[发明专利]一种基于机理模型的风机叶片结冰预测方法、装置及存储介质

说明书

本发明公开了一种基于机理模型的风机叶片结冰预测方法、装置及存储介质，属于风力发电技术领域。将风机叶片结冰过程解耦为过冷水滴运动、水滴与叶片表面之间的碰撞、水滴相变结冰和宏观结冰四个过程；从预测结冰的发生等方面考虑，从微观过冷液滴运动出发，建立微观液滴运动、碰撞和结冰行为与宏观叶片结冰现象之间的联系，从结冰机理出发预测结冰过程，从根本上来解决当前预测结冰的问题，从而为不同的预防结冰或者除冰策略提供充分的理论依据。

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于机理模型的风机叶片结冰预测方法、装置及存储介质。

背景技术

风能资源开发利用潜力巨大，许多区域的山区风能资源丰富，具有巨大的开发价值，丰富的自然资源为风电行业的蓬勃发展奠定了坚实的基础。但是这些地区的风场一般海拔较高、温度较低，且湿度很大，风机叶片极易发生结冰。

叶片大量覆冰会造成风力机功率损失、机械故障、坠冰引发的安全隐患等问题，具体包括：①改变叶片的气动性能，造成叶轮气动、质量不平衡；②升力系数下降和风能利用率降低，造成发电量的损失；③阻力系数增加，导致传动链轴向载荷过大；④叶片质量增加，轮毂转矩增大，影响叶根处疲劳寿命；⑤叶片旋转过程中容易出现冰块脱落，发生坠落伤害等事故。

目前大多数风场应对叶片结冰的策略是首先判断叶片结冰状况，轻度结冰情况下一般通过变桨控制风机发电功率、降低风机运行载荷；结冰严重则进行保护性停机。为解决叶片结冰所面临的问题，风场需要准确判断叶片结冰状况并采取相应的控制策略，结冰预测的准确性则非常关键。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于机理模型的风机叶片结冰预测方法、装置及存储介质，充分考虑了水滴的实际状态对叶片结冰的影响，从根本上来解决当前风机叶片预测结冰的问题，从而为不同的预防结冰或者除冰策略提供充分的理论依据。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于机理模型的风机叶片结冰预测方法，包括：

S1：将风机叶片结冰过程解耦为过冷水滴运动、水滴与叶片表面之间的碰撞、水滴相变结冰和宏观结冰四个过程；

S2：将水滴视为离散相，分析大空间内水滴在运动过程中自身受力，建立水滴完整的受力模型，并对大空间内水滴的运动轨迹进行计算追踪，建立水滴的运动模型；

S3：考虑水滴与壁面碰撞后不同状态带来的质量损失，完善水滴的碰撞模型；

S4：根据水滴结冰过程的质量守恒和能量守恒，建立结冰模型，并研究不同的宏观水滴结冰模型，通过实验数据验证结冰模型的准确性，选择精度较高的模型进行判别结冰状态和结冰程度；

S5：耦合水滴的运动模型、碰撞模型和结冰模型，选定某一翼型叶片和工况，对整体叶片结冰过程进行数值模拟；

S6：研究不同环境因素对叶片结冰的影响，实现风机叶片结冰的预测。

优选地，S2中，水滴所受力包括水滴自身的重力、水滴受到流体的浮力、流场压力梯度力、水滴受到流体的曳力或阻力、附加质量力、Basset力、Magnus力、Saffman升力、热泳力和湍流脉动力。

优选地，S2中，基于水滴运动方程，采用拉格朗日法对大空间内水滴的运动轨迹进行计算追踪。

优选地，S3具体为：根据水滴运动的轨迹，轨迹线中存在着与翼型上下表面相切的两条轨迹线，位于这两条轨迹线之间的水滴会全部撞到翼型上，而轨迹之外的水滴则会绕过翼型；定义两条轨迹线间的翼型区域为水滴撞击区，定义撞击到翼型上的水滴数量为水滴撞击量；考虑水滴与壁面碰撞后的状态，及捕获、破裂或飞溅从而带来质量损失，优化水滴碰撞模型。

优选地，S5中，采用CFD方法对整体叶片结冰进行数值模拟。