热传质过程。霜层表面和主流湿空气之间的温差决定着水蒸气转变为霜晶的形式。一般而言，当温差较小时，分子扩散和紊流扩散成为结霜的主要机理，水蒸气通过这两个过程传输到冷表面；而温差较大时，水蒸汽在流经冷表面时温度迅速降低，可能在冷面附近凝结或凝华，此时的结霜机理主要是颗粒间的碰撞和表面对颗粒的吸收；而当遇到极低温表面，水蒸气通过冷表面时直接凝华为小冰粒，由于热质扩散的作用冰粒向冷表面迁移进入霜层[31]。对于冷面结霜，影响霜层生长的主要因素有冷面温度、主流温湿度、主流速度和表面特性；对于风力机叶片表面覆冰，来流速度、风机转速、攻角大小以及过冷水滴含量和直径对表面覆冰均有着直接的关系[32]。综合已有文献，得出湿空气参数和冷表面温度对霜层物性的影响，如表 1.1 所示。表 1.1 湿空气参数及冷面温度对霜层的影响霜层物性工况霜层生长速率霜层密度增大湿空气湿度提高增加提高湿空气温度下降增加提高雷诺数影响不大增加提高冷表面温度下降增加孙玉清等[33]分别对普通表面和疏水表面的结霜情况进行了对比实验研究，结

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