導讀：

風能具有可再生、無污染而且儲量大的優勢，采用風力發電機將風能轉化成電能是現在綠色能源的重要來源之一。為了提高風力機的裝機容量，在寒冷地區(高山)安裝風力機的情況越來越多，主要原因是寒冷地區的空氣密度更高，大溫差形成的風更強，有利于風能的利用。風力機葉片表面的形狀對風能的利用效率影響很大，在高緯度或高海拔地區的冬季，空氣中的過冷水滴碰到運行的風力機葉片會引起葉片表面結冰，對風力機運轉的安全性和經濟性造成嚴重的影響。

人工為風電葉片除冰

葉片大量覆冰會造成風力機功率損失、機械故障、墜冰引發的安全隱患等問題：改變葉片的氣動性能，造成葉輪氣動、質量不平衡；升力系數下降和風能利用率降低，造成發電量的損失；阻力系數增加，導致傳動鏈軸向載荷過大；葉片質量增加，輪轂轉矩增大，影響葉根處疲勞壽命；葉片旋轉過程中容易出現冰塊脫落，發生墜落傷害等事故。

鑒于以上葉片結冰的巨大危害，所以本文通過仿真方法確定多個因素對結冰的影響，盡可能優化設計以減少結冰情況的發生。另外，通過仿真方法分析結冰厚度、結冰位置，為后續除冰提供指導依據。

1 仿真前處理

1.1 幾何模型處理

在進行數值計算之前，往往需要將數模進一步的處理，以方便而準確地得到數值解。這部分數模處理工作使用ANSYS SCDM中的建模工具完成。

風力發電葉片計算域數模

建立的數模為典型的方型遠場。

1.2 網格劃分和邊界條件

網格生成是采用計算流體力學方法對流場進行數值模擬的基礎，常用的網格分為結構網格和非結構網格兩大類。本文工作要借助通用的網格生成軟件FLUENT MESHING生成計算區域內的網格。該類型的網格尺度容易控制，對復雜外形和不規則壁面邊界的適應性強，有助于后續的流場計算結果的收斂性。

劃分網格需建立相應的遠場邊界面、地面以及葉片表面分區。遠場形狀的選取與目標體的幾何拓撲形狀相關，應盡量保證相似性。遠場和葉片的距離應相對足夠大以避免遠場對近壁面區的影響。葉片截面最大弦長約為4.5m，本文取遠場與葉片距離為該值的8倍。由于FENSAP流場求解器要求壁面第一層網格尺寸必須小于10-5m，本文采用0.005mm的邊界層第一層網格厚度。

計算區域內生成的網格如圖所示。網格在葉片表面附近密度增大用來捕捉邊界層區域的流動信息。

為了得到更加準確的計算結果，這里將地面也建立了致密的邊界層網格。

風力發電葉片計算域整體網格

風力發電地面附面層網格加密

邊界條件是指在求解區域的邊界上所求解的變量或者變量的一階導數隨位置或者時間的變化規律。邊界條件是使計算流體力學問題有確定解的必要條件，只有給定合理的邊界條件，才可能計算得到正確的流場數值解。在本文的空氣場計算中，遠場面設為壓力遠場條件，葉片表面設定為無滑移壁面邊界條件，地面設為參數壁面條件。

2 模型選擇及條件設置

壓力遠場條件需要設定壓力和速度，根據狀態點的具體參數輸入壓力以及速度分量。葉片表面為壁面條件，且認為底層無滑移，即認為邊界層底部的氣流速度為0。地面邊界條件不需要指定具體的數值，計算時軟件默認其兩側的數據壁面分布。

流體在實際流動過程中，流體介質之間會進行質量、動量和能量的相互交換，引起各物理量數量上的波動。由于這種波動是小尺寸且是高頻率的，所以不能直接模擬。通常采用Reynolds時均方程的模擬方法，根據增加的控制方程數量，可以將湍流模型分為零方程模型、一方程模型、二方程模型和多方程模型。Spalart-Allmaras單方程模型適用于帶有層流流動的固壁湍流流動，它被設計用于航空領域且已經顯示出了較好的效果,與試驗結果吻合度高。因此本文采用S-A模型作為湍流模型，解決葉片的外流場湍流問題。

庫朗特數的選擇會影響FENSAP對流場以及DROP3D對水滴場的求解過程。本報告選擇的流場求解庫朗特數為100，在這個數值下，本地時間步由特征速度，音速以及每個單元體的尺寸計算得出。本文選擇的水滴場求解庫朗特數為2，在這個數值下，本地時間步由當地速度，阻力以及每個單元體的尺寸計算得出。在計算水滴場時，選擇monodisperse模型作為水滴分布模型，即認為水滴具有單分散性，所有水滴直徑均為預先設定的20μm。

3 計算結果：

本文葉片表面計算節點分布如下所示：

風力發電葉片表面節點分布

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