基于Matlab的风力机叶片表面结冰过程的研究.docx

基于Matlab的风力机叶片表面结冰过程的研究
摘要：
风力机叶片结冰会导致机组性能下降，从而降低发电效率且增加维护费用。因此，研究风力机叶片表面结冰过程对提高风力发电的可靠性和经济性具有重要意义。本文基于Matlab平台，建立了风力机叶片结冰模型，模拟了叶片表面结冰过程，研究了温度、湿度等气象因素以及叶片材料、表面形态等因素对叶片结冰的影响。研究结果表明，叶片表面的结构形态、材料等与结冰过程密切相关。最终，作者提出了构建可靠风力机叶片结冰预测模型的思路，并简要讨论了未来研究的方向。
关键词：风力机叶片、结冰模型、Matlab、气象因素、结构形态、材料
Abstract：
Iceaccretiononwindturbinebladescancauseadeclineinpowergenerationefficiencyandincreasemaintenancecosts.Therefore,itisofgreatsignificancetostudythesurfaceicingprocessofwindturbinebladesforimprovingthereliabilityandeconomyofwindpowergeneration.Inthispaper,awindturbinebladeicingmodelwasestablishedontheMatlabplatform,andthesurfaceicingprocesswassimulated.Theeffectsofmeteorologicalfactorssuchastemperatureandhumidity,aswellasbladematerialandsurfacemorphology,onicingwereinvestigated.Theresultsshowedthatthestructuralmorphologyandmaterialofthebladesurfacewerecloselyrelatedtotheicingprocess.Finally,theauthorproposedastrategyforbuildingareliablewindturbinebladeicingpredictionmodelandbrieflydiscussedfutureresearchdirections.
Keywords:windturbineblade,icingmodel,Matlab,meteorologicalfactors,structuralmorphology,material
1.引言
风力发电是新能源的重要组成部分，其具有无污染、可再生、成本低等优势。风力机叶片作为转换风能为机械能的重要部件，其设计和研制对于提高风力发电效率至关重要。然而，叶片表面的结冰会影响机组性能，从而导致发电效率下降，增加维护成本，甚至影响机组安全。因此，研究风力机叶片表面结冰过程及其机理，对于提高风力发电的可靠性和经济性具有重要意义。
近年来，国内外学者对风力机叶片表面结冰进行了大量研究。其中，建立数值模型模拟叶片结冰过程成为一种主要方法。Cui等人[1]研究了风力机叶片表面结冰的可视化特征与模拟算法；Zhang等人[2]利用数值模拟方法研究了叶片结冰过程中湍流流场的分布特性；Goharrizi等人[3]建立了风力机叶片表面结冰的数值模拟模型，并研究了气温、相对湿度、风速等气象因素对叶片结冰的影响；Tartibu等人[4]利用计算流体力学（CFD）技术模拟了叶片表面结冰过程，并研究了风向、风速、气温、相对湿度等气象因素对叶片表面结冰的影响。这些研究为研究风力机叶片结冰提供了一定的理论基础和实验依据。
本文基于Matlab平台，建立了风力机叶片结冰模型，并模拟了叶片表面结冰过程。在进行模拟的同时，考虑了温度、湿度等气象因素以及叶片材料、表面形态等因素对叶片结冰的影响。最终，作者提出了构建可靠风力机叶片结冰预测模型的思路，并简要讨论了未来研究的方向。
2.风力机叶片结冰模型的建立
风力机叶片结冰模型的建立需要考虑叶片结构形态、材料等因素。在模型建立阶段，需要先进行以下假设：
（1）叶片表面为平面；
（2）叶片表面为光滑；
（3）叶片表面在结冰过程中不发生形变；
（4）风能与空气的混合不关注；
（5）在冰的过程中，风对叶片表面的影响可以忽略不计。
基于以上假设，可以建立如下的风力机叶片结冰模型：
其中，H为叶片表面的冰层厚度，t为冰层增长的时间，ρ为空气密度，c为空气比热容，T为空气温度，Tsurf为叶片表面温度，v为空气速度，L为空气的潜热，Ws为饱和水汽压力，W实为实际水汽压力，ε为水汽压力与饱和水汽压力之比，Φ为空气相对湿度，h为叶片表面的凝结热流密