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水平轴风力机叶片翼型霜冰结冰的数值研究
水平轴风力机（HorizontalAxisWindTurbines,HAWTs）是目前应用最广泛、最成熟的风力发电装置。在低温、高湿气候下，叶片表面容易结冰，影响了风力机的性能和运行稳定性。本文通过数值模拟的方法，研究了叶片表面霜冰结冰情况，并讨论了相关机理和防控措施。
一、叶片表面霜冰和结冰的机理
水平轴风力机叶片表面霜冰和结冰是由空气中的水分在叶片上凝结形成的。当空气温度低于叶片表面露点温度时，空气中的水分就会凝结成为霜冰。当霜冰渐渐增厚，直到超过一定厚度时就会形成结冰。结冰对叶片的影响很大：不仅会增加叶片的摩擦阻力，影响叶片的风险性和发电效率，而且还可能使叶片产生动态不平衡、振动和垂直轴的力矩等问题。
二、数值模拟方法
本文采用计算流体力学（ComputationalFluidDynamics,CFD）数值模拟方法，对不同条件下叶片表面轮廓的流动进行模拟。模拟计算采用了OpenFOAM模拟软件，计算领域选择了三维非定常计算，并采用标准k-ε湍流模型和VOF方法模拟轮廓和流场的交互作用。
三、数值模拟结果
模拟结果表明，在较低温度和高湿度下，叶片表面容易出现霜冰和结冰。随着温度和湿度的降低，霜冰和结冰的程度越来越严重。在不同的叶片翼型中，NACA0012和Gottingen441的翼型结冰程度更低，而NACA4410和DU95-W-180翼型则容易结冰。此外，叶片的旋转速度也影响了叶片表面的结冰情况，即叶片旋转速度越快，叶片表面结冰的程度也越低。
四、控制措施
通过数值模拟的研究，可以采取一定的控制措施降低霜冰和结冰的程度。一种常见的控制措施是在叶片表面喷洒抗冰溶液。抗冰溶液可以通过改变叶片表面温度、增加叶片表面能力和改善叶片表面风动态特性等方式，有效抑制叶片表面结冰的产生。另一种常见的控制措施是采用加热设备，在叶片表面进行加热，以提高叶片表面温度，使其远高于露点温度，从而避免霜冰和结冰的产生。
五、结论
叶片表面霜冰和结冰是水平轴风力机在低温、高湿气候下运行时的常见问题。本文采用数值模拟的方法研究了叶片表面的霜冰和结冰情况，并讨论了相关机理和防控方法。通过模拟结果可以推导出一些有效的控制措施，以降低叶片表面的霜冰和结冰程度，提高风力机的性能和运行稳定性。