摘要
在“双碳目标”背景下。可再生能源迎来了新的发展机遇。风电作为当前商业化运行最成功的可再生能源之一，正受到越来越多的关注。然而，在风能资源较好的高纬度和高海拔地区，风力机经常面临寒潮、暴雪和霜冻等灾害性天气。导致风力机叶片表面结冰.发电效率降低，甚至引发安全事故。在风力机防冰和除冰方法的研究方面，学者们已经开展了一些研究和探索，但对叶片表面结冰粘结原理的研究较少。探明叶片表面结冰粘结原理，是开展风力机防除冰技术研究的关键。因此，为探宄风力机叶片表面结冰粘结特性，本文基于理论分析和结冰风洞实验两种研究方法，开展了以下研究: (1)建立了低温材料表面结冰粘结强度理论模型。基于材料表面微观形貌特征，抽象并简化其分布规律，提出了表面微观形貌模型。在此基础上，以机械粘结理论、材料热形变特性和摩擦学原理为基础，分析了结冰过程中冰层与基材间的力学特性，确定了各参数问的相互作用关系，建立了结冰粘结强度模型。该模型表征了环境参数和材料参数对低温材料表面结冰粘结强度的影响，为叶片表面粘结特性试验研究提供了分析依据。 (2)试验研究了风力机叶片表面结冰分布规律。设计了风力机叶片结冰试验方案，利用回流式结冰风洞试验系统开展了叶片结冰试验。制定了叶片表面结冰分布的评价方法。定量分析了结冰时间、环境温度和风速对叶片表面结冰分布规律的影响。试验结果表明，随着结冰时间增加，叶片表面冰层厚度增大，叶片下表面有冰锥生成。当环境温度较高时，叶片表面结冰类型为明冰。随着环境温度降低，冰层厚度增加，冰型由明冰向霜冰转变。在相同结冰时间和环境温度条件下，随着风速增加，冰层厚度略有增加，积冰由叶片前缘向尾缘方向生长。 (3)试验研究了叶片表面结冰粘结强度。在叶片结冰分布研究的基础上，设计并搭建了叶片表面结冰粘结强度试验系统。探究了结冰时间、环境温度和风速对叶片表面结冰粘结强度的影响规律。试验结果表明，当环境温度降低时，叶片表面结冰粘结剪应力增加;当风速增加时，叶片表面结冰粘结剪应力呈降低的变化趋势。此外，结冰时间对粘结剪应力的影响较小，当结冰时长增加时，冰层粘结剪应力略微增大，其值约为293.97kPa。对比分析了叶片表面结冰粘结强度理论与试验研究结果。分析结果表明，结冰粘结强度模型可以预测叶片表面结冰粘结剪应力随环境参数的变化趋势，但理论计算结果大于试验结果。分析理论值高于试验值的原因是由冰层粘结面的表面缺陷、冰层内部的应力集中、冰层的脱落形式以及材料表面的疏水性所致。理论和试验研究结果表明，叶片表面温差对结冰粘结强度的影响远大于材料体膨胀系数和体积模量对粘结强度的影响，该因素是影响冰层粘结特性的主要因素之一。
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