不同叶尖速比下VAWT的叶片冰型及性能影响

风力机叶片结冰后会造成大量的能量损失，本文在Fensap-ice中应用多时间步的方法，模拟静叶片表面的结冰，验证结果表明，本文冰型计算的方法具有准确性，模拟得到不同相对风速下的冰型。然后，构建垂直轴风力机整机模型，应用Ansys-cfx计算不同叶尖速比下垂直轴风力机结冰前后的功率系数，发现不同叶尖速比下结冰对功率系数的影响不同，随着叶尖速比的增大，功率系数下降程度增加。

随着大量化石能源的使用，全球变暖、化石燃料枯竭等问题日益严重，2021 年10 月24 号，中共中央国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》。文件提出：积极发展非化石能源， 实施可再生能源替代行动[1]。

在所有可再生能源中， 风能被认为是最具成本效益的能源， 增长迅速[2]。

根据旋转轴，风力机可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机。相比于水平轴风力机，垂直轴风力机外形简单、制造及维修成本低、系统稳定、无需偏航、气动噪声低等优点[3]，目前是一个研究热点。

然而，对于安装在寒冷地区的风力机，在寒冷潮湿的气候条件下，叶片结冰是一个非常严重的问题，影响风力机的输出性能，并导致安全事故[4]。对于叶片表面的结冰类型，受外界环境及自身工况的影响，主要包括温度、压强、风速、液滴水含量、水滴大小、叶片曲率、弦长、水滴收集系数和结冰时间等[5]：当水滴撞击到叶片表面，在驻点处收集并形成回流水，在对流冷却区域回流水结冰并形成冰角，此种冰型称为明冰[6]；水滴撞击后，立即在叶片表面结冰，没有形成不规则的冰角，此种冰型称为霜冰[7]。

国内外对于风力机积冰的模型研究多是在飞机积冰的基础上开展的，早期研究主要采用风洞试验， 随着CFD 技术的迅速发展，关于积冰的数值模拟计算也开始兴起，Lewice、Turbice、Fensapice 等结冰数值模拟软件都相继发展，本文研究采用的是Fensap-ice 软件[8]进行流场计算、水滴撞击、积冰的综合计算，在计算过程中，对水滴做如下假设：水滴在空气中分布均匀，运动过程中尺寸保持不变，水滴的重力、表观质量力等于粘性阻力相比可忽略[9]。

叶片积冰后， 叶片表面气流边界层分离， 会改变风机的气动性能[10]， 引起叶片较大的振动甚至叶片之间的共振， 造成机组的发电效率降低[11]。

目前， 国内外通过数值模拟的方法对于风力机结冰的影响研究主要借鉴航空领域， 集中于单叶片的研究[12] [13]；对于叶片结冰之后在垂直轴风力机整机中的研究鲜少。Rustem Manatbayev 等人应用静态叶片结冰的方法，研究了不同冰型对VAWT 的性能影响，发现霜冰对气动性能没有显著影响，而明冰会损失VAWT 60%的功率性能[14]。

研究冬季湿冷地区不同叶尖速比下垂直轴风力机整机的结冰及气动载荷分析，会对防冰、除冰提供有效指导。为此，本文的研究应用静态叶片结冰方法[14]，内容分为两部分：一、叶尖速比不同，即对叶片而言，不同相对风速下的结冰冰型研究；二、不同叶尖速比下，垂直轴风力机叶片结冰后的性能影响。

2. 计算模型与方法 数值模型验证 叶片结冰模拟采用Fensap-ice 软件， 其计算域如图1 所示， 整体为C 型， 上游设定为R = 20c 的半圆， 下游为L = 40C 的正方形流场域。湍流模型采用Spalart-Allmaras 一方程模型，采用欧拉法计算液滴撞击