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冷面结霜研究及风力机叶片覆冰的数值模拟

作　者: 陈彦
导　师: 吴晓敏
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 冷面结霜 过冷水珠 冰相体积分数 风力机叶片
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 6次
引　用: 0次
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章 引言  9-17
  1.1 课题的背景和意义  9-10
    1.1.1 结霜的危害  9
    1.1.2 本课题的意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-15
    1.2.1 结霜研究的历史  10-11
    1.2.2 霜层生长过程的研究  11
    1.2.3 覆冰基本类型的研究  11-12
    1.2.4 影响因素的研究  12-14
    1.2.5 结霜模型的研究  14-15
  1.3 课题组的前期工作  15
  1.4 论文的内容  15-17
第2章 实验设备及实验方法  17-27
  2.1 实验装置系统  17-19
  2.2 实验前期准备  19-20
    2.2.1 接触角测量  19-20
    2.2.2 拍摄角度的选取  20
  2.3 实验步骤  20
  2.4 实验图像处理方法  20-25
    2.4.1 单个图像霜层平均高度获取  21-22
    2.4.2 批量图像霜层平均高度获取  22-25
  2.5 误差分析  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章 结霜过程的实验研究  27-41
  3.1 裸铝面结霜初期微细观过程  28-30
  3.2 环境因素对过冷水珠的影响  30-34
  3.3 环境因素对霜层质量的影响  34-36
  3.4 环境因素对霜层高度的影响  36-38
  3.5 环境因素对冰晶体积分数的影响  38-40
    3.5.1 冷面温度对平均冰晶体积分数的影响  38-39
    3.5.2 风速对平均冰晶体积分数的影响  39
    3.5.3 环境温度对平均冰晶体积分数的影响  39-40
  本章小结  40-41
第4章 霜层生长的数值模拟  41-63
  4.1 结霜模型概述  41-48
    4.1.1 控制方程  41-43
    4.1.2 结霜数值模拟方法  43-45
    4.1.3 质量传递模型  45-48
  4.2 模拟初始条件  48-49
    4.2.1 模拟对象  48
    4.2.2 模型设置  48-49
  4.3 模拟结果与分析  49-62
    4.3.1 霜层冰相体积分数随时间的变化及与实验的对比  49-50
    4.3.2 霜层及湿空气参数随空间位置的变化  50-53
    4.3.3 霜层及湿空气参数随时间的变化  53-56
    4.3.4 环境工况对霜层和湿空气参数影响  56-62
  本章小结  62-63
第5章 风力机叶片表面覆冰的初始模拟  63-72
  5.1 叶片覆冰模型  63-67
    5.1.1 流场分析  63-64
    5.1.2 湍流控制方程  64
    5.1.3 网格划分  64-65
    5.1.4 质量传递模型  65-67
  5.2 模拟结果与分析  67-71
    5.2.1 攻角对风力机叶片表面覆冰的影响  68-70
    5.2.2 风速对风力机叶片表面覆冰的影响  70-71
  本章小结  71-72
第6章 结论与展望  72-74
  6.1 本论文主要结论  72-73
  6.2 后续研究展望  73-74
参考文献  74-78
致谢  78-80
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  80

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 风能、风力机械 > 风力机械和设备
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