(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211228650.2 (22)申请日 2022.10.08 (71)申请人 国网重庆市电力公司电力科 学研究 院 地址 401123 重庆市渝北区北部新区黄山 大道中段80号办公 综合楼 申请人 重庆大学　国家电网有限公司 (72)发明人 夏翰林　胡琴　刘育明　蒋兴良　 李登峰　舒立春　杨旼才　梁健　 李寒江　马猜　 (74)专利代理 机构 成都九鼎天元知识产权代理 有限公司 51214 专利代理师 阳佑虹 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01)G06T 17/20(2006.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种风力发电机叶片水滴冻结系数的计算 方法 (57)摘要 本发明公开了一种风力发电机叶片水滴冻 结系数的计算方法， 涉及风机叶片覆冰领域。 本 发明的步骤包括： 将叶片分为多个网格单元， 将 流入网格单元的水质量min和流出网格单元的水 质量mout分解成沿展向和弦向的两个部分； 将以 网格单元为控制体的三维叶片剖分为i个叶素截 面， 根据传质传热方程对各个叶素截面分段采用 边界层积分法求解， 得到沿弦向的各段网格单元 的覆冰质量； 进一步可以获得叶片表 面每个网格 单元的覆冰厚度； 将网格单元的覆冰厚度代入冻 结系数f的计算公式， 最终得到冻结系数f的数 值。 本发明为建立了风力机叶片覆冰 预测模型提 供了基础， 对于风电场的冬季维护预警、 优化防 冰除冰方法具有重要的工程指导意义和实用价 值。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115526078 A 2022.12.27 CN 115526078 A 1.一种风力发电机叶片水滴冻结系数的计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1， 根据风机叶片表面水膜的流动， 将沿叶片弦向和展向呈现的 “冰带”设定为水膜的 流动方向； S2， 在空间直角坐标系下， 将叶片表面沿尾缘处展开， 将叶片分为多个网格单元， 将流 入网格单元的水质量min和流出网格单元的水质量mout分解成沿展向和弦向的两个部分， 展 向设置为直角坐标系下的z轴正方向， 弦向为x， y的合向量， 在空间直角坐标系下， 叶片表 面 上的各点 坐标与叶片沿尾缘处展开的二维平面 坐标一一对应； S3， 将以网格单元为控制体的三维叶片剖分为i个叶素截面， 根据传质传热方程对各个 叶素截面分段采用边界层积分法求 解， 得到沿弦向的各 段网格单 元的覆冰质量； S4， 通过传质传 热方程计算获得单位时间网格单元的每个叶素截面的覆冰质量mice， 进 一步可以获得叶片表面每 个网格单 元的覆冰厚度， 从而可以获得叶片覆冰的三维图像； S5， 用冻结系数f表示网格单元内水滴的结冰比率,将步骤S4中计算得到网格单元的覆 冰质量代入冻结系数f的计算公式， 最终得到冻结系数f的数值。 2.根据权利要求1所述的一种风力发电机叶片水滴冻结系数的计算方法， 其特征在于: 所述步骤S1中， 水滴撞击到风机叶片后形成水膜， 水膜沿叶片表 面的运动方向主要有两个， 即从叶根向叶尖的展向流动， 记为 i， 从前缘向尾缘的弦向流动， 记为j。 3.根据权利要求2所述的一种风力发电机叶片水滴冻结系数的计算方法， 其特征在于： 所述步骤S2中， 在空间直角坐标系下， 将叶片表面 沿尾缘处展开近似成梯形， 将流入网格单 元的水质量min和流出网格单 元的水质量mout分解成沿展向和弦向的两个部分， 具体如下： 在三维求解域中， 水滴相的流动方向由水滴在节点坐标处的速度决定， 故min和mout可分 解成沿展向和弦向的两个部分： 流入的水质量： 沿展向流出的水质量： 沿弦向流出的水质量： 4.根据权利要求3所述的一种风力发电机叶片水滴冻结系数的计算方法， 其特征在于， 所述步骤S3中， 叶片可以看做是沿展向多个叶素截面的合成， 在每个叶素截面下采用 Messinger传质模型， 即每 个网格单 元内存在质量平衡： mim+min＝mout+meva+mice 式中， mim为撞击到网格 单元控制体内的过冷却水滴质量， min和mout分别为流入网格单元 控制体的水质量以及流出网格单元控制体的水质量， meva为网格单元蒸发的水质量， mice为 网格单元冻结的水质量； 分别通过如下公式计算:权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115526078 A 2网格单元冻结的水质量mice： mice＝f·(mim+min) 流出网格单 元控制体的水质量mout： mout＝(1‑f)·(mim+min)‑meva 空气中撞击叶片的过冷却水滴质量mim： mim＝β·LWC·V∞·A 网格单元蒸发水质量meva： 式中， Lew为Lewis数， 数值取为1； Psat(Ts)和Psat(T)分别为叶片网格表面温度Ts和环境温 度T对应的饱和水蒸汽压； Ca为空气的比热； hc为对流换 热系数； A为网格单 元长度。 5.根据权利要求4所述的一种风力发电机叶片水滴冻结系数的计算方法， 其特征在于， 所述步骤S3中,传质传热 方程中， 每 个网格单 元内存在热量平衡， 即： Qim+Qin＝Qeva+Qi+Qout+Qf+Qc 热量平衡方程的求解过程中， 对流换热系数hc依据边界层积分法进行求解， 三维叶片 展 开剖分为i个叶素截面， 通过对 各个叶素截面分段采用边界层法求解， 进而得到沿弦向的各 段网格单 元的覆冰质量。 6.根据权利要求5所述的一种风力发电机叶片水滴冻结系数的计算方法， 其特征在于， 所述步骤S4具体如下： 由于步骤S3中网格单元划分将叶片沿展向划分为i行， 故取每行的压强极小值点为驻 点， 该处min＝0， 数值计 算遵循从叶根处节点(1,j Vmin)起， 对每一行逐次迭代； 对 每一行的控 制体网格单 元， 计算方向以驻 点为起始点分别向展向两边迭代； 对于叶根处第1行的驻 点和其余驻点处的min值为： 通过传质 传热计算获得单位时间每个截面网格的覆冰质量mice， 进一步处理可以获得 叶片表面每 个网格的覆冰厚度， 从而可以获得叶片覆冰的三维图像。 7.根据权利要求6所述的一种风力发电机叶片水滴冻结系数的计算方法， 其特征在于， 所述步骤S5水滴的冻结系数f表示网格单 元内水滴的结冰比率， 具体 计算公式如下： 传质传热平衡方程中存在min、 f和Ts三个未知解， 其中f和Ts存在制约关系， 当f＝0时， Ts >273.15K， 此时认为叶片 网格处没有水滴冻结； 0<f<1时， Ts＝273.15K， 该网格处覆冰为典 型的雨淞覆冰； f＝1时， Ts<273.15K， 此时网格处没有液态水膜， 覆冰为雾凇。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115526078 A 3