李 巖, 孫 策, 郭文峰,2, 王紹龍, 馮 放, 姜 禹

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點實驗室, 哈爾濱 150030; 3. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 哈爾濱 150030)

0 引 言

風(fēng)能、太陽能等綠色能源是當(dāng)今世界大力發(fā)展的清潔能源，風(fēng)能以其儲量巨大、應(yīng)用范圍廣泛等特點得以大規(guī)模開發(fā)利用[1]。風(fēng)能的開發(fā)利用對環(huán)境保護(hù)、優(yōu)化傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)有極為深遠(yuǎn)的意義[2]。風(fēng)力發(fā)電場選址集中在高寒地區(qū)及靠近沿海的高濕度地區(qū)，但近年來隨著全球極寒天氣的頻繁出現(xiàn)，令分布在寒冷地區(qū)的風(fēng)力機(jī)面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗。極寒天氣會導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片、機(jī)艙和導(dǎo)流罩等部位結(jié)冰，而葉片作為風(fēng)力機(jī)工作的主要工作部件，產(chǎn)生結(jié)冰會嚴(yán)重影響其氣動性能及載荷分布，從而導(dǎo)致其發(fā)電效率下降、工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重的甚至引發(fā)安全事故，所以對葉片結(jié)冰特性的研究尤為重要[3]。

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

由于進(jìn)行風(fēng)洞結(jié)冰試驗耗能大、成本高，一些科研機(jī)構(gòu)難以進(jìn)行有效的科學(xué)研究。為此，本研究利用東北地區(qū)特有的長時間低溫環(huán)境，于2015年設(shè)計了一種利用自然低溫的風(fēng)力機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)[18]，并通過該結(jié)冰試驗系統(tǒng)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)圓柱及翼型結(jié)冰試驗[19-21]，對獲得的結(jié)冰數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究分析，得到了一系列研究成果。但該試驗系統(tǒng)受到風(fēng)洞口徑的限制，不能進(jìn)行大直徑下的結(jié)冰試驗。為此，本研究在原有試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計一種利用可變截面試驗段的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)，可有效提高結(jié)冰風(fēng)洞的試驗?zāi)芰?。對風(fēng)洞試驗段內(nèi)的環(huán)境參數(shù)如溫度分布、速度分布和液態(tài)水含量(Liｑuid Water Content，LWC，g/m3)分布等進(jìn)行標(biāo)定與分析，結(jié)果顯示本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足結(jié)冰試驗系統(tǒng)要求。利用本試驗系統(tǒng)進(jìn)行圓柱和翼型的結(jié)冰試驗，對得到的二維結(jié)冰冰形與原系統(tǒng)下相同圓柱及翼型得到的二維結(jié)冰冰形進(jìn)行對比分析。

1 結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

在對原有的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)充分研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制造一種利用自然低溫的旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)。原有結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)如圖1(a)所示，以日本鳥取大學(xué)工學(xué)部設(shè)計制造的開口射流式風(fēng)洞為基礎(chǔ)，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(qū)特有的自然低溫進(jìn)行結(jié)冰試驗，可降低高制冷量及高風(fēng)速下的能源消耗。利用該試驗系統(tǒng)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)圓柱及葉片的結(jié)冰試驗，得到其結(jié)冰冰形數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。然而本系統(tǒng)受到基礎(chǔ)風(fēng)洞口徑的影響，其旋轉(zhuǎn)半徑受到限制。加裝混合段雖使其風(fēng)道口徑增加，但受到液態(tài)水含量分布及來流速度分布等因素影響，其試驗旋轉(zhuǎn)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(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)將旋轉(zhuǎn)試驗臺偏置于風(fēng)洞一側(cè)并完成與試驗段的配裝，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)試驗臺與試驗段配裝，則其旋轉(zhuǎn)半徑只受到試驗段尺寸制約，所以只需將試驗段設(shè)計為所需尺寸，便可完成預(yù)想條件下的結(jié)冰試驗。如此可不通過大口徑結(jié)冰風(fēng)洞完成較大旋轉(zhuǎn)半徑下的結(jié)冰試驗，有效降低結(jié)冰試驗成本。

圖2 旋轉(zhuǎn)葉片試驗臺與可變截面試驗段結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗系統(tǒng)工作原理

在利用本系統(tǒng)進(jìn)行葉片結(jié)冰試驗時，其實現(xiàn)過程如下：首先通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并利用力矩轉(zhuǎn)速儀完成對葉片轉(zhuǎn)速的測量，顯示葉片模型轉(zhuǎn)速；繼而冷氣吸入段及常規(guī)風(fēng)洞段將外部冷空氣吸入風(fēng)道內(nèi)，噴霧段內(nèi)噴霧系統(tǒng)完成水霧的噴灑后，水霧在混合段內(nèi)與吸入風(fēng)洞腔體內(nèi)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(nèi)；最終葉片模型在試驗段腔內(nèi)以一定轉(zhuǎn)速繞軸旋轉(zhuǎn)時，僅轉(zhuǎn)至試驗段與混合段后部開口的噴霧區(qū)域內(nèi)完成結(jié)冰，而在其他部分的非噴霧區(qū)域不發(fā)生結(jié)冰且保持冰形，當(dāng)其轉(zhuǎn)至噴霧區(qū)域內(nèi)完成進(jìn)一步結(jié)冰。這樣只需保證非噴霧區(qū)域溫度低于0℃，葉片模型在非噴霧區(qū)內(nèi)結(jié)冰冰形便不會發(fā)生融化，從而保證了結(jié)冰外形。圖3(a)為葉片在原有系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動示意圖，圖3(b)為葉片在本系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動示意圖，圖4為本試驗系統(tǒng)某結(jié)冰試驗過程中的葉片模型運(yùn)動情況。

2 結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)測量與評價方法

本系統(tǒng)以試驗段為主要工作段，需要對試驗段內(nèi)的溫度分布、速度分布、液態(tài)水含量(LWC)分布及水滴粒徑平均直徑(Medium Ｖolume Diameter，MＶD)等主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定與分析。由于2個系統(tǒng)所采用的噴霧系統(tǒng)相同，故水滴粒徑平均直徑(MＶD)相同，只需測量其余參數(shù)即可。

圖3 旋轉(zhuǎn)葉片在試驗段內(nèi)運(yùn)動示意圖

圖4 試驗過程中的葉片

2.1 試驗段溫度標(biāo)定

對圖5所示的試驗段溫度測試區(qū)域某個試驗狀態(tài)下各位置的溫度進(jìn)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(qū)域流出，通過葉片旋轉(zhuǎn)帶動噴霧區(qū)冷氣體進(jìn)入非噴霧區(qū)，從而形成熱交換，故非噴霧區(qū)域溫度明顯高于噴霧區(qū)域，且噴霧區(qū)域內(nèi)的平均溫度為-8℃，滿足試驗要求。對于非噴霧區(qū)域，實驗?zāi)Ｐ蛣澾^的弧線始終低于0℃，即模型在噴霧區(qū)域結(jié)冰后，轉(zhuǎn)動至非噴霧區(qū)域時冰不發(fā)生融化，保持原有結(jié)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(biāo)定

在進(jìn)行結(jié)冰試驗時，葉片模型在噴霧區(qū)域完成結(jié)冰，故對噴霧區(qū)域的流場均勻性進(jìn)行測量與分析，圖7(a)為本系統(tǒng)的風(fēng)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(tǒng)試驗段測風(fēng)位置，圖8(b)為原有系統(tǒng)速度分布云圖。

圖7 測風(fēng)位置

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

(b)原系統(tǒng)

2.3 液態(tài)含水量(LWC)分布測量與分析

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

本系統(tǒng)柵格置于噴霧區(qū)流入口處，尺寸為400mm×400mm，對流入試驗段的水霧進(jìn)行LWC測定；原系統(tǒng)柵格置于試驗段腔體內(nèi)，尺寸為568mm×568mm，對腔體內(nèi)的LWC 進(jìn)行測量。2個系統(tǒng)所用柵格的網(wǎng)格間距均為80mm，橫、縱棱寬度均為8mm，材質(zhì)均為有機(jī)玻璃。

圖9 試驗用柵格

圖10(a)為本系統(tǒng)下的液態(tài)水含量(LWC)分布云圖，圖10(b)為原系統(tǒng)下的液態(tài)水含量分布云圖。由于2個系統(tǒng)風(fēng)速分布均呈現(xiàn)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(qū)域為中間水量大，周圍水量小，這就使得2個系統(tǒng)的LWC均呈現(xiàn)一定的不均勻性，在云圖上表現(xiàn)為2個系統(tǒng)在試驗段噴霧區(qū)域截面上圍繞中心區(qū)域形成多個相近環(huán)形區(qū)域，該區(qū)域LWC 均勻度均滿足結(jié)冰試驗要求。而原系統(tǒng)因混合段口徑增加，其液態(tài)水含量分布不夠均勻。本試驗系統(tǒng)液態(tài)水含量分布較為均勻，這也將使該試驗系統(tǒng)的性能得到有效的提高。

圖10 噴霧區(qū)域液態(tài)水分布

3 結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)性能驗證

利用相同圓柱及葉片，在2個系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行相同工況的結(jié)冰試驗，通過結(jié)冰冰形及制訂的結(jié)冰性能評價方法驗證該結(jié)冰試驗系統(tǒng)性能。

3.1 結(jié)冰試驗參數(shù)的確定

首先確定2個系統(tǒng)相同的環(huán)境參數(shù)：結(jié)冰溫度T＝-8℃；來流風(fēng)速U＝4.54m/s；液態(tài)水含量LWC＝0.5g/m3；過冷水滴平均粒徑MＶD＝40μm。

若想在環(huán)境參數(shù)一致的條件下，2個系統(tǒng)進(jìn)行相同工況的結(jié)冰試驗，需要確定2個系統(tǒng)下的結(jié)冰時間t，旋轉(zhuǎn)模型角速度ω 和截面離轉(zhuǎn)軸距離r。

原有試驗系統(tǒng)參數(shù)為：結(jié)冰時間tf，角速度ωf，截面離轉(zhuǎn)軸距離rf；本試驗系統(tǒng)參數(shù)為：結(jié)冰時間tm，角速度ωm，截面離轉(zhuǎn)軸距離rm。

為了使2個系統(tǒng)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(tǒng)在結(jié)冰時間tf內(nèi)葉片劃過的圓周長度為

Cf＝ωfrftf

(2)

該試驗系統(tǒng)在結(jié)冰時間tm內(nèi)葉片劃過的圓周長度為

Cm＝ωmrmtm

(3)

本試驗系統(tǒng)僅在噴霧區(qū)內(nèi)產(chǎn)生結(jié)冰，噴霧區(qū)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(jié)冰試驗條件，則結(jié)冰過程中劃過的弧長應(yīng)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(tǒng)的結(jié)冰時間tm為

(7)

通過公式(1)、(7)即可針對該試驗系統(tǒng)進(jìn)行試驗方案設(shè)計。

3.2 結(jié)冰性能評價方法

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

ηS＝S/Sm

(8)

式中：S 為二維結(jié)冰面積；Sm為旋轉(zhuǎn)模型截面面積。

3.3 旋轉(zhuǎn)圓柱結(jié)冰對比

對圓柱進(jìn)行結(jié)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(yuǎn) 均為20mm，其實物模型如圖11所示。

原有試驗系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)半徑r＝0.25m，轉(zhuǎn)速n＝600r/min，旋轉(zhuǎn)時間t＝10min；本試驗系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)半徑r＝0.45m，由公式(1)可得本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n＝333r/min，由公式(7)可得本系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時間t＝68.3min。

得到試驗參數(shù)對比如表1所示。

圖11 試驗用圓柱

表1 試驗參數(shù)對照表

圖12 圓柱結(jié)冰冰形

對圓柱的二維結(jié)冰冰形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到無因次結(jié)冰面積，對比情況如表2所示，通過表中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)2個系統(tǒng)的無因次結(jié)冰面積數(shù)值差距小，且本系統(tǒng)結(jié)冰面積略大于原系統(tǒng)。

表2 圓柱無因次結(jié)冰面積對比表

3.4 旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰對比

進(jìn)行繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗，得到了二維結(jié)冰冰形，利用二維結(jié)冰冰形數(shù)據(jù)對本系統(tǒng)的結(jié)冰試驗性能進(jìn)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(tǒng)的結(jié)冰試驗條件均設(shè)定為：結(jié)冰溫度T＝-8℃；來流風(fēng)速U＝4.54m/s；液態(tài)水含量LWC＝0.5g/m3；過冷水滴平均粒徑MＶD＝40μm。根據(jù)原有試驗系統(tǒng)參數(shù)旋轉(zhuǎn)半徑r、旋轉(zhuǎn)角速度ω 以及結(jié)冰時間t，利用公式(1)、(7)得到本系統(tǒng)的各項參數(shù)并制定試驗方案，得出2個試驗系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對比情況如表3所示。

表3 運(yùn)行參數(shù)對照表

對稱翼型NACA0018及非對稱翼型S809利用表3中的工況進(jìn)行結(jié)冰試驗。圖15(a)和16(a)分別為NACA0018及S809葉片實際結(jié)冰冰形，圖15(b)和16(b)分別為在2個系統(tǒng)下得到的二維結(jié)冰冰形放在相同坐標(biāo)系下的示意圖?？梢园l(fā)現(xiàn)兩種翼型在原系統(tǒng)和本系統(tǒng)的結(jié)冰冰形外形延展趨勢相同，吻合度很高，但本系統(tǒng)結(jié)冰冰形均略大于原系統(tǒng)結(jié)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(fēng)面均出現(xiàn)結(jié)冰。

對于非對稱翼型S809，在1號工況下葉片的迎風(fēng)面均出現(xiàn)結(jié)冰；在2號工況下葉片均出現(xiàn)了特征明顯的尾緣結(jié)冰，且2個系統(tǒng)下的前緣結(jié)冰與尾緣結(jié)冰冰形相似。

圖15 NACA0018結(jié)冰分布圖

圖16 S809結(jié)冰分布圖

將得到的二維結(jié)冰冰形數(shù)據(jù)，利用無因次結(jié)冰面積ηS 進(jìn)行數(shù)值化研究，結(jié)果如表4所示。對稱翼型NACA0018及非對稱翼型S809的無因次結(jié)冰面積均表現(xiàn)為2號工況下的結(jié)冰面積比1號工況下的結(jié)冰面積大，趨勢相同，且本系統(tǒng)無因次結(jié)冰面積數(shù)值均略大于原系統(tǒng)數(shù)值。

表4 無因次結(jié)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(tǒng)下進(jìn)行相同工況的結(jié)冰試驗，得到了二維結(jié)冰冰形并對其進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的結(jié)冰冰形輪廓要略大于原系統(tǒng)，無因次結(jié)冰面積數(shù)值也略大于原系統(tǒng)，原因在于本系統(tǒng)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圓柱及葉片模型劃過噴霧區(qū)域內(nèi)過冷水滴流速大、液態(tài)水含量高、溫度低的中心區(qū)域，而原系統(tǒng)模型只在中心區(qū)域外圍以半徑為0.25m 的圓域旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)區(qū)域的液態(tài)水含量、溫度及來流風(fēng)速均略小于平均值。雖然在本文中所取的來流風(fēng)速、液態(tài)水含量及溫度平均值相同，但實際劃過區(qū)域內(nèi)仍有較小差距，這就使得2個系統(tǒng)下的結(jié)冰冰形略有不同。在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步提高風(fēng)洞的噴霧均勻性，降低中心區(qū)域與周圍環(huán)形區(qū)域的的液態(tài)水含量分布差異，當(dāng)降低液態(tài)水含量分布的差異時，即降低了試驗系統(tǒng)前后的誤差。

4 結(jié) 論

為研究較大旋轉(zhuǎn)半徑下的葉片結(jié)冰試驗，本研究設(shè)計制造了一種具有可變截面試驗段的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)，得到相關(guān)結(jié)論如下：

(1)標(biāo)定并分析該試驗系統(tǒng)的3個環(huán)境變量：溫度分布、速度分布及液態(tài)水含量(LWC)分布，結(jié)果表明該試驗系統(tǒng)性能穩(wěn)定良好。

(2)利用圓柱及葉片模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)結(jié)冰試驗，將試驗中得到的二維結(jié)冰冰形與在原試驗系統(tǒng)下相同工況試驗中得到的二維結(jié)冰冰形進(jìn)行形狀相似性對比與無因次結(jié)冰面積數(shù)值研究。結(jié)果顯示，2個系統(tǒng)下得到的二維結(jié)冰冰形相似，無因次結(jié)冰面積數(shù)值雖有差異，但數(shù)值規(guī)律相同，試驗結(jié)果重復(fù)性好。驗證了試驗系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，可利用本系統(tǒng)對風(fēng)力機(jī)葉片等模型進(jìn)行結(jié)冰特性與防/除冰試驗研究。

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(編輯：楊 娟)