风能作为清洁能源之一得到了广泛地开发和应用。目前风力发电是风能的主要应用形式,而风力机作为组成风力发电的基本单元,其运行状态的持续性和稳定性是风力发电效率的关键。由于寒冷地区低温和潮湿环境的影响,风力机表面会发生结冰现象,严重影响风力机的工作状态。当风力机叶片表面结冰时叶片翼型遭到破坏,气动性能降低,载荷分布发生变化,风力机发电效率降低,严重时会导致风力机停机和倒塌事故。因此,风力机叶片结冰问题受到各国研究人员的广泛关注。直线翼垂直轴风力机作为应用范围最广的风力机类型之一,同样受到结冰现象的影响。本文以直线翼垂直轴风力机旋转叶片为研究对象,研究转速对叶片表面结冰分布规律和冰型变化的影响,文中转速以尖速比的形式体现。对旋转叶片开展结冰风洞试验,获得了旋转叶片模型表面的结冰形状和分布情况。本文的主要研究内容如下:(1)搭建了结冰风洞试验系统。为探究直线翼垂直轴风力机叶片表面结冰分布特性,基于实验室现有低速风洞,结合自然低温环境搭建了结冰风洞试验系统,其中试验段截面尺寸为1×1 m~2。在此基础上,对该试验系统的性能参数以及稳定性进行标定,包括试验段温度稳定性和均匀性、风速稳定性和均匀性以及液态水含量均匀性。标定结果表明该结冰风洞试验系统性能符合本研究所需试验要求。(2)试验研究了圆柱和风力机叶片表面的结冰形状和分布规律。为探究霜冰条件下直线翼垂直轴风力机叶片表面的结冰规律,本文针对圆柱(直径分别为20 mm、30 mm、40 mm)、NACA0018对称翼型叶片和S809非对称翼型叶片开展了结冰风洞试验。获得了绕垂直轴旋转圆柱表面的结冰分布规律。结果表明尖速比变化对圆柱表面结冰有显著影响,结冰时间对结冰面积和驻点厚度的影响显著。圆柱直径的增加使结冰面积增加,使无因次结冰面积减小和无因次驻点厚度减小,对其他特征量则没有显著影响。从宏观角度,对称翼型风力机叶片与非对称翼型叶片的结冰规律相同。尖速比是影响叶片表面结冰特征的主要影响因素。尖速比小于等于1时,叶片表面全部被冰层均匀覆盖,结冰类型为霜冰。在此范围内,叶片前缘结冰厚度随尖速比的升高逐渐增加,叶片尾缘结冰厚度逐渐减小直至结冰消失;尖速比大于1时,部分叶片表面不再被冰层覆盖,叶片表面出现未结冰区域。叶片前缘出现横向生长的冰柱。随着尖速比升高,叶片表面结冰区域逐渐向叶片前缘收缩。同时叶片表面的结冰类型由霜冰向明冰转变。(3)分析了影响叶片表面结冰形态及其分布规律的主要因素。分析叶片表面结冰形状和结冰分布规律等试验结果表明,相对攻角、叶片与来流相对关系和离心力为主要影响因素。讨论了三种因素随着尖速比的变化对叶片表面结冰形态以及分布规律的影响。当尖速比增加时,垂直轴风力机叶片相对攻角的变化范围逐渐缩小,导致来流区域向片前缘收缩。相对于来流方向,叶片在旋转过程中运动轨迹可分为迎风区与顺风区。在迎风区内,叶片前缘是与来流接触的主要部位,在这种情况下叶片与来流的相对运动关系不随尖速比的改变而变化。在顺风区内,当尖速比小于1时,叶片线速度小于风速,叶片尾缘是与来流接触的主要部位;当尖速比大于1时,叶片线速度大于风速,叶片前缘则成为与来流接触的主要部位。随着尖速比的升高,叶片在单位时间内可以捕获更多的过冷水滴,而过冷水滴热传导率不变。因此,过冷水滴在叶片表面以液态水的形式存在。在离心力的作用下,液态水开始流动汇集,形成尺度较大的水滴。当水滴受到的离心力大于粘附力时,水滴与叶片表面分离,导致叶片前缘产生冰柱。由于液态水的存在,导致叶片表面结冰类型由霜冰向明冰变化。