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Numerical investigation on thermal protection of wind turbine flanges in extremely cold weather

轮缘 热的 材料科学 传热 涡轮机 加热元件 电加热 采暖系统 对流换热 核工程 机械 环境科学 机械工程 气象学 工程类 复合材料 物理
作者
Chenyu Zhang,Hongtao Xu,Yaodong Da
出处
期刊:International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow [Emerald Publishing Limited]
卷期号:34 (5): 2022-2042
标识
DOI:10.1108/hff-11-2023-0667
摘要

Purpose Thermal protection of a flange is critical for preventing tower icing and collapse of wind turbines (WTs) in extremely cold weather. This study aims to develop a novel thermal protection system for the WTs flanges using an electrical heat-tracing element. Design/methodology/approach A three-dimensional model and the Poly-Hexacore mesh structure are used, and the fluid-solid coupling method was validated and then deployed to analyze the heat transfer and convection process. Intra-volumetric heat sources are applied to represent the heat generated by the heating element, and the dynamic boundary conditions are considered. The steady temperature and temperature uniformity of the flange are the assessment criteria for the thermal protection performance of the heating element. Findings Enlarging the heating area and increasing the heating power improved the flange's temperature and temperature uniformity. A heating power of 4.9 kW was suitable for engineering applications with the lowest temperature nonuniformity. Compared with continuous heating, the increased temperature nonuniformity was buffered, and the electrical power consumption was reduced by half using pulse heating. Pulse heating time intervals of 1, 3 and 4 h were determined for the spring, autumn and winter, respectively. Originality/value The originality of this study is to propose a novel electrical heat-tracing thermal protection system for the WTs flanges. The effect of different arrangements, heating powers and heating strategies was studied, by which the theoretical basis is provided for a stable and long-term utilization of the WT flange.

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