随着风能产业在世界范围内的迅速发展,风力发电机覆冰问题日益显著。目前,电加热融冰技术被认为是解决风电场覆冰问题最为有效、可靠和最具经济可行性的方法。然而,由于旋转状态下叶片融冰问题的复杂性和开展相关研究的困难性,国内外学者尚未在基础技术方面取得关键性的研究成果。基于上述研究背景,并结合当前叶片电加热装置研制所面临的诸多问题,本文开展了风力发电机叶片电加热融冰过程的系统研究,揭示了叶片电加热融冰的物理过程,为融冰装置的合理研制与高效运行提供了理论基础。论文的主要工作及取得的成果如下:(1)基于风力发电机叶片电加热融冰的基本物理过程和热传导过程,建立了叶片电加热融冰的数学模型,考虑了融冰过程中叶片、冰层与环境之间热交换的动态变化过程,分析了融冰后冰层底部空气间隙的产生与增长规律,给出了融冰时间的计算方法。(2)提出了将流动与传热耦合计算方法和两步显热容法相结合的数值计算思路,建立了基于全域温度场动态变化和冰层内部空气间隙动态发展的风力发电机叶片融冰数值计算方法。在使用覆冰叶片精确几何外形的基础上,实现了叶片融冰过程的动态模拟。同时,设计、制造并搭建了风力发电机融冰试验装置,开展了人工与自然条件下的叶片融冰试验研究,对数值计算方法进行了验证。结果表明,所建立的风力发电机叶片融冰数值计算方法能够较好地模拟叶片融冰过程,仿真得到的叶片表面温度变化规律与试验情况较为符合,其误差在±5°C以内,满足工程实践要求。(3)基于对叶片融冰试验现象与结果的分析,提出了叶片融冰过程存在自然终止现象的观点,利用所建立的数学模型和数值计算方法,对自然终止后的空气间隙内部速度场和温度场进行了仿真研究。给出了叶片融冰自然终止条件的定义:冰层内部空气间隙在两端均与外界空气实现连通,或者叶片加热区域表面在融冰开始后形成稳定的温度场分布。(4)结合试验与仿真结果对风力发电机叶片融冰过程进行了综合探究,通过对融冰进程中温度场的动态变化和冰层内部空气间隙动态发展过程的分析,给出了叶片融冰的完整物理过程,指出风力发电机叶片融冰过程主要分为五个阶段:初始温升、气隙出现、气隙增长、自然终止和冰层脱落。(5)利用所建立的数学模型和数值计算方法对临界融冰功率和限时融冰功率的影响因素进行了分析。结果表明,临界融冰功率主要受到覆冰程度、环境温度和合成风速的影响;限时融冰功率主要受到允许融冰时长、覆冰程度、环境温度和合成风速的影响。叶片攻角对两者的影响不具有规律性且基本可以忽略。通过开展人工条件下的试验研究,发现临界、限时融冰功率的仿真值与试验值具有较好的一致性,其平均误差分别为6.6%和6.9%,进一步验证了所建立数值计算方法的正确性和准确性。