直线翼垂直轴风力机是近些年发展最为迅速的风力机型之一,适用于中小型风力机。在一些潮湿寒冷的地区工作的风力机,均存在风力机结冰现象。叶片结冰导致其气动外形发生变化,致使叶片气动特性发生变化,对风力机运转造成严重影响,甚至可能引发事故。因此,对直线翼垂直轴风力机叶片结冰的研究,成为近年来重要研究课题。本研究主要运用自然低温条件搭建结冰风洞,针对直线翼垂直轴风力机叶片的旋转模型开展试验,基于所得数据进行数值模拟计算。通过改变叶片数和弦长,获得在低尖速比条件下的绕垂直轴旋转的模型表面结冰形状及其分布规律,探求影响模型表面结冰情况的影响因素,为研究设计防除冰系统提供理论基础。本研究包括下面两部分内容:(1)采用数值模拟和风洞试验两种方法研究叶片数的影响。在自然低温条件下搭建小型结冰风洞并开展实验研究。本研究设计了翼型(NACA0018)的直线翼垂直轴风力机风轮模型,叶片数选取1、2、4三种情况,弦长设计值为100mm。对风轮在相同尖速比,不同叶片数下旋转叶片的结冰分布情况进行试验研究,利用高速摄像机记录结冰过程。分析其净结冰面积、总结冰面积和结冰厚度。并将结冰叶片的轮廓输入软件,进行数值模拟计算。选取方位角为30°、120°、210°和300°的压力场进行分析。(2)叶片弦长影响研究。本研究结合数值模拟和风洞试验两种方法。叶片翼型采用直线翼垂直轴风力机常用NACA0018,叶片数采用试验中常用的双叶片,叶片弦长分别为100mm和200mm。测试了风轮在相同尖速比,不同叶片弦长条件下旋转叶片的结冰分布情况。分析了净结冰面积、总结冰厚度和面积,将结冰状态的叶片翼型导入软件,对结冰前后旋转叶片模型进行计算分析,研究叶片气动特性在结冰前后的变化,以及不同弦长对压力场的影响。本研究获得以下主要结论:(1)在低尖速比的条件下,当尖速比、结冰时间不变时,净结冰面积率和总结冰面积率随着叶片数增加呈先增后降的变化趋势,随着叶片弦长的增加呈减小的变化趋势。叶片表面结冰厚度随叶片数增加呈先增后减的变化趋势,随着叶片弦长的增加呈增加的变化趋势。(2)在低尖速比的条件下,当尖速比、结冰时间不变时,随着尖速比增加,叶片外侧结冰厚度从前缘至尾缘呈先减后增再减的变化规律,叶片内侧结冰厚度,从前缘至尾缘逐渐减小。当叶片弦长、结冰时间不变时,随着尖速比增加,叶片前缘结冰厚度增加,叶片尾缘结冰厚度减小,叶片外侧结冰厚度从前缘至尾缘呈先减后增再减的变化规律,而叶片内侧结冰厚度,从前缘至尾缘呈减小的变化规律。(3)由于本研究试验的叶片冰层厚度较薄且尖速比较低,所以叶片结冰对叶片周围压力场影响较小,来流中水滴粒子的运动轨迹受叶片结冰影响较小。叶片外侧为迎风面时,单双叶片周围流场无明显变化,四叶片周围流场较单、双叶片变化明显。随着叶片弦长增加,叶片周围流场变化显著,来流中水滴粒子的运动轨迹受叶片弦长的影响较大。