CN111241761B - 一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法 - Google Patents

一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法，包括如下步骤：（1）组分输运模型：（2）膜凝结模型：（3）欧拉壁面模型：（4）水汽会在风力机叶片的前缘和尾缘位置凝结，故应在前缘和尾缘位置涂抹防冰涂料。通过本发明所公开的方法，确定不同条件下叶片表面上的结冰位置，在相应的结冰位置涂抹防冰涂料，既达到减轻结冰程度的目的，又节省涂料，降低成本。

Description

一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法
技术领域
本发明属于风力发电机组领域，特别涉及该领域中的一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法。
背景技术
现阶段风力机的防冰涂料价格昂贵，如果在风力机叶片全表面涂抹防防冰涂料，成本非常高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法。
本发明采用如下技术方案：
一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
(1)组分输运模型：
湿空气为干空气和水蒸气的混合气体，组分输运模型将混合气体定义为一种二元混合气体，具有两者的物理属性，求解过程作为单相处理，湿空气密度按照不可压缩理想气体方程计算，湿空气的控制方程如下所述，质量方程：
Figure BDA0002380059720000011
式中：ρm为混合物密度，kg/m3；U为流速；
动量方程：
Figure BDA0002380059720000012
式中：P为混合压力，pa；τ为切应力张量；B为体受力向量，
能量方程：
Figure BDA0002380059720000013
式中：
Figure BDA0002380059720000014
为净源项；q为净热通量；h为焓值；
组分质量：
Figure BDA0002380059720000015
式中：Yi为局部质量分数；
Figure BDA0002380059720000016
为扩散的质量；
Figure BDA0002380059720000017
式中：Sct为湍流施密特数；μt为湍流黏度，kg/(m·s)；Di,m为质量扩散系数；
(2)膜凝结模型：
模型采用BELL蒸汽壁面冷凝模型，水蒸气扩散通过传质边界层，遇冷壁面释放潜热形成液膜，液体膜达到壁温，蒸汽扩散和凝结在气液截面持续发生，冷凝率取决于蒸汽的扩散速率，反过来又取决于边界层的水蒸汽浓度差，在边界层的一端是大量混合流体，浓度取决于混合物的参数，边界层的另一端是凝结液体水膜和气体混合物界面，假定在液体膜—水蒸汽混合物界面存在局部平衡，这意味着在界面处的水蒸汽浓度等于在膜温度下的饱和值，因此，膜界面温度决定了整个边界层的浓度差，并反过来控制冷凝率，假设如下所述：
(21)由于水蒸汽通过组分边界层扩散导致冷凝，这个假设用于导出冷凝水体积数学表达式，
(22)液膜和壁面存在热平衡，液膜温度Tfilm等于壁面温度Twall，
(23)气液界面是饱和状态。即交界面水蒸气分压力等于壁面温度下的饱和蒸汽压力，结合(22)，壁面温度决定气液界面的蒸汽浓度，控制总的蒸汽扩散和通过边界层的浓度比，
(24)不考虑液膜运动带来的影响，由于流体剪切力和重力，液膜可能运动，但是运动不影响空气流动和凝结，
(25)分析仅限于膜状凝结，不考虑滴状冷凝，
(26)液膜的热阻忽略不计。
由于模型是基于以上假设建立的，凝结速率取决于水蒸气朝壁面的扩散速率，空气和水蒸气各组分的质量流量方程为：
Figure BDA0002380059720000021
Figure BDA0002380059720000022
式中：ω为质量分数；
Figure BDA0002380059720000023
为质量流量，kg/(m2·s)；υ为界面速度，m/s；D为质量扩散率，m2/s，
用户自定义函数中，假定壁面温度等于或小于表面水蒸气分压力对应的饱和温度时发生凝结，如果温度高于饱和温度，水蒸气质量分数等于壁面邻近单元值，为了满足气液交界面局部热力学平衡的假设，当温度低于或等于饱和温度时，代表气液交界面的水蒸气质量分数被分配一个值，使得水蒸汽的分压等于水在局部壁面温度下的饱和压力，
混合物的体积质量源项为：
Figure BDA0002380059720000024
式中：Acell wall为壁面单元面积；Vcell为计算单体体积，
水蒸气的体积质量源项为：
Figure BDA0002380059720000031
(3)欧拉壁面模型：
欧拉壁面膜模型，实体表面膜不需划分网格，以表面虚拟膜代替，不影响核心流动动量场，多数情况下，表面薄膜的分离、脱落、蒸发不影响核心流动场的流动，通常情况下，模拟此种类型薄膜需要极大的计算资源，尤其在多相工况下精确计算相间通量，需要极细的网格来模拟水膜，而欧拉壁面膜模型不需要划分水膜网格，同时可以预测收集效率、耦合离散相模型，满足模拟壁面收集液滴形成水膜过程的需求，将水分考虑为小液滴，液滴在表面汇集成水膜，计算不考虑相变，
质量守恒方程：
Figure BDA0002380059720000032
膜动量守恒方程：
Figure BDA0002380059720000033
式中：h为膜高度；ρ1液体密度；
Figure BDA0002380059720000034
为表面梯度算子；
Figure BDA0002380059720000035
平均膜速度；
Figure BDA0002380059720000036
为每单位壁面积质量源；g为重力加速度，
膜能量守恒方程：
Figure BDA0002380059720000037
式中：Ts为界面温度；Tf为膜平均温度；Vf为膜速度；kf为膜热导；Tw为壁面温度；假设膜的温度变化为线性分段变化，下半部分从壁面温度到膜平均温度Tf，上半部分由平均温度Tf到界面温度Ts；
Figure BDA0002380059720000038
为液相撞击壁面的源项；
Figure BDA0002380059720000039
为蒸发或凝结质量流率，
当离散粒子或液滴撞击壁面，会被液膜吸收，吸收后，其质量和动量增加到质量方程和动量方程的源项中，质量源项和动量源项分别为：
Figure BDA0002380059720000041
式中
Figure BDA0002380059720000042
为颗粒或液滴撞击表面的质量流率，
Figure BDA0002380059720000043
式中
Figure BDA0002380059720000044
分别为颗粒和液膜的速度，
质量源项：
Figure BDA0002380059720000045
式中：αd为第二相体积；ρd为第二相密度；vdn为垂直于壁面的相速度；A为壁面表面积,动量源项
Figure BDA0002380059720000046
Figure BDA0002380059720000047
为第二相速度向量；
(4)水汽会在风力机叶片的前缘和尾缘位置凝结，故应在前缘和尾缘位置涂抹防冰涂料。
进一步的，使用的模型包括但不限于水蒸气凝结模型、欧拉壁面膜模型和颗粒磨损模型。
本发明的有益效果是：
通过本发明所公开的方法，确定不同条件下叶片表面上的结冰位置，在相应的结冰位置涂抹防冰涂料，既达到减轻结冰程度的目的，又节省涂料，降低成本。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例的原理是通过CFD方法，采用数值模拟技术，模拟全尺寸叶片表面液滴撞击叶片表面的位置及水分汇集的位置，在该位置涂抹防冰涂料。
实施例1，本实施例公开了一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法，包括如下步骤：
(1)组分输运模型：
湿空气为干空气和水蒸气的混合气体，组分输运模型将混合气体定义为一种二元混合气体，具有两者的物理属性，求解过程作为单相处理，湿空气密度按照不可压缩理想气体方程计算，湿空气的控制方程如下所述，质量方程：
Figure BDA0002380059720000048
式中：ρm为混合物密度，kg/m3；U为流速；
动量方程：
Figure BDA0002380059720000049
式中：P为混合压力，pa；τ为切应力张量；B为体受力向量，
能量方程：
Figure BDA0002380059720000051
式中：
Figure BDA0002380059720000052
为净源项；q为净热通量；h为焓值；
组分质量：
Figure BDA0002380059720000053
式中：Yi为局部质量分数；
Figure BDA0002380059720000054
为扩散的质量；
Figure BDA0002380059720000055
式中：Sct为湍流施密特数；μt为湍流黏度，kg/(m·s)；Di,m为质量扩散系数；
(2)膜凝结模型：
模型采用BELL蒸汽壁面冷凝模型，水蒸气扩散通过传质边界层，遇冷壁面释放潜热形成液膜，液体膜达到壁温，蒸汽扩散和凝结在气液截面持续发生，冷凝率取决于蒸汽的扩散速率，反过来又取决于边界层的水蒸汽浓度差，在边界层的一端是大量混合流体，浓度取决于混合物的参数，边界层的另一端是凝结液体水膜和气体混合物界面，假定在液体膜—水蒸汽混合物界面存在局部平衡，这意味着在界面处的水蒸汽浓度等于在膜温度下的饱和值，因此，膜界面温度决定了整个边界层的浓度差，并反过来控制冷凝率，假设如下所述：
(21)由于水蒸汽通过组分边界层扩散导致冷凝，这个假设用于导出冷凝水体积数学表达式，
(22)液膜和壁面存在热平衡，液膜温度Tfilm等于壁面温度Twall，
(23)气液界面是饱和状态。即交界面水蒸气分压力等于壁面温度下的饱和蒸汽压力，结合(22)，壁面温度决定气液界面的蒸汽浓度，控制总的蒸汽扩散和通过边界层的浓度比，
(24)不考虑液膜运动带来的影响，由于流体剪切力和重力，液膜可能运动，但是运动不影响空气流动和凝结，
(25)分析仅限于膜状凝结，不考虑滴状冷凝，
(26)液膜的热阻忽略不计。
由于模型是基于以上假设建立的，凝结速率取决于水蒸气朝壁面的扩散速率，空气和水蒸气各组分的质量流量方程为：
Figure BDA0002380059720000056
Figure BDA0002380059720000061
式中：ω为质量分数；
Figure BDA0002380059720000062
为质量流量，kg/(m2·s)；υ为界面速度，m/s；D为质量扩散率，m2/s，
用户自定义函数中，假定壁面温度等于或小于表面水蒸气分压力对应的饱和温度时发生凝结，如果温度高于饱和温度，水蒸气质量分数等于壁面邻近单元值，为了满足气液交界面局部热力学平衡的假设，当温度低于或等于饱和温度时，代表气液交界面的水蒸气质量分数被分配一个值，使得水蒸汽的分压等于水在局部壁面温度下的饱和压力，
混合物的体积质量源项为：
Figure BDA0002380059720000063
式中：Acell wall为壁面单元面积；Vcell为计算单体体积，
水蒸气的体积质量源项为：
Figure BDA0002380059720000064
(3)欧拉壁面模型：
欧拉壁面膜模型，实体表面膜不需划分网格，以表面虚拟膜代替，不影响核心流动动量场，多数情况下，表面薄膜的分离、脱落、蒸发不影响核心流动场的流动，通常情况下，模拟此种类型薄膜需要极大的计算资源，尤其在多相工况下精确计算相间通量，需要极细的网格来模拟水膜，而欧拉壁面膜模型不需要划分水膜网格，同时可以预测收集效率、耦合离散相模型，满足模拟壁面收集液滴形成水膜过程的需求，将水分考虑为小液滴，液滴在表面汇集成水膜，计算不考虑相变，
质量守恒方程：
Figure BDA0002380059720000065
膜动量守恒方程：
Figure BDA0002380059720000066
式中：h为膜高度；ρ1液体密度；
Figure BDA0002380059720000067
为表面梯度算子；
Figure BDA0002380059720000068
平均膜速度；
Figure BDA0002380059720000069
为每单位壁面积质量源；g为重力加速度，
膜能量守恒方程：
Figure BDA0002380059720000071
式中：Ts为界面温度；Tf为膜平均温度；Vf为膜速度；kf为膜热导；Tw为壁面温度；假设膜的温度变化为线性分段变化，下半部分从壁面温度到膜平均温度Tf，上半部分由平均温度Tf到界面温度Ts；
Figure BDA0002380059720000072
为液相撞击壁面的源项；
Figure BDA0002380059720000073
为蒸发或凝结质量流率，
当离散粒子或液滴撞击壁面，会被液膜吸收，吸收后，其质量和动量增加到质量方程和动量方程的源项中，质量源项和动量源项分别为：
Figure BDA0002380059720000074
式中
Figure BDA0002380059720000075
为颗粒或液滴撞击表面的质量流率，
Figure BDA0002380059720000076
式中
Figure BDA0002380059720000077
分别为颗粒和液膜的速度，
质量源项：
Figure BDA0002380059720000078
式中：αd为第二相体积；ρd为第二相密度；vdn为垂直于壁面的相速度；A为壁面表面积,动量源项
Figure BDA0002380059720000079
Figure BDA00023800597200000710
为第二相速度向量；
(4)水汽会在风力机叶片的前缘和尾缘位置凝结，故应在前缘和尾缘位置涂抹防冰涂料。
本实施例使用的模型包括但不限于水蒸气凝结模型、欧拉壁面膜模型和颗粒磨损模型。

Claims (2)

1.一种风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）组分输运模型：
湿空气为干空气和水蒸气的混合气体，组分输运模型将混合气体定义为一种二元混合气体，具有两者的物理属性，求解过程作为单相处理，湿空气密度按照不可压缩理想气体方程计算，湿空气的控制方程如下所述，质量方程：
Figure 829336DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为混合物密度，kg/m3；U为流速；
动量方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中：
Figure 427807DEST_PATH_IMAGE006
为混合压力，pa；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为切应力张量；B为体受力向量，
能量方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
式中：为净源项；q为净热通量；h为焓值；
组分质量：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
式中：
Figure 851966DEST_PATH_IMAGE012
为局部质量分数；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为扩散的质量；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
式中：
Figure 15707DEST_PATH_IMAGE016
为湍流施密特数；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为湍流黏度，kg/(
Figure 220423DEST_PATH_IMAGE018
)；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为质量扩散系数；
（2）膜凝结模型：
模型采用BELL蒸汽壁面冷凝模型，水蒸气扩散通过传质边界层，遇冷壁面释放潜热形成液膜，液体膜达到壁温，蒸汽扩散和凝结在气液截面持续发生，冷凝率取决于蒸汽的扩散速率，反过来又取决于边界层的水蒸汽浓度差，在边界层的一端是大量混合流体，浓度取决于混合物的参数，边界层的另一端是凝结液体水膜和气体混合物界面，假定在液体膜—水蒸汽混合物界面存在局部平衡，这意味着在界面处的水蒸汽浓度等于在膜温度下的饱和值，因此，膜界面温度决定了整个边界层的浓度差，并反过来控制冷凝率，假设如下所述：
（21）由于水蒸汽通过组分边界层扩散导致冷凝，这个假设用于导出冷凝水体积数学表达式，
（22）液膜和壁面存在热平衡，液膜温度Tfilm等于壁面温度Twall，
（23）气液界面是饱和状态，交界面水蒸气分压力等于壁面温度下的饱和蒸汽压力，结合（22），壁面温度决定气液界面的蒸汽浓度，控制总的蒸汽扩散和通过边界层的浓度比，
（24）不考虑液膜运动带来的影响，由于流体剪切力和重力，液膜可能运动，但是运动不影响空气流动和凝结，
（25）分析仅限于膜状凝结，不考虑滴状冷凝，
（26）液膜的热阻忽略不计：
由于模型是基于以上假设建立的，凝结速率取决于水蒸气朝壁面的扩散速率，空气和水蒸气各组分的质量流量方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE023
式中：
Figure 888165DEST_PATH_IMAGE024
为质量分数；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为质量流量，kg/(
Figure 229148DEST_PATH_IMAGE026
)；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为界面速度，m/s；D为质量扩散率，m2/s，
用户自定义函数中，假定壁面温度等于或小于表面水蒸气分压力对应的饱和温度时发生凝结，如果温度高于饱和温度，水蒸气质量分数等于壁面邻近单元值，为了满足气液交界面局部热力学平衡的假设，当温度低于或等于饱和温度时，代表气液交界面的水蒸气质量分数被分配一个值，使得水蒸汽的分压等于水在局部壁面温度下的饱和压力，
混合物的体积质量源项为：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
式中：
Figure 691353DEST_PATH_IMAGE030
为壁面单元面积；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为计算单体体积，
水蒸气的体积质量源项为：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
（3）欧拉壁面模型：
欧拉壁面膜模型，实体表面膜不需划分网格，以表面虚拟膜代替，不影响核心流动动量场，多数情况下，表面薄膜的分离、脱落、蒸发不影响核心流动场的流动，通常情况下，模拟此种类型薄膜需要极大的计算资源，尤其在多相工况下精确计算相间通量，需要极细的网格来模拟水膜，而欧拉壁面膜模型不需要划分水膜网格，同时可以预测收集效率、耦合离散相模型，满足模拟壁面收集液滴形成水膜过程的需求，将水分考虑为小液滴，液滴在表面汇集成水膜，计算不考虑相变，
质量守恒方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
膜动量守恒方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
式中：h为膜高度；
Figure 461994DEST_PATH_IMAGE038
液体密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为表面梯度算子；
Figure 133759DEST_PATH_IMAGE040
平均膜速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为每单位壁面积质量源；g为重力加速度，
膜能量守恒方程：
Figure 453882DEST_PATH_IMAGE042
式中：Ts为界面温度；Tf为膜平均温度；Vf为膜速度；kf为膜热导；Tw为壁面温度；假设膜的温度变化为线性分段变化，下半部分从壁面温度到膜平均温度Tf，上半部分由平均温度Tf到界面温度Ts；
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为液相撞击壁面的源项；
Figure 555830DEST_PATH_IMAGE044
为蒸发或凝结质量流率，
当离散粒子或液滴撞击壁面，会被液膜吸收，吸收后，其质量和动量增加到质量方程和动量方程的源项中，质量源项和动量源项分别为：
Figure 63035DEST_PATH_IMAGE046
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为颗粒或液滴撞击表面的质量流率，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
式中
Figure 416787DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure DEST_PATH_IMAGE051
分别为颗粒和液膜的速度，
质量源项：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
式中：
Figure 263520DEST_PATH_IMAGE054
为第二相体积；
Figure DEST_PATH_IMAGE055
为第二相密度；
Figure 270791DEST_PATH_IMAGE056
为垂直于壁面的相速度；A为壁面表面积,动量源项
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 937395DEST_PATH_IMAGE058
为第二相速度向量；
（4）水汽会在风力机叶片的前缘和尾缘位置凝结，故应在前缘和尾缘位置涂抹防冰涂料。
2.根据权利要求1所述风力机叶片防冰涂料涂抹位置的确定方法，其特征在于：使用的模型包括水蒸气凝结模型、欧拉壁面膜模型和颗粒磨损模型。
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