（1）
摘要 针对寒冷地区风力发电机叶片结冰问题，该文以NACA0012翼型为研究对象，使用FENSAP-ICE软件，采用数值模拟方法，探究环境温度对叶片覆冰特性的影响，并系统对比分析玻璃纤维、铝合金及碳纤维复合材料作为加热片材料层时，在电热除冰过程中的性能差异。研究建立了空气流场、液滴撞击及结冰生长的多物理场耦合模型，结合共轭热传递分析，揭示了材料热物性对除冰效率的影响机制。结果表明：环境温度显著影响覆冰类型与范围，在较高结冰温度（-1℃）下易形成大面积雨凇，在较低结冰温度（-20℃）下则会生成前缘积聚的雾凇。材料热物性显著影响翼型表面温度分布，玻璃纤维因低热导率（0.294 W/(m×K)）可在前缘形成局部高温区，提升雾凇工况下的除冰效率；铝合金凭借高热导率（164 W/(m×K)）实现快速温度响应，能够应对突发性结冰事件；碳纤维复合材料（热导率900 W/(m×K)）通过各向异性导热优化热量分布，适用于雨凇工况。600 s内三者除冰质量相近（0.515～0.529 kg），但碳纤维复合材料可清除最长等效结冰时间（903 s）的覆冰，综合性能最优。
关键词：风力发电机 叶片覆冰 数值模拟 电热除冰 材料热物性
根据全球风能理事会（Global Wind Energy Council, GWEC）发布的《全球风能报告2025》数据显示，2024年全球风电新增装机容量达到117 GW，其中中国的新增装机量占比70%，全球风电累计装机总量已达1 136 GW[1]。然而，风力发电机叶片在高寒、潮湿等环境条件下极易发生结冰现象，这是制约风电产业发展的重要因素[2-4]。全球每年因覆冰造成的发电损失高达29%[5]。覆冰不仅会改变风力发电机叶片表面的几何形状，引起气动性能的显著退化，导致升力降低、阻力增加，甚至引发叶片的不平衡载荷以及结构振动加剧等问题[6-8]，严重情况下还可能会导致叶片断裂和塔架倾斜，造成安全事故[9]。
国内外学者针对风力发电机叶片覆冰机理进行了大量的研究。R.Manatbayev等[10]使用FENSAP-ICE模拟工具获得了不同攻角下垂直轴风力发电机叶片的覆冰形状。模拟结果表明整个叶片前缘都被冰覆盖，在雾凇条件下获得了光滑的冰形，对空气动力学性能没有显著影响，而雨凇的积聚会导致流动分离和升力下降。孔祥逸等[11]使用Fluent和FENSAP-ICE软件，还原NACA0012翼型表面覆冰过程，研究了环境温度、来流速度、空气中液态水含量（Liquid Water Content, LWC）和液滴中值体积直径（Median Volume Diameter, MVD）对叶片表面覆冰特性的影响，并对覆冰前后的叶片进行了气动性能分析。Jin Jiayi等[12]使用FENSAP-ICE数值模拟软件，分析了翼型在不同运行条件下的结冰现象。结果表明，随着气流速度和MVD的增大，冰层的生长会增强，而环境温度的变化则显著影响覆冰形态。
叶片覆冰不仅会导致其气动外形发生改变，造成功率损失，覆冰质量与面积的增加还可能会产生抛冰等危害，因此亟须找到快速高效的防/除冰方法。自21世纪以来，研究人员针对风力发电机叶片的防/除冰方法进行了大量的研究与探索。根据防/除冰原理的不同，防/除冰方法可大致分为主动法和被动法[13]。主动法主要包括压电脉冲法[14]、气动脉冲法[15]、超声导波法[16]、电加热法[17]、热风法[18]等。被动法主要包括超疏水涂层[19-21]、光热涂料[22]和化学溶剂等。其中，热空气法和电加热法是目前应用最广泛的防/除冰方法[23]。Xu Zhi等[24]利用数值模拟研究了各种覆冰条件下风力发电机叶片翼型的结冰特性和防冰能量需求，进而探究了受环境温度和风速影响的防冰能量分布机制。Shu Lichun等[25]提出了一种用于计算结冰翼型临界除冰热通量的数值方法，通过实验验证了数值模型预测的准确性，并指出环境温度对除冰热通量阈值有很大影响，而风速的影响有限。尽管许多研究人员已对电加热除冰技术进行了数值模拟和实验研究，但对于系统分析能量载体，即加热片的材料层本身的热物性对叶片表面的温度分布和除冰效果的影响，以及有关加热片不同材料层对比选型的研究还相对匮乏。因此，研究加热片不同材料层对电加热除冰的影响具有重要意义。
综上所述，本文以NACA0012翼型为例，使用FENSAP-ICE软件，通过数值模拟的方法研究不同环境温度对叶片表面覆冰特性的影响，系统性地对比玻璃纤维、铝合金及碳纤维复合材料在电热除冰中的温度响应特性、除冰效率及等效结冰时间内除冰能力的差异，提出材料热物性参数与结冰类型的匹配准则。本文研究可为寒冷地区风力发电机叶片防/除冰设计提供材料选型依据。
翼型覆冰的数值模拟研究的核心在于求解结冰粒子的质量通量，并定量确定结冰的条件。该物理过程可通过综合热流体动力学耦合模型实现高精度数值模拟，其模拟过程涵盖空气流场计算、液滴撞击计算、结冰生长计算等关键环节，同时引入相变潜热传递机制，建立表面水膜流动与冰层生长的动态热力学平衡方程，最终实现冰型演化的多物理场耦合预测。本文利用FENSAP-ICE软件对NACA0012翼型进行覆冰数值模拟和电热除冰模拟，采用了FENSAP、DROP3D、ICE3D和CHT（Conjugate Heat Transfer）3D四个模块。
空气动力学行为通过求解三维守恒型Navier-Stokes方程组进行数值表征，控制方程如下所示。
1）质量守恒方程为
（1）
2）动量守恒方程为
（2）
3）能量守恒方程为
（3）
式中，下角标“a”代表空气对应变量；ρ为密度；v为速度矢量；g为重力加速度；T为以K为单位的空气静温；σ为二阶应力张量；E为总初始能量；H为焓；k为热导率；τ为二阶表面剪切力；
为速度
在x方向的分量。
在FENSAP中进行初始外部流场计算，动量方程选取Navier-Stokes方程，能量方程选择偏微分方程，湍流模型选择Spalart-Allmaras湍流模型。
计算液滴轨迹时使用FENSAP-ICE软件中DROP3D模块，在叶片流场计算结果的基础上，求解过冷液滴的运动方程，对每个液滴进行跟踪，以确定液滴是否与叶片发生碰撞。首先用欧拉法建立气液两相控制方程，然后用有限体积法求解控制方程，从而得到液滴运动轨迹和叶片表面的撞击特性[26]。
过冷液滴运动通过欧拉两相流模型描述，控制方程如下所示。
1）液滴体积分数守恒方程为
（4）
2）液滴动量方程为
（5）
式中，下角标“d”代表液滴对应变量；α为水体积分数；“
”代表张量积；CD为液滴阻力系数；Fr为弗劳德数；Re为雷诺数；K为惯性参数。
结冰生长计算采用FENSAP-ICE软件中的ICE3D模块。完成液滴的撞击特性研究后，需要根据传热传质平衡理论建立覆冰热力学物理模型，分析翼型覆冰过程[27]。利用质量和能量守恒方程求解叶片表面的结冰热力学模型，得到叶片的表面结冰量和温度的分布。
1）质量守恒方程为
（6）
2）能量守恒方程为
式中，下角标“f”代表水膜对应变量；h为厚度；β为液滴的局部收集效率；cf为水膜的传热系数；cice为冰的传热系数；ch为高度为h的水膜的传热系数；ε为固体的辐射传热速率；σf为斯忒藩-玻耳兹曼常数，σf=5.67×10-8 W/(m2∙K4)；Levap为单位质量液态水到水蒸气转变过程的能量系数；Lfusion为单位质量从液态水到冰的转化过程的能量系数；Tf为热平衡温度；Tice为冰的温度；Tice,rec为回流水温度；
为过冷水滴瞬时蒸发质量通量；
为水滴撞击翼型表面瞬时覆冰质量通量；T∞为自由流温度；v∞为自由流速度；CLWC为液态水含量；Qanti-icing为防冰热通量。
当过冷液滴撞击叶片表面时，过冷液滴由液态转变为固态，从而出现叶片结冰现象。根据影响结冰的各种因素如环境温度、风速、LWC和MVD等，叶片结冰可以分为雾凇和雨凇两种，其中，环境温度的变化会显著影响覆冰的类型[3,12]。在低温环境中，过冷液滴与叶片表面接触时立即冻结，就会形成雾凇。形成雾凇的温度范围很大，可低至-20℃。雾凇通常在叶片前缘处形成且不会融化，呈现不透明的白色，内部含有空气，密度大多较小。雨凇通常出现在-6～0℃的温度范围内，密度比雾凇大。过冷液滴在撞击叶片表面时不会完全冻结，部分液态水在表面流动后逐渐冻结，形成透明或半透明、表面光滑坚硬的雨凇。
为了使结冰模拟与除冰模拟在参数设置上保持一致，结冰模拟参考NASA在Lewis研究中心结冰风洞中的电加热除冰实验参数进行设置[28]，结冰数值模拟是在表1中指定的几何参数和工作参数下进行的。
表1 数值模拟参数设置
Tab.1 Parameters set for numerical simulation
参数数值（型号） 翼型NACA0012 弦长/m0.914 4 风速/(m/s)44.704 LWC/(g/m3)0.78 MVD/μm20 攻角/(°)0 环境温度/℃-20, -15, -10, -5, -1 结冰时间/s600
不同环境温度下的翼型覆冰形状如图1所示。从图1中可以看出，在结冰温度较高（-5℃、-1℃）的情况下，过冷液滴在撞击叶片表面时不会完全冻结，由于结冰过程中存在融化过程，在结冰表面和过冷液滴之间形成了一层薄薄的水膜。在边界层气流的作用下，液态水从叶片表面流出，并在回流的过程中逐渐冻结，形成雨凇，因此覆冰面积大。当温度进一步下降至-10～-20℃时，过冷液滴撞击叶片后迅速冻结，形成雾凇。此时覆冰面积减小，表现出靠近叶片前缘积聚的特征。
图1 不同环境温度下的翼型覆冰形状
Fig.1 Shape of airfoil icing at different temperatures
FENSAP-ICE中的CHT3D模块是一款专用于三维共轭热传递分析的数值仿真工具，其通过双向耦合流体域（外部流动）与固体域（结构内部）的热力学交互，解决复杂结冰环境下的热平衡与防/除冰系统设计问题。该模块能够精确刻画液态水撞击冻结释放的潜热、气动加热、外部冷却效应以及结构内部热传导的耦合作用，同时无缝集成气动流场、液滴撞击与结冰增长等多物理场模块，形成结冰全流程仿真闭环。CHT3D采用高效并行计算框架，结合隐式时间推进方法与自适应网格技术，有效地提升了防/除冰系统热载荷分布的模拟精度、能耗评估的可靠性及结冰形态预测的准确性，并在瞬态热力学耦合分析中展现出显著优势。
本文使用NASA在Lewis研究中心的结冰风洞中的电加热除冰实验对当前模型进行验证[28]。加热片在翼型的位置及加热片的材料层布置如图2所示。选取弦长为0.914 4 m的NACA0012翼型，翼型表面由7个连续排列且相互独立的加热片组成，图中圆圈表示加热片材料层的组成部分。表2列出了加热片各层材料的物质属性，其中加热贴片的厚度为0.013 mm。加热片总宽度为196.85 mm，在非对称布局的加热片系统中，叶片顶面方向存在4.572 mm的特定偏移量，该偏移对应加热片A的安装位置调整。从加热片尺寸来看，加热片A的宽度为19.05 mm，B、C、D、E四个加热片宽度统一为25.40 mm，而G型与F型加热片则采用了更大尺寸的38.10 mm宽度设计。
图2 加热片在翼型的位置及加热片的材料层布置
Fig.2 The position of the heating plate in the airfoil and the material layer arrangement of the heating plate
表2 加热片材料层的材料属性
Tab.2 Material properties of the heating plate material layers
材料厚度/mm密度/(kg/m3)热导率/[W/(m·K)]焓/(J/kg) 防护罩0.208 025.250 016.260 0137 234.93 弹性体0.561 383.955 20.256 1343 087.33 玻璃纤维0.891 794.000 00.294 0428 859.16 泡沫硅3.43648.750 00.121 0308 778.60
NACA0012翼型电加热除冰模拟的主要设置参数见表3。由于除冰运行包含结冰，因此考虑了结冰表面粗糙度对热通量的影响，增加了翼型的表面粗糙度为0.000 5 m。固体域网格划分如图3所示，在CHT3D中定义各加热片材料层参数并设置加热片中加热贴片功率与加热周期，每个周期为120 s，A加热片持续开启，功率为7 750 W/m2，在100～110 s打开加热片B和C，功率为15 500 W/m2，在110～120 s打开D、E、F、G四个加热片，功率为12 400 W/m2，共加热5个周期，总时间600 s。
表3 NACA0012翼型电加热除冰的主要设置参数
Tab.3 Main setup parameters for NACA0012 airfoil electrically heated de-icing
参数数值 风速/(m/s)44.704 环境温度/K266.483 LWC/(g/m3)0.78 MVD/μm20 加热片A功率/(W/m2)7 750 加热片B和C功率/(W/m2)15 500 加热片D～G功率/(W/m2)12 400
图3 固体域网格划分
Fig.3 Solid domain meshing
将数值模拟得出的结果与实验结果进行对比，如图4所示。由图4可以发现，在第一个周期（120 s）内，数值模拟的温度普遍高于实验结果，这可能与在非稳态模拟中设置的初始条件有关。此时并未完全匹配实际模拟的条件，导致在第一个周期内，当未达到稳定的温度时，实验与模拟结果会有较大的差异；当达到稳定的温度后，模拟数据与实验数据基本吻合。从图1能够看出，无论是雨凇还是雾凇，覆冰最为严重的区域均在翼型前缘，因此本文主要基于翼型前缘的三个加热片A、B、C进行研究。图5为翼型表面加热片A～C的温度分布在不同时刻的CHT3D结果与实验结果的对比。图5中，温度被定义为距结冰翼型前缘表面距离的函数。
图4 加热片A数值模拟随时间的温度变化与实验对比
Fig.4 Comparison of the surface temperature variation over time for heating plate A in numerical simulation with experimental results
图5 表面温度分布在不同时刻的CHT3D结果与实验结果对比
Fig.5 Comparison of CHT3D results of surface temperature distribution at different moments with experimental results
可以看出，当前的模拟结果与实验结果基本一致，模拟及实验结果一部分呈现对称性，另一部分呈现非对称性，可归结为以下两个原因：
1）结冰模拟中冰脱落造成部分区域覆冰量减少，模型中部分回流水的流失没有让其流过其他加热片并重新冻结，导致融冰所需热量减少，翼型表面温度较高。
2）翼型周围的非均匀温度分布源于冷热空气的密度差异。由于密度较低的热空气具有上升趋势，导致翼型吸力面温度在前缘区域显著升高，并相应地在压力面的局部区域引发升温。
总体来看，目前的模拟结果与实验结果的偏差在可接受的范围内。
结冰对使用不同材料翼型结构特性的影响十分复杂，需要结合材料本身的力学性能等进行分析。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和稳定的化学性能[29]，质量轻、密度低、刚度高、拉伸强度高[30]；玻璃纤维具有质量轻、耐热性强、耐腐蚀且机械强度高的特点；铝合金的密度为钢铁的1/3，其具有导热性良好、机械强度高、耐蚀性好等特点。
在材料选型中，成本与集成可行性亦是关键的考虑因素。尽管碳纤维复合材料的成本显著高于另外两种材料，但由于其相对密度小、刚性大和机械强度高的优点，已被用于制造低风速叶片[31]，且随着叶片尺寸的不断增大，叶片结构部件对碳纤维复合材料的需求也在日益增长[32]；玻璃纤维作为传统叶片材料，成本较低，且与叶片主体材料兼容性高，易于集成，在风力发电领域应用最为广泛[33]，大多数风力发电机叶片使用玻璃纤维进行制造；铝合金材料成本中等，易于加工制造并且能满足屈曲设计的要求，广泛应用于小型风力发电机叶片[34]。因此，本文将选择碳纤维复合材料、玻璃纤维、铝合金进行电加热除冰数值模拟仿真，研究分析不同加热片材料层对翼型表面温度分布的影响，通过对比三种不同热物理特性的材料作为加热片材料层的性能差异，揭示材料热物性参数对翼型加热除冰效果的影响。三种加热片材料层的材料属性见表4。由表4所列物质属性可知，铝合金具有很高的热导率和中等焓值，而玻璃纤维的热导率最低但焓值最高，碳纤维复合材料则展现出超高热导率与中等焓值的独特组合特点。
表4 三种加热片材料层的材料属性
Tab.4 The material properties of the three layers of heating plate materials
材料密度/(kg/m3)热导率/[W/(m×K)]焓/(J/kg) 玻璃纤维1 7940.294428 859.16 铝合金2 820164258 673.05 碳纤维复合材料2 220900273 150.00
使用不同加热片材料层时，翼型表面最大温度随时间的变化如图6所示。通过对比铝合金、玻璃纤维及碳纤维复合材料三种不同材料作为材料层在加热过程中的翼型表面最大温度变化曲线发现，铝合金的极限最大温度为291.04 K，显著高于玻璃纤维的288.68 K和碳纤维复合材料的287.23 K，但其高温维持能力受制于快速的热传导与对流散热效应，高温持续时间较短，且在进入平稳阶段后最大温度显著降低，最终低于玻璃纤维材料。与之形成鲜明对比的是，玻璃纤维因其低导热特性形成显著热阻效应，使热量在翼型表面持续积聚而不易迅速散失，在导热过程中能够长时间维持较高的表面温度，且平稳后温度高于铝合金。而碳纤维复合材料的各向异性导热特性则体现出独特的温度调控能力，其沿纤维方向的高热导率促使热量快速纵向扩散，抑制了局部温升，在整个0～600 s时间范围内最大温度始终低于其余两种材料的最大温度。
图6 使用不同材料的翼型表面最大温度随时间的变化
Fig.6 Curves of the maximum temperature of the airfoil surface over time when using different materials
图7为120 s时使用不同材料的翼型温度分布。在加热到120 s时，玻璃纤维前缘区域因热导率极低，导致热量在前缘局部积聚，形成明显的温度热点，对于前缘覆冰（雾凇）的除冰效果更好。由于玻璃纤维具有良好的耐热性，在电加热模拟过程中的表面温度始终低于290 K，因此在该过程中不会造成热损伤问题。碳纤维复合材料凭借其高导热性，迅速将输入热量沿纤维方向扩散，在局部热量的积累较少，从而在整体上保持更均匀且较低的温度分布，对于覆冰范围更广（雨凇）的翼型除冰效果更好。铝合金翼型表面温度在两侧最高，而前缘温度在其余两种材料之间，这可能是因为其前缘热载荷过高，由于铝合金的高热导率，在120 s时已耗散到空气中。尽管图7中部分区域温度低于冰点温度（273.15 K），但电热除冰系统具有周期性强、加热强度高的特点，通过破坏冰层的黏附力，借助翼型表面边界层气流将已松动或融化的冰机械剥离来达到除冰的目的。因此，即使表面温度短暂低于冰点，也不会导致冰层快速、灾难性地增长。图8为120 s时使用不同材料的翼型温度分布云图。可以看出，采用玻璃纤维作为加热片材料层的翼型前缘温度明显高于铝合金与碳纤维复合材料；但是在上下两侧，铝合金为材料层的翼型表面温度更高，碳纤维复合材料则表现为更均匀的温度分布特点。
图7 120 s时使用不同材料的翼型表面温度分布
Fig.7 Surface temperature distribution of airfoils made of different materials at 120 s
图8 120 s时使用不同材料的翼型温度分布云图
Fig.8 Nephogram of the temperature distribution of the airfoil using different materials at 120 s
模拟数据表明，材料的热物理特性决定了加热过程中热量的传递和分布，从而影响了温度响应行为。不同热物理性质的材料可应用于不同结冰情况下的翼型加热除冰。
图9展示了不同温度下翼型表面在一定结冰时间范围内的覆冰质量。结果表明：在雾凇结冰温度范围内，叶片覆冰质量差异较小；而在雨凇结冰温度范围内，覆冰质量有所降低。这些覆冰数据为后续除冰模拟提供了参考。
基于覆冰模拟的研究，本文进行了电加热除冰模拟，重点考察了在-20℃环境温度下，三种材料在600 s内的除冰性能。表5列出了CHT3D模拟中采用三种材料在600 s内的除冰质量。由表5数据可知，三种材料在600 s内的除冰质量相近。其中，采用碳纤维复合材料作为加热片材料层时除冰质量最大，达0.529 kg。
图9 不同温度下叶片覆冰质量
Fig.9 Blade ice cover mass at different temperatures
表5 采用各材料的除冰质量
Tab.5 De-icing quality of each material
材料除冰质量/kg除冰时间/s 玻璃纤维0.515600 铝合金0.520600 碳纤维复合材料0.529600
为了更直观地比较不同材料层对除冰效果的影响，引入等效结冰时间的概念。等效结冰时间是指：在特定环境条件下，形成等同于除冰系统在指定时间内清除的覆冰质量所需的自然结冰时间。该指标将除冰质量转换为一个更直观的时间维度，用以衡量除冰系统的能力。等效结冰时间越长，表明该除冰系统在相同工作时间内能清除更长时间积累的覆冰，因此能够降低除冰能耗与运维频次，提高除冰效率。
采用各材料达到相应除冰质量所需的等效结冰时间如图10所示，该等效结冰时间是从图9反推得出的。模拟数据显示，在环境温度为-20℃的条件下，采用碳纤维复合材料时，可在600 s内清除相当于903 s等效结冰时间形成的覆冰；采用铝合金时，可清除相当于886 s等效结冰时间的覆冰；采用玻璃纤维时，则可清除相当于878 s等效结冰时间的覆冰。随着环境温度的升高，600 s除冰操作对应的等效结冰时间相应延长。值得注意的是，图10中各材料达到相应除冰质量所需等效结冰时间的长短与各材料热导率之间的对比结果高度一致。总体而言，在相同除冰时长（600 s）下，碳纤维复合材料因其具有最高的热导率及各向异性导热特性，能够清除最长等效结冰时间内的覆冰，将热量快速且均匀地扩散到更大的覆冰区域，从而更有效地破坏冰层的黏附，使覆冰在翼型表面边界层气流以及自身重力的作用下更容易地被剥离。
图10 采用各材料达到相应除冰质量所需的等效结冰时间
Fig.10 Equivalent icing time for each material to reach the corresponding de-icing mass
本文通过数值模拟方法，深入探究了温度对叶片覆冰特性的影响，以及加热片材料层选型对电加热除冰效果的影响，为寒冷地区风力发电机叶片的防/除冰设计与材料选择提供了依据。研究过程中，应用FENSAP-ICE模拟工具，以NACA0012翼型为例，对玻璃纤维、铝合金、碳纤维复合材料在电加热温度分布与电加热除冰方面的作用进行了详细探讨，得出以下结论：
1）结冰温度较高时，过冷液滴撞击叶片后形成流动水膜，并逐渐冻结为雨凇，覆冰面积较大；随着结冰温度降低，液滴撞击叶片后瞬间冻结为雾凇，覆冰集中于翼型前缘且范围较雨凇减小。
2）玻璃纤维成本低、易于集成，且凭借其低导热性使热量在叶片前缘持续积聚，可维持较高表面温度以提升除冰效率，适用于常年雾凇、需要持续热防护且对成本敏感的风电场；铝合金的高热导率能够实现快速温升响应，适用于需要对难以预测的突发性结冰事件进行快速除冰响应的工况；碳纤维复合材料虽然初始成本较高，但凭借其超高热导率与各向异性导热特性，促使热量沿纤维方向高效扩散，能够抑制局部高温且优化整体温度均匀性，在常年大面积覆冰的雨凇工况下展现出卓越的除冰效率，且可清除最长等效时间内的覆冰，能够通过降低除冰能耗和减少运行期间维护周期数实现经济回报。
3）碳纤维复合材料独特的各向异性导热特性，为实现复杂温度场的定向调控开辟了新路径。
未来可研究探索混合复合材料与分区加热策略，旨在构建更高效的防/除冰系统。
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Abstract Wind turbine blades operating in cold and humid environments are highly prone to ice accretion, presenting a critical challenge to the wind energy sector. Ice formation alters the blade’s surface geometry, inducing substantial aerodynamic degradation characterized by diminished lift and elevated drag, with potential safety risks under severe conditions. Electrothermal de-icing has been widely implemented as a countermeasure. Nevertheless, the systematic effect of the thermophysical properties of heating plate material layers on de-icing efficiency remains inadequately explored. This investigation examined the influence of thermal characteristics of heating plate material layers on the electrothermal de-icing performance of a NACA0012 airfoil leading edge under cold-climate icing conditions. A multiphysics modeling framework was established via FENSAP-ICE simulations, integrating airflow dynamics, droplet impingement, and ice accretion processes. Conjugate heat transfer (CHT) analysis was incorporated to elucidate the underlying mechanisms through which material thermal properties govern de-icing effectiveness.
The research established that ambient temperature significantly determines ice type and spatial extent on the blade surface. A higher icing temperature of -1℃ promoted the formation of extensive glaze ice due to the presence of a liquid water film that flows and refreezes. In contrast, a lower temperature of -20℃ led to rime ice accumulation primarily localized at the leading edge, resulting from the instantaneous freezing of supercooled droplets upon impact.
The core investigation systematically compared three heating plate material layers: glass fiber, aluminum alloy, and carbon fiber composite. The findings revealed that the thermophysical properties of the heating plate material layers critically determine the surface temperature distribution and de-icing effectiveness. Due to its low thermal conductivity (0.294 W/(m·K)), the glass fiber layer formed a localized high-temperature zone at the leading edge, enhancing de-icing efficiency specifically under rime ice conditions. The aluminum alloy layer, with its high thermal conductivity (164 W/(m·K)), enabled rapid temperature response, making it suitable for addressing sudden icing events. The carbon fiber composite layer, possessing ultra-high thermal conductivity (900 W/m·K) and anisotropic heat conduction characteristics, optimized heat distribution, proving particularly effective for large-area glaze ice conditions.
Over a 600-second de-icing period, the total ice mass removed was similar for all three materials (0.515～0.529 kg). However, a key performance metric, the equivalent icing time-defined as the natural icing duration required to accumulate a mass equal to that removed during the de-icing operation-was introduced for deeper analysis. The carbon fiber composite demonstrated superior performance by clearing ice equivalent to 903 s of natural accretion, outperforming aluminum alloy (886 s), and glass fiber (878 s). This indicates that the carbon fiber composite achieves higher de-icing efficiency for the same operational duration, potentially reducing energy consumption and maintenance frequency.
This research systematically compared the performance of different heating plate material layers in electrothermal de-icing, highlighting the critical role of material thermophysical properties. Glass fiber is suitable for wind farms experiencing year-round rime ice, where sustained thermal protection is required and cost sensitivity is a concern. Aluminum alloy is appropriate for conditions demanding rapid de-icing response to unpredictable sudden icing events. Carbon fiber composites demonstrate exceptional de-icing efficiency under persistent, extensive glaze ice conditions, while also offering novel solutions for complex thermal field regulation.
Keywords：Wind turbine, blade icing, numerical simulation, electrothermal de-icing, thermophysical properties of material
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.251612
中图分类号：TM614
国家自然科学基金联合基金重点项目（U25A20191）和湖南雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站开放课题（NORS-XFEE-23-05）资助。
收稿日期 2025-09-16
改稿日期 2025-10-28
周 辉 男，2000年生，硕士研究生，研究方向为风力发电机叶片表面覆冰机理。E-mail：q418171376@163.com
金嘉怡 女，1991年生，博士，硕士生导师，浦江人才，研究方向为空气动力学覆冰、风力发电机叶片防/除冰技术和风资源评估等。E-mail：JIAYI_JIN@163.com（通信作者）