海上风力发电机高湿结冰环境下的动态积冰特性及气动性能损失实验研究

本文通过实验研究了海上风力发电机叶片在高液态水含量（LWC高达10.0 g/m3）和低温（-15.0°C）环境下的动态积冰过程，揭示了积冰类型（霜冰/混合冰/明冰）对气动性能的差异化影响（升力降低85%，阻力增加150%），为海上风电抗冰设计提供了关键数据支撑。

　　

Highlight

实验采用爱荷华州立大学结冰研究风洞（ISU-IRT），在-5.0°C至-15.0°C、LWC达10.0 g/m³的极端条件下，通过高速摄像和3D形貌扫描系统捕捉FFA-W3-211翼型叶片的动态积冰过程。

The icing research tunnel used for the icing experiments

ISU-IRT配备0.4m×0.4m透明测试段，可模拟100 m/s风速和-20°C低温环境。其超声速雾化系统能生成中值直径20μm的过冷水滴（SWDs），配合热电偶阵列实时监测模型表面温度梯度。

High-speed imaging of the transient ice accretion process

热平衡30分钟后启动喷雾系统，高速摄像机以1000帧/秒记录冰晶生长轨迹。在-15.0°C高LWC条件下，叶片前缘出现"冰角"(ice horns)的明冰特征，而-5.0°C时未冻结水回流形成"冰脊"(runback ice)。

Conclusions

研究发现：1）海上高LWC环境使霜冰向明冰转化，积冰质量增加15%；2）明冰导致边界层分离加剧，升阻比恶化程度比霜冰高2个数量级；3）-5.0°C时盐水低温特性反而减轻气动损失。

CRediT authorship contribution statement

第一作者Harsha Sista负责实验设计与数据处理，通讯作者Hui Hu教授主导研究框架并获取NSF（CBET-2415347）等基金支持。

Declaration of Competing Interest

作者声明无利益冲突

Acknowledgements

致谢爱荷华能源中心（IEC #312350）和美国国家科学基金会（NSF TI-2140489）的资助支持。