研究和开发的一个小规模的糖衣叶片机翼结冰风洞试验系统的特点

文摘

为了研究结冰机理和防冰技术,一个小型低速回流结冰风洞试验系统的设计和建造。制冷系统和喷淋系统被添加到小回流低速风洞达到结冰气象条件。为了验证测试系统的可行性,流场均匀性、温度稳定性和水含量分布的测试区测试和校准。在此基础上,铝制气缸的糖衣测试,NACA0018机翼,和一个S809机翼进行了二维冰测试而获得的二维形状冰形状通过数值模拟软件。结果表明在结冰条件下和结冰时间研究的参数测试系统是稳定的,和实验冰形状符合模拟冰的形状,从而满足结冰研究的需要。

1。介绍

表面结冰是一个典型的自然现象,它可以带来很多问题在暖通空调系统的热管理,航空行业,电网在冬天期间(1]。目前,研究结冰问题的机制主要是表面的糖衣和防冰/除冰的方法。主要的研究方法是理论分析、数值模拟和结冰风洞测试(2- - - - - -4]。研究的糖衣的理论推导,数值模拟发展的糖衣,和开发的防冰系统,结冰风洞试验数据对设计和验证的基础很重要。因此,结冰风洞在结冰研究[中扮演不可或缺的角色5]。

结冰风洞是基于传统的风洞,外加一个制冷系统和喷淋系统达到结冰的天气条件。根据建设规模,它可分为大结冰风洞和小结冰风洞。其中,对于典型的大型结冰风洞,例如美国宇航局格伦研究中心结冰风洞(红外热成像)6加拿大国家研究中心],结冰风洞(PIWT) [7),和意大利结冰风洞(航空航天研究中心8),大型结冰风洞系统是复杂的,其建设和使用成本很高。表面结冰的当前阶段的研究主要集中在验证实验糖衣机制和防冰/除冰系统通过建立小型结冰风洞试验系统。爱荷华州立大学(9)建立了一个小冰风洞尺寸 ,主要研究了混合防冰系统结合电热和疏水涂层小叶片。Zhang et al。10)使用闭环结冰风洞直径0.6米进行实验研究旋转锥的糖衣。朱et al。11完成了结冰过程和测试键的强度的冰风洞尺寸 。冈萨雷斯et al。12)建立了一个简单的结冰风洞在日本神奈川理工学院新超疏水表面研究太阳能吸收材料来提高防冰性能。康科迪亚大学(13)建立了一个小型回流结冰风洞的横截面 研究防冰和除冰性能的超疏水涂层。Rivero et al。14)建立一个开放的结冰风洞来评估功能性涂料的防结冰性能通过通道系统低温冰箱。金和Virk15)建立了一个小型nonreflux大学风洞Clandfield冰风洞实验室,并进行了结冰实验S826和S832风力涡轮机叶片配置文件。总之,除了使用大量结冰风洞进行结冰研究,构建一个小型结冰风洞也是一个重要手段开展糖衣和防冰研究。

然而,很少有报道小结冰风洞建设,只有风隧道施工结果。目前,有一个结冰风洞建造的(布伦瑞克技术大学5),设计、施工、调试过程详细介绍了风洞。然而,风洞结构相对复杂,建设和使用成本很高。为了研究一个小的糖衣机制模型和验证的有效性防冰涂层和除冰装置,一个小型低速回流结冰风洞试验系统设计和建造,设计,调试和测试过程。典型的糖衣增长模型如一个圆柱体,NACA0018机翼,一个S809机翼测试并与数值模拟结果。风洞的建设和使用成本较低,和一些典型实验案例,为其他研究者提供参考用例进行冰形状验证。

2。结冰风洞试验系统的发展

2.1。工作原理

摘要结冰风洞主要旨在解决问题的小结冰机理模型、防结冰涂料性能和防冰设备的有效性。系统旨在获取速度均匀,风速分布均匀、可控结冰环境以低成本在测试部分。因此,一个小型低速回流结冰风洞被选中。风洞试验部分的横截面是一个矩形的尺寸 。设计的最大风速是20米/秒。模拟气象温度范围为-20°C ~ 0°C,液态水含量(LWC)为0.1 g / m³~ 5 g / m³,介质体积(MVD)过冷的水滴直径是20μ~ 100μm。

小回流结冰风洞的示意图如图1。一个封闭的回流管道设置。冷却部分安排在管,蒸发器安装在冷却区。低温空气由蒸发器冷却泵和离心风机加压,然后流经弯曲部分。整改后的蜂窝网络,它进入稳定部分和收缩部分。最后,形成一个稳定的气流在测试部分。在测试区之后,它回到了冷却部分通过弯曲部分形成一个回流。喷嘴是安排在稳定的部分,和液滴冷却到一个过冷滴在飞行,然后碰撞与实验模型在测试部分。

2.2。回流管

自冷却区添加返回气道和翅片蒸发器安装在里面,整个空气动力特性的回流气道将大大受到影响。因此,它是不现实的,对所有组件进行气动设计与分析的回流通道。我们专注于设计的流道出口的离心风机的进口冰箱。

回流气道的力量提供的cf - 3.5型离心风机,配备yvf2 - 100 - 4型变频调速电动机功率3 kW和恒转矩5-50赫兹的频率范围。入口直径300毫米,出口规模 。离心风机的出口与入口的弯曲部分,可将气体的动能转换为压力能。由于转换不足,气流进入弯曲部分在一定的速度;因此,有必要安排指导板在弯曲部分改善流场。弯曲部分的进口规模和出口规模 ,和19个圆弧导向板排列。

稳定的部分是连接到插座的弯曲部分改善气流均匀性,减少湍流度。同时,喷雾液滴充分预冷。稳定的部分的长度是1000毫米,和喷淋管的入口。配备一个入口处 蜂窝网络。蜂窝网是一个六角孔边长的2毫米,10毫米的厚度。稳定的部分连接到收缩部分加速气流达到所需的速度在测试部分。收缩部分的入口 ,出口是 ,长度是300毫米。使用立方收缩曲线。它被定义为公式(1)[16]。实际的收缩曲线如图2。 在哪里是连接前后两条曲线,轴向距离部分的直径,是收缩部分进口等效半径,收缩部分出口等效半径,收缩部分的总长度。

收缩部分后,断面尺寸的测试部分 ,长度是1000毫米。有观察窗和测试模型修复设备。在测试区扩散部分,出口规模 和一个长度为340毫米。随后,弯曲部分被安排将气流引入冷却部分,和19个圆弧导向板在弯曲部分安排。回流气道建模图像如图3(一个),对象图如图3 (b)。

2.3。冷却系统

一个比泽尔KP-4TES9Y空调制冷压缩机(17用于风洞制冷系统。压缩机功率为6.62千瓦,平均制冷量是18.4千瓦,-20°C的制冷量是7.76千瓦。使用的制冷剂是R143a。选择最大冷却条件计算冷却能力。在这个时候,风洞系统的最低工作温度为-20°C,最大风速是22米/秒。在这种情况下,能量平衡方程的风洞定义如下: 在哪里是压缩机制冷能力,是气道的传热和环境,是由气流摩擦热的发生,被漏热量带走。

传热面积计算的三维模型结冰风洞。隧道的总热导率被定义为以下几点: 在哪里隧道壁的总热导率,是304不锈钢的导热系数值为16.3 W / m·k,是棉花和橡胶绝缘的热导率值为0.034 W / m·k,隧道壁的总厚度,内壁的厚度是2毫米的价值,橡胶绝缘棉的厚度有40毫米的价值,然后呢与一个值外壁的厚度是1毫米。基于热导率公式(3),隧道壁的总热导率为0.036 W / m·k。期间气道和环境之间的传热风洞的操作被定义为公式(4),即,是0.82千瓦。 在哪里是一个值的环境温度20°C,用的测试温度是-20°C的价值,的传热面积的值是24.5米²。

气流摩擦所产生的热量将所有的离心风机功率成热量在极限状态下,即在哪里是3千瓦。在计算,水滴的热吸收增加喷雾量的增加(8]。我们把墙传热的三倍,2.46千瓦,在哪里是6.28千瓦。这是低于-20°C的制冷压缩机的容量7.76千瓦,满足制冷要求。

2.4。喷淋系统

喷淋系统采用两相流喷雾,分为气体通道和水的路径。气体的压力空气路径调整减压阀和减压阀前预热的空气加热器。水通道的蒸馏水存储在水箱,和温度控制系统被添加到水箱水预热。水经过过滤和进入柱塞泵产生的压力。水通道的压力由调压阀调整。通过空气加热器和整流器,水是预热,以确保水和喷嘴不会冻结。喷淋系统原理图如图4。

水含量(LWC)和介质体积直径(MVD)是重要的结冰气象参数,关键是喷嘴的性能。系统使用一个CBIMJ2001雾两相流喷嘴从Ikeuchi有限公司,喷雾量为0.5 l / h ~ 12.4 l / h和液滴大小为20μ~ 100μ米,液滴直径可以控制通过调整气体和液体的压力比。合理的风速,可以实现所需的结冰条件,所以我们可以模拟所需的MVD和LWC冻结条件。

3所示。结冰风洞的气象参数的测量

3.1。流场

测试部分的风速在不同风速下由热线风速仪测量(模型:服务405 i)。测试位置如图5。云测试区在不同风速下的图像如图所示6。可以看出风速均匀,满足测试要求。

3.2。温度

测试部分的冷却过程是由热线风速仪测试。测试部分的中心温度变化在一定测试流程如图7。在初始阶段的温度在室温下是一样的。当打开离心风机使空气流通管,制冷设备打开。测试部分的温度开始下降。当温度下降到-20°C的预设温度,保持不变。可以看出,在风洞能满足制冷系统的需求。

3.3。LWC和MVD

LWC在测试部分由冰刀测量方法(18]。冰刀是200毫米长,20毫米宽,3毫米的厚度,材料是不锈钢的。根据参考文献,冰层厚度控制在1.6毫米和4.5毫米之间,冰宽度保持在小于5毫米,和水含量的分布是根据以下公式: 在哪里冰的密度(720公斤/米³),在冰冰层厚度刀,风速的测试部分。

获得LWC分布云图的截面测试区18米/秒风速图所示8,它可以发现喷有一定程度的不均匀性的影响由于喷嘴的特性。A和B区区域是有区别的。喷的水含量区为0.35 g / m³,在B区0.2 g / m³。在这个实验中使用的模型都进行区域适应喷雾不均匀性。根据固有的喷嘴的喷雾特性,如图9的介质体积直径(MVD)喷雾可以计算40μ根据喷嘴的喷雾量。

4所示。结冰风洞测试性能验证

结冰风洞是用来测试气缸,对称翼NACA0018叶片部分,和不对称翼型S809釉下桨叶截面冰,混合冰,霜冰的条件。

4.1。汽缸结冰试验

选中的圆柱模型是由铝直径0.03米,厚度0.02米。在每个试验中,需要对测试系统校准确定喷嘴喷水量。安装位置和喷雾角度与气象参数的校准相一致。空气导管被打开制冷系统预冷,和的一致性LWC被冰刀又检查了一遍。风洞调试后,安装在测试区测试模型。在喷粉之前,气道和测试模型应充分预冷温度,确保整个测试系统的一致性。预冷时间至少3分钟。结冰条件完成后,关闭喷淋系统保持气道处于低温状态。实验完成后的二维图像糖衣是CCD相机采集的19]。每组的测试应该重复三次以上,以确保测试结果的一致性。

表1是试验培养基体积直径条件。图10显示了测试结果。它可以发现相应的工况情况下1图10 ()釉冰糖衣。从侧面图片,可以看出,出现结冰,冰岭是透明的。图10 (b)是混合冰,例2和图吗10 (c)是霜冰情况3。从侧面图,可以看出混合冰结合釉冰,霜冰不是冰的形状是略大于釉冰。

为了进一步验证系统的准确性,获得的二维形状冰已经与结冰冰形状计算的数值模拟软件FENSAP-ICE [20.]。ICEM用于网格生成和计算三维域和网格图所示11。周围的流场模型模拟FENSAP解算器,和空气流场计算是解决方程粘性计算和分析。湍流模型k-omega SST模型。水滴轨迹是DROP3D解算器,解决了模型是欧拉双流体模型和解决方案。模拟冰的形状是在冰上进行3 d改善梅辛杰卖力地解算器的热力学模型。

冰的形状如图12。它可以发现冰的形状的趋势大致相同。霜冰状态,重合度非常高。釉的冰状态,巧合度稍差,这是由于冰山脊的发生导致冰的部分变形。

4.2。对称叶片机翼结冰试验

机翼是NACA0018,材料是铝。弦的长度0.1米,厚度0.02米。缸的测试过程是一样的糖衣,和测试方案如表所示2。冰的形状如图13。在图(13日),相应的案例1釉冰,冰没有均匀分布的边缘糖衣。数据13 (b)和13 (c)分别对应于例2和例3混合冰和霜冰。

获得的二维形状与冰层的形状FENSAP-ICE数值模拟软件。网格生成如图14,油缸的计算方法是一样的,糖衣。

如图15,它可以发现冰形状大致相同的趋势,和重合度较高霜状态。釉的冰和混合冰,冰的形状符合稍差是由于一个结节状结构的形成。总的来说,实验冰形状与计算重合度高冰的形状。

4.3。不对称叶片翼型的糖衣测试

典型的机翼结冰试验S809被选中。材料是铝、弦长0.1米,厚度0.02米。缸的测试过程是一样的糖衣,和测试方案如表所示3。获得的釉冰在案例1图所示(16日)。没有结节状冰在机翼的上表面,部分混合冰的特点。例2和例3混合冰和霜冰,分别。如数据所示16 (b)和16 (c)霜冰特性更加明显,混合冰主要体现在前沿,这是由于不同造成的传热S809和NACA0018不同的空气动力特性。

获得的二维形状与冰层的形状FENSAP-ICE数值模拟软件。网格生成如图17,油缸的计算方法是一样的,糖衣。如图18,它可以发现冰形状大致相同的趋势,这与NACA0018相交。冰形状重叠时稍差不对称机翼结冰,冰的前缘形状是尖锐的。

5。糖衣重叠特征量的分析

为了更直观地研究冰形状的相似度,定量分析了不规则形状冰和典型的特征量是决定评估获得的二维形状冰(19]。如图19,糖霜面积 ,结冰厚度是 ,糖霜上限 ,和糖霜下限 。他们选择评估结冰的重合度通过速度的差异,在哪里 - - - - - -下标表示测试数据和 - - - - - -下标表示计算数据。

在这里,区域差异率如下: ,尖端厚度差异率如下:

,冰上限差异率如下: ,冰下限差异率如下:

影响体重定义不同的典型特徵量。因为结冰区和领先的厚度可以更好地反映糖霜差异,糖衣的重量是0.3,尖端的重量厚度吗是0.3,糖霜的限制重量吗是0.2,糖衣的限制重量吗是0.2,也就是说,冰的总体差异形状如下:

表4展示了实验之间的相似性冰形状和数值模拟冰的形状。的结果表明,霜冰状态,圆柱体的糖衣相似,对称翼型,和不对称翼型高,气缸最高达到90.1%,而翼型的差异分别是83.7%和80.9%,分别。的重叠程度混合冰和釉冰稍差,和冰的重叠度形状是约70%开放冰状态。观察上面的原因不仅因为传统的结冰数值模拟不能完全再现实际结冰条件本文还因为工作条件都是在低雷诺数,流入风速是只有18 m / s。在结冰过程中,液滴飞行期间发生一定程度的解决,导致结冰形状的差异,也表明一个结冰风洞测试的必要性。总之,糖衣的发展趋势是大致相同的,哪能反映实际的糖衣的情况。系统可以满足实验要求的糖衣叶片模型研究。

6。结论

为了研究风力涡轮机的糖衣更方便,一个小回流型低速结冰风洞试验系统设计和建造。结论如下:(1)风洞的总体结构确定后,回流气道,制冷系统,喷淋系统的设计。风洞建成后,流场分布、温度稳定性和水含量(LWC)分布的三个典型环境变量的测试系统进行了测量和分析。结冰风洞气象参数的测量和分析是许多测试通过。结果表明,该测试系统具有良好的可重复性和稳定性能(2)冰测试是由使用圆柱模型和叶片模型,和冰的形状通过测试获得的价格相比是一个商业数值模拟软件。不规则的重合度冰形状是评价糖衣重叠特征量。结果表明,结冰冰形的重合度高霜冰状态,稍差的釉冰状态。总的来说,糖衣的发展趋势是大致相同的,哪能反映实际的糖衣的情况。叶片模型的系统可以满足测试要求的糖衣的研究

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究是国家自然科学基金支持的中国(国家自然科学基金委,51976029)和备用电力系统国家重点实验室的可再生能源(批准号LAPS19007)。

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