近年来,包括风力发电在内的清洁能源迅速发展,但在高纬度高寒地区和一些低纬度的内陆山地,风力发电机易受到覆冰的影响,破坏其气动性能,导致功率输出下降,甚至停机。风力发电机覆冰是涉及流体力学,空气动力学和热力学等多门学科的复杂物理过程,模拟与试验困难。建立风力发电机叶片覆冰数值计算模型,实现风力发电机叶片覆冰形态的模拟和预测,对于指导风力发电机在覆冰期的安全稳定运行以及辅助翼型的防冰设计有着重要的意义。本文从风力发电机叶片覆冰的基本物理过程出发,采用野外自然覆冰观测、模型建立和结果分析相结合的方法针对叶片的雾凇覆冰进行系统性的研究。第一,对风力发电机叶片在不同自然条件下形成的覆冰进行观测,对叶片覆冰的分布特性进行了分析;第二,研究了风力发电机叶片外部气流场,水滴运动轨迹及其碰撞过程;第三,研究了风力发电机叶片表面水滴的冻结特性,构建了风力发电机叶片雾凇覆冰数值计算模型。具体工作和取得的成果如下:在重庆大学雪峰山能源装备安全野外科学观测研究站对300k W风电设备叶片在不同条件下的覆冰进行了观测,结果表明,冰主要在叶片的前缘和迎风面生长,冰厚沿着叶展方向从叶根向叶尖逐渐增厚,随着温度的降低,覆冰类型从雨凇向雾凇发展,随着风速的增大,覆冰的不均匀程度增大。基于风力发电机叶片的特殊结构和运行方式,将三维叶片沿展向截出数个截面,将三维物体化为二维截面进行覆冰模拟。改变了传统使用有限元法计算风力发电机叶片外流场的方式采用边界元法的风力发电机叶片外流场计算模型,将二维模型进行降维处理,大幅度提高了计算效率,基于拉格朗日法建立了水滴运动轨迹计算模型,基于向量叉积定理建立了水滴碰撞计算模型,得到了叶片表面水滴碰撞特性,通过计算得出,水滴的碰撞在翼型驻点附近最为密集,向两端逐渐减小,主要集中在压力面和前缘,且随着风速、水滴中值体积直径和翼型尺寸的减小,水滴的局部碰撞系数都将有不同程度的增加。利用传质传热方程建立了干湿增长覆冰临界分析模型,并对叶片表面局部冻结特性进行了分析,结果表明,在本文的研究范围内,随着水滴中值体积直径和液态水含量的增大,覆冰类型从雾凇向雨凇发展,干/湿增长临界温度点降低,随着风速的增大,覆冰类型从雨凇向雾凇转化,干/湿增长临界温度点升高。最终,通过本文建立的风力发电机叶片外流场模型、水滴轨迹和碰撞模型并通过干/湿增长临界条件计算二维截面覆冰冰形,将数个截面的二维结果合成为三维覆冰图像,建立了风力发电机雾凇覆冰计算模型,对风力发电机三维雾凇覆冰分布特性和不同环境因素对雾凇覆冰的影响进行了分析,计算结果呈现出了与观测结果一致的分布特性,雾凇覆冰的覆盖区域与过冷却水滴在叶片上的碰撞区域相同,冰厚沿着叶展方向逐渐增大;水滴中值体积直径、液态水含量和风速的增大都将导致叶片覆冰冰厚的增加。采用前述野外科学观测站的300k W风力发电机自然雾凇覆冰观测结果检验本文建立的模型的准确性,结果表明,仿真结果与观测图像吻合度较高,覆冰分布特性较一致,整体冰厚较自然观测结果更小,叶尖部位的相对误差在13%以内。