我国受季风性气候影响明显,冬季风力资源特别丰富,但低温造成的叶片覆冰严重地制约着风电产业的发展。叶片覆冰对其空气动力特性造成极大的影响,导致严重的风力机功率损耗;叶片上附着的冰块在旋转过程中因离心力作用而被甩落,对机组及附近工作人员的安全造成极大的隐患。国内外对于风力机叶片覆冰模型的研究多基于经典的叶素动量理论(BEM),将三维旋转问题转化成具有特定攻角的二维翼型进行研究,且缺乏相应的试验验证。由于风力机旋转过程中包含沿叶展方向的速度,三维模型能更加准确地描述风力机的覆冰过程。因此,从覆冰试验与三维数值计算模型相结合的角度研究风力机叶片的覆冰增长过程,提出基于气象参数的叶片覆冰预测模型,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。论文首先试验研究了风力机叶片的覆冰增长过程,然后从建立三维数值计算模型的角度出发,将其分为空气流场计算、水滴碰撞系数计算、传质传热计算以及冰形计算四部分,在二维Messinger传质模型的基础上对三维覆冰算法进行了改进,在建立模型的过程中综合考虑了湍流模型、表面水膜流动以及冰面粗糙度对覆冰过程的影响,得到覆冰过程中碰撞系数、对流换热系数、冻结系数以及冰形沿叶片的分布规律及其影响因素,最后通过试验验证了覆冰预测模型。论文的具体工作及成果如下:(1)在人工气候室及雪峰山自然覆冰试验站搭建试验平台得到了风力机叶片覆冰的分布规律,并根据显微成像法及旋转多圆柱监测法研究了环境参数对覆冰荷载的影响。结果表明,覆冰主要集中在叶片前缘,沿展向覆冰逐渐增多;风速、液态水含量(LWC)的增大以及温度降低都会导致更加严重的覆冰。(2)采用多参考坐标系(MRF)法模拟了叶片旋转,基于S-A、标准k-ε和k-ωSST三种湍流模型的数值模拟,并引入LEWICE的势流理论求解叶片边界层速度,研究了湍流模型对叶片表面压力系数、边界层速度的影响。计算结果表明,k-ωSST湍流模型具有较高的计算精度,与试验结果吻合较好;S-A模型在前缘吸力面存在压力系数偏小的情况,标准k-ε模型对吸力面的压力系数变化不够灵敏。(3)以机翼、圆柱和球体为算例,分别采用拉格朗日法及欧拉法模拟了过冷却水滴的撞击过程,并用于计算叶片的碰撞系数分布特性及其影响因素。结果表明,水滴碰撞区域主要集中在叶片前缘附近,碰撞系数沿叶展方向逐渐增大;碰撞系数和碰撞区域随着水滴中值直径(MVD)的增大而增大;风力机转速下降或风速上升都会造成水滴的撞击区域整体向压力面移动。(4)试验得到了叶片粗糙度对覆冰过程以及冰面粗糙度的影响规律,并在显微镜下观测了叶片表面冰面粗糙度随时间以及沿弦向的分布变化,依据观测结果建立了叶片冰面粗糙度模型。试验结果表明,叶片粗糙度对长时间的覆冰过程影响可以忽略;冰面粗糙度在覆冰增长初期随时间有显著的函数关系;通过拍摄到的沿弦长方向冰面粗糙度变化,可将粗糙度的发展过程分为水膜、水珠和细流三个阶段。(5)将二维Messinger传质模型拓展到三维叶片,结合水膜的流动开发了三维数值计算的算法,基于传质传热平衡方程建立了叶片覆冰冻结热力学模型,得到了对流换热系数、冻结系数沿叶片的分布规律,并研究了环境参数对两个参数的影响。结果表明,沿叶展方向对流换热系数逐渐增大、冻结系数逐渐减小;MVD的增大会导致对流换热系数的明显增大;冻结系数随着温度、MVD和LWC的降低而升高,风速变化仅对驻点附近的对流换热系数和冻结系数有一定影响。(6)采用网格节点的线性插值、B样条曲线光顺冰层边界以及动弹网格法重构网格等方法对冰形计算进行了改进优化,提出了完整的叶片覆冰预测模型及三维数值计算流程,并通过时间多步法模拟了叶片覆冰的动态变化过程,提出了确定时间步长的判定依据。覆冰预测模型与FENSAP-ICE的数值模拟以及覆冰试验结果进行了对比,其计算结果比较可靠。基于覆冰预测模型研究了网格节点数、迭代冰层数对数值计算的影响,并研究了环境参数对冰形的影响。结果表明,增大网格节点数可以有效提高计算精度,可以通过覆冰程度和覆冰增长速率来确定计算的时间步长;低温造成叶片雨淞覆冰前缘加厚、覆冰区域减小;水滴颗粒越小越趋于雾凇覆冰,前缘覆冰越薄;LWC增大导致更加严重的覆冰,而一定范围内的风速变化对覆冰的影响较小。