摘要：近年来，风电行业发展迅速，风电装机容量不断攀升。在风力发电过程中，由于叶片覆冰的影响，风机运行效率降低，甚至损坏，研究叶片表面覆冰机理对提升风机运行效率具有重要意义。基于此，本文简单讨论风机叶片敷冰机理影响因素，深入探讨风机叶片敷冰机理和预测，以供参考。

关键词：数值模拟；覆冰机理；生长规律

前言：风机叶片覆冰是一种常见的风电机组运行故障，是由于叶片表面结冰导致叶片承受的静载荷增大，从而导致叶片断裂事故。近年来随着风电机组单机容量不断增大，风机叶片覆冰问题越来越突出，甚至已经成为风机故障的主要原因之一。

1.风机叶片敷冰机理影响因素

1.1表面温度

风机叶片表面温度的高低直接影响着叶片覆冰的难易程度，温度越高，冰层越容易形成，因此覆冰过程中，当叶片表面温度高于环境温度时，冰层更容易形成。同时随着风机叶片表面温度的升高，风力发电机组的工作效率降低。在实际工程中，环境温度通常低于0℃，因此风机叶片表面温度一般高于0℃。在风机运行过程中，风机叶片表面温度会逐渐下降至0℃以下。由于环境温度的变化，空气中的水分会凝结成冰晶。当冰晶经过风力发电机组时会将水蒸气转化为冰晶，其数量与冰晶体数量成正比关系。由于冰晶的数量是固定的，因此冰晶会增加风力发电机组的发电量。

1.2风速

风速是覆冰的主要影响因素，风速越大，覆冰厚度越大。根据研究人员的试验结果可以看出，风速与覆冰厚度呈指数关系增长。风速的增加，使冰粒直径变大、冰粒密度变小，从而提高了冰粒对叶片表面的粘附性，冰粒在叶片表面上的附着力减小。当风速达到一定值时，叶片表面冰层会达到稳定状态，此时冰层厚度不再随风速增加而发生变化。但是由于风机叶片表面覆冰厚度较小，所以即使在最不利条件下风机叶片表面仍能出现覆冰。但在实际情况下，风力发电机叶片受到风力作用时，风速可能会受到限制。例如：当风速达到一定值时，即使风机叶片表面覆冰厚度不大，但仍可能出现严重的覆冰现象。因此在风机设计阶段要综合考虑风速对风机叶片表面覆冰的影响。

1.3湿度

水滴表面湿度是影响叶片覆冰的重要因素。在其他条件相同时，水滴的湿度越大，其表面越容易结冰，即水滴的相对湿度越大，覆冰时间越长。国内外研究发现：在0℃以上，水滴表面相对湿度每增加一个百分点，冰层厚度增加约5微米，在0℃以下，水滴表面相对湿度每增加一个百分点，冰层厚度增加约20微米。国外学者研究认为：结冰温度和相对湿度的平方根成正比；相对湿度的变化率大于结冰温度的变化率。目前关于覆冰试验研究主要集中在0℃以上和0℃以下两个区间，0℃以上试验研究较少。国内学者李伟等在实验室内对覆冰进行了测试，研究结果表明：随着水滴表面相对湿度的增加，覆冰时间缩短，但是当水滴表面相对湿度达到50%时，覆冰时间则不能忽略。

2.风机叶片敷冰机理

2.1空气动力学基本方程

流体力学是研究物体在三维空间中的运动规律和物体与空气相互作用的一门学科，其基本原理为：流体力学就是研究物质在三维空间中的运动规律和物体与空气相互作用的规律。其研究对象为流体，即气体、液体和固体。根据流体力学基本方程，我们可以知道，当流体中某一点处的流速v0=vx时，其周围各点处的流速vi与该点的速度方向之间是有关系的。当流体中某一点处的压力p0=p1+p0时，其周围各点处的压力大小是相等的。通过对以上方程进行推导，我们可以得出以下结论：即流体在某一点处速度大小与它周围各点处的速度大小相同。

2.2理想气体状态方程

理想气体状态方程（pV0）是研究理想气体的流动规律的基本方程，它是根据分子间作用力，即分子之间的作用力来建立的。理想气体状态方程是一个质量守恒、动量守恒和能量守恒的方程，它不考虑气体中各原子、分子和电子之间的相互作用力。理想气体状态方程是研究理想气体流动规律的基本方程，在理想气体状态方程中，只考虑了气体分子之间的作用力，而没有考虑它们之间的相互作用力，这就导致研究实际气体时存在着一定误差。例如，当给定一个压力时，实际气体中可能存在着多个压力，这就需要将它们分别处理。为了克服这一缺陷，人们提出了理想气体状态方程。这一方程既适用于气体分子间作用力，也适用于分子和电子之间的作用力。伯努利方程是根据伯努利原理推导出来的。流动是一个复杂的过程，尤其对于高速流动，会出现许多不同于一般流体运动规律的现象。如气体的压缩与膨胀现象、液体的相变、惯性力及粘性力现象等。这些现象在科学研究上都是非常重要的，因此在流体力学中有大量需要解决的问题。而伯努利方程就是描述流体流动规律的一个重要方程，它能够很好地描述各种不同流动现象，因此也是人们研究最多的方程之一。

2.3覆冰形成机理

风机叶片覆冰是由于寒冷的外界环境造成水滴冻结在叶片上，或者凝结在叶片表面而形成的冰层。当环境温度低于0℃时，水滴将在风机叶片表面缓慢凝固成冰，当环境温度降到零下4℃以下时，水滴则会完全冻结在叶片表面上。风机叶片覆冰的形成过程是一个动态的物理过程，不同因素对覆冰厚度以及覆冰形态都有一定的影响。因此，当外界环境温度低于0℃时，风机叶片表面形成覆冰时，覆冰厚度就会增大。同时，当风速较大、湿度较大时，空气中的水分会加速水滴的蒸发，水滴在叶片表面迅速凝结成冰。风机叶片表面覆冰主要受环境温度、空气湿度以及风速的影响。当风机叶片周围环境温度低于0℃时，外界空气中的水分会加快水滴的蒸发速度，水滴在叶片表面迅速凝结成冰。当环境温度降到零下4℃以下时，外界空气中的水分会加速水滴在叶片表面快速凝结成冰；当外界风速较大时，空气中的水分会加速水滴在风机叶片表面迅速凝结成冰。当外界环境温度低于0℃时，风机叶片表面形成覆冰形态主要有三种：水滴直接冻结在叶片表面、水滴冻结在叶尖部位、水滴直接冻结在叶根部位。其中第二种形态占大部分。当风速较小、湿度较大时，由于外界空气温度低于0℃时，空气中的水分会加快水滴的蒸发速度。当风速较大、湿度较低时，由于外界空气中的水分会加快水滴的蒸发速度。当风速较小，由于外界空气中的水分会加速水滴的凝结。随着外界环境温度不断降低，过冷水滴会不断从叶片表面上脱落下来。综上分析可知：风机叶片表面覆冰是由多种因素共同作用形成的。其中风速和湿度是影响风机叶片覆冰最主要的因素，其次是环境温度，风速、湿度以及表面温度对风机叶片表面覆冰厚度有较大影响，而风速和湿度是影响风机叶片表面覆冰形态最主要因素。

2.4覆冰生长规律

覆冰生长规律与当地大气环境、风速、湿度、温度等气象因素相关，由于环境条件对覆冰生长影响较大，因此在此主要讨论风速和湿度对覆冰生长的影响。在其他条件不变的情况下，风速越大，则覆冰厚度越薄。因此，通过控制风机叶片的风速来控制风机叶片表面覆冰厚度具有可行性。由于冰晶尺寸小，不容易被风机叶片表面吸附而滑落到风机叶片表面之外，因此冰晶体会随着风机叶片表面温度的降低而逐渐增长。在同一环境条件下，当空气中相对湿度小于80%时，随着相对湿度的增加，冰晶生长速度逐渐降低。因此在风机叶片表面覆冰过程中存在一个临界相对湿度范围。

3.风机叶片敷冰机理预测研究

3.1研究对象

本研究以某1.5MW风电机组叶片为研究对象，风机叶片安装在一个刚性叶根上，并与机舱固定在一起。该风机叶片设计参数如下：叶片总长约为160m，叶片高度约为30m，叶片宽度约为8m，叶片长度约为110m，叶片厚度约为1.5m。该风机共安装16台单机容量为1.5MW的风电机组，总装机容量达10×108kW。

在设计初期，将叶片固定于叶根处，并将叶片固定于机舱内。根据现场测量数据，叶片与机舱之间的最大距离约为30m。在此基础上，设计了2种安装方案：一种是将叶片固定在机舱内，另一种是将叶根处的固定结构移至机舱外。为了保证机舱与叶片之间的距离不发生变化，通过比较后选择第二种安装方案。根据现场测量数据与计算结果可知：第二种安装方案下，各层叶片之间的距离有一定变化。

本研究主要针对叶根处的1-4层进行研究。考虑到现场测量数据的准确性以及计算精度等因素，在现场测量数据与计算结果有一定误差的情况下，本文选择4层进行研究。根据现场测量数据与计算结果可知：叶根部位覆冰厚度约为1.5mm左右，叶根与机舱固定部分的距离在1m左右。叶根与机舱之间的距离在1.5m左右，叶根部位覆冰厚度约为0.8mm左右。叶根部位覆冰厚度约为0.6mm左右；叶根与机舱固定部分的距离在2m左右。为了保证计算结果的准确性以及分析结果的可靠性，在此研究中将4层叶根处的覆冰厚度设为2mm。按照以上计算结果进行网格划分，并通过仿真计算得出各层叶片表面的覆冰量以及覆冰厚度等参数[1]。

3.2叶片覆冰数值模拟

通过分析得知，风机叶片覆冰过程中，水滴撞击结冰是最主要的覆冰机理。采用计算流体力学方法对水滴撞击结冰过程进行数值模拟，将风机叶片上水滴的运动轨迹和速度通过数值模拟计算得到。其中，采用计算流体力学方法，首先通过求解雷诺平均的N-S方程、湍流模型控制方程和冰相变方程对水滴在叶片上的运动轨迹进行计算。水滴运动轨迹计算采用Stokes方程，湍流模型采用k-ε模型，冰相变方程采用Odewald模型。考虑到实际叶片表面覆冰过程中，由于温度和湿度等条件变化导致冰形发生改变，所以在模拟过程中考虑了冰形变化。本文对不同工况下叶片表面覆冰情况进行数值模拟计算。分析可知：由于叶片表面覆冰属于低温传热过程，在考虑叶片表面覆冰时，主要计算叶片表面的温度变化，而不考虑结冰情况，由于叶片表面覆冰属于气固两相流问题，考虑叶片表面覆冰时主要计算气固两相流动，在考虑叶片表面覆冰情况下，主要计算冰形变化，同时考虑到冰形变化对风机运行的影响[2]。

3.3叶片结冰条件

在叶片表面形成的水滴，在空气中会与空气中的水蒸气相互作用，进而发生结冰现象。叶片结冰的条件是水滴和空气中的水蒸气接触，如果空气中水蒸气的温度低于冰点，那么水滴就会被冻结，成为冰晶。如果空气中水蒸气的温度高于冰点，那么水滴就会从冰晶中析出，形成冰雾。如果环境温度低于冰点温度，那么叶片表面就会结冰。目前对风机叶片表面结冰条件的研究主要分为3种：基于水滴撞击结冰、基于气固两相冻结、基于冰形变化。水滴撞击结冰：当水滴与叶片表面接触时，水滴首先受到叶片表面粗糙度的影响，使其产生一定程度的变形。当水滴撞击到叶片表面时，会受到一定程度的撞击作用，且撞击方向与叶片表面法向方向相同。因此当水滴撞击到叶片表面时，水滴受到两个方向力的作用：向前运动受到阻力作用、向前运动受到离心力作用。气固两相冻结：当空气中水蒸气与叶片表面接触时，空气中水蒸气在与叶片表面接触时会产生较大的温度梯度，当温度梯度达到一定程度时，水蒸气与叶片表面之间的接触面积增加，并且会发生相变。由于水蒸气与叶片表面之间存在一定的温度差，当水蒸气达到一定温度时就会发生冻结现象。冰形变化：在空气中水蒸气与叶片表面接触后，会发生相变。当水蒸气在温度较低时与叶片表面接触时会发生冻结现象。而当空气中水蒸气与叶片表面接触后会发生相变现象：由于水蒸气的比热较大，所以在接触过程中水蒸气比热增加从而导致了冰形变化[3]。

3.4覆冰机理分析

叶片表面覆冰主要存在水滴撞击结冰、气固两相冻结以及冰形形变等3种机理。其中，水滴撞击结冰是指叶片表面由于水滴撞击导致的结冰现象。叶片表面覆冰主要以水滴和空气两相为基础，气固两相冻结是指由于气流流动导致的结冰现象。当风速一定时，叶片表面水滴撞击形成冰层厚度与风速呈正比关系。此外，在叶片表面覆冰过程中，气固两相冻结是指气流对叶片表面形成的覆冰现象[4]。

3.5计算结果分析

本文采用了数值模拟的方法对风机叶片表面覆冰过程进行研究，并将计算结果与实验数据进行对比。计算中选取风机叶片表面风速为30m/s，叶片表面温度为-20℃。不同工况下，绘制出叶片表面覆冰厚度随时间的变化曲线。根据变化曲线：在前10s内，叶片表面覆冰厚度随时间增长迅速。当10s之后，覆冰厚度增长逐渐放缓。叶片表面覆冰厚度的变化主要取决于叶片表面风速、空气流速以及叶片表面温度等因素。其中风速对叶片表面覆冰厚度影响较大，风速越大，叶片表面覆冰厚度越厚，空气流速越大，叶片表面覆冰厚度越薄，叶片表面温度越高，叶片表面覆冰厚度越薄。随着时间的推移，叶片覆冰厚度变化缓慢[5]。

结束语：风机叶片表面覆冰会降低叶片的使用寿命，增加风机的运行成本，降低风机发电量，因此风机叶片表面覆冰的研究是风机设计过程中需要重点考虑的问题。研究结果表明：风机叶片表面覆冰主要为水滴撞击结冰、气固两相冻结以及冰形形变等3种机理。

参考文献

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[2]余建国，欧阳丁杰.风力机叶片健康状态监测及预警研究[J].制造业自动化，2023，45（02）：74-77.

[3]张天刚.风机数值模拟中转速对叶片的影响[J].机械管理开发，2023，38（01）：1-3+7.

[4]王富平，张默，周博宇.再生风机叶片纤维对混凝土力学和抗冻性能的影响[J].硅酸盐通报，2023，42（01）：231-238.

[5]李力强，曹磊.风机叶片高空组合施工技术[J].山西电力，2022（06）：26-28.