[发明专利]一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质

说明书

本发明提供一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质，包括步骤S1：读入流场和云雾场信息；步骤S2：计算叶片展向不同截面位置的相对入流风速和相对入流迎角α_rel；步骤S3：计算二维翼型当地液态水收集系数；步骤S4：计算液膜结冰相变；步骤S5：根据覆冰构型，通过网格变形计算，更新数值计算网格，开始下一时间步的结冰计算；其中，风轮平面诱导速度更新时间步为ΔT₁，当地翼型覆冰流场更新时间步为ΔT₂，当地覆冰翼型收集系数更新时间步为ΔT₃，ΔT₁ΔT₂ΔT₃；本发明中，针对不同的结冰时间尺度，在步骤S5中制定了不同结冰计算更新步长，可以最大程度上提高风力机结冰计算效率，因此使得大型风力机的超长结冰计算成为可能。

技术领域

本发明属于风力机工程技术领域，尤其涉及一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质。

背景技术

风力机结冰是一个复杂的物理过程。风力机结冰主要可以分为沉积结冰和云内结冰，且主要以云内结冰为主。当环境温度、液态水含量(Liquid Water Content，LWC)以及相对入流风速较低时，空气中的过冷水滴撞击在叶片表面后会立刻冻结，形成形状较规则的霜冰；当LWC、相对入流风速较高，且环境温度接近0℃时，过冷水滴撞击在叶片表面后会在叶片表面形成液膜。液膜在风剪切作用力、环境压力、表面张力、重力、离心力等复杂作用力下对收集到的液态水进行输运。同时，液膜的输运过程与对流换热以及蒸发、冻结等传热传质过程直接耦合，通常形成形状复杂的明冰；部分条件下，风力机叶片表面还会形成同时具有霜冰和明冰特征的混合冰。

与航空飞行器的结冰问题相比风力机结冰更加复杂。首先，风力机工作在地表边界层中，风切变、高湍流、非均匀入流、动态尾流等因素决定了风力机结冰具有非定常流场特征；其次，在气象环境与来流环境的耦合作用下，风力机结冰具有非定常云雾场特征，LWC、MVD等关键结冰参数常随着时间变化；第三，在海拔高度、复杂地形等因素影响下，风力机结冰具有强烈地空间变化特征，同一区域不同位置的风力机结冰情况往往不同。同时，不同区域的结冰云雾参数测量数据并不具有普适性；第四，风力机旋转影响、大尺度因素、气动弹性影响等因素进一步增大了风力机结冰过程的复杂性。

当前结冰数值计算模型并不能适用于风力机复杂结冰问题。主要在于：一方面，风力机显著的大尺度特征、非定常结冰及超长时间结冰特征使得目前准定常结冰计算方法及非定常结冰计算方法失效；另一方面，现有的结冰相变模型主要基于Messinger模型、Myers模型及Shallow Water模型。这些结冰相变计算模型均不能计算包括风剪切作用力、环境压力、表面张力及重力等复杂力系影响下的液膜流动问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质，旨在解决现有技术中计算精度低、计算速度慢、不能描述复杂力系影响下的液膜流动等技术问题。

本发明是这样实现的，一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，包括如下步骤：

步骤S1：读入流场和云雾场信息；

步骤S2：计算叶片展向不同截面位置的相对入流风速和相对入流迎角α_rel；

步骤S3：计算二维翼型当地液态水收集系数；

步骤S4：计算液膜结冰相变；

步骤S5：根据覆冰构型，通过网格变形计算，更新数值计算网格，开始下一时间步的结冰计算；其中，风轮平面诱导速度更新时间步为ΔT₁，当地翼型覆冰流场更新时间步为ΔT₂，当地覆冰翼型收集系数更新时间步为ΔT₃，ΔT₁ΔT₂ΔT₃。