风能作为重要的可再生能源之一,具有储量大和绿色无污染的特点,被广泛地应用于风力发电领域,为我国实现碳达峰、碳中和及改善全球气候环境起着重要的推动作用。然而,当风力机在寒冷和潮湿环境条件下工作时,叶片表面会产生结冰现象,导致叶片气动外形变化、气动性能恶化、风能利用率降低、发电效率下降。此外,叶片表面结冰会导致其重量增加,破坏风轮动平衡,增加传动系统负载,缩短风力机使用寿命,对风力机的安全稳定运行造成严重影响。因此,开展风力机叶片结冰特性研究具有重要的科学意义和工程应用价值。当前,风力机叶片结冰研究方法主要包括理论分析、数值模拟和风洞试验等。然而,风力机叶片尺度大,且工作在野外,气候条件复杂,采用理论分析与数值模拟研究的难度较大,通过结冰风洞试验探索结冰规律是当前的重要手段。限于风洞尺寸,试验结果是否符合实际风力机工作情况,需要满足一定的相似性,国内外目前对此还没有开展深入研究。另外,研究结冰特性是防除冰技术的重要因素,粘结力是描述结冰界面粘结特性的重要指标。然而,当前对结冰粘结特性的研究还不深入,尤其是对动态结冰的表面粘结力研究得较少。为此,本文主要针对风力机叶片结冰相似性和结冰粘结特性开展风洞试验研究,同时结合理论分析与数值模拟,为风力机叶片结冰特性和防除冰技术研究提供理论与试验依据。本文开展的主要研究工作与结果如下:（1）在飞机翼型结冰相似准则的基础上,结合风力机的工作特点和翼型叶片结冰理论,考虑旋转离心力对结冰特性的影响,增加了旋转动力学相似参数,提出了针对旋转风力机叶片的结冰相似性研究方法。基于该方法,确定了在静止和旋转状态下风力机叶片结冰相似参数的选取原则,包括修正惯性参数、冻结比例系数、聚集因子、相对热因子、空气能量传递势、水滴能量传递势、基于水膜厚度的韦伯数和离心拉应力。在此基础上,为了定量分析风力机叶片结冰冰形相似性,选取了无因次结冰驻点厚度、无因次结冰面积、无因次结冰上极限和无因次结冰下极限等参数作为评价参数。（2）为开展风力机叶片结冰相似性和粘结特性的研究,研制了一套小型回流式低速结冰风洞试验系统。风洞由回流气道、制冷系统和喷雾系统三部分组成。其中,回流气道试验段的截面尺寸为250 mm×200 mm,可以拓展为变截面结构,用于开展风力机叶片段旋转结冰相似性和粘结特性的研究。测量了风洞试验段工作参数及其分布,包括风速、温度、液态水含量（LWC）和水滴粒子直径（MVD）。结果如下:试验段风速为1 m/s～20 m/s,温度为-20℃～0℃,液态水含量（LWC）为0.1 g/m3～5 g/m3,水滴粒子直径（MVD）为20μm～100μm,上述参数满足试验要求。为验证风洞的结冰性能,分别开展了圆柱、对称翼型叶片段（NACA0018）和非对称翼型叶片段（S809）在静止和低速旋转状态下的结冰试验,并与FENSAP结冰软件的数值模拟计算结果进行对比分析。试验结果表明,在静止和低速旋转状态下,三种结冰体表面的霜冰冰形与数值模拟计算结果的重合度最高,明冰的重合度最低;在不同模型条件下,圆柱表面的结冰冰形重合度最高,非对称翼型（S809）叶片段的重合度最低。在霜冰条件下,冰形的最大重合度为90.1%,最小重合度为80.9%。变截面试验段对结冰冰形的影响作用较小,可利用该方法拓展结冰风洞的试验能力。（3）开展了圆柱和风力机叶片（采用对称翼型NACA0018）的结冰相似性试验。选取了3种直径圆柱（缩比因子为1.5和2）和5种弦长叶片段（缩比因子为0.5、0.75、1.25和1.5）,试验研究了在明冰、混合冰和霜冰条件下各试样的静止和旋转结冰冰形,定量分析了每种结冰条件下缩比模型的典型特征量,包括结冰面积、无因次结冰面积、结冰厚度、无因次结冰厚度、结冰上下极限和无因次结冰上下极限。研究结果表明,在静止结冰条件下,当模型缩比因子在0.5～2范围内时,圆柱结冰冰形的相似度为80.1%～96.4%,对称翼型叶片段的结冰冰形相似度为62.4%～93.6%;在旋转结冰条件下,当模型缩比因子在0.75～2范围内时,旋转圆柱结冰冰形的相似度为76.8%～83.2%,旋转翼型结冰冰形的相似度为78.9%～92.7%。在上述缩比范围内,圆柱和叶片的结冰冰形相似度较高。（4）在相似性试验研究基础上,利用数值模拟的方法研究了某1.5 MW水平轴风力机叶片的结冰相似性,计算了缩比因子分别为0.2和0.5的叶片模型在尖端处的结冰冰形。当缩比因子在0.2～1的范围内时,冰形重合度较高,三维结冰冰形的轮廓变化趋势一致。（5）为了研究大型风力机叶片表面结冰粘结特性和防除冰技术,开展了圆柱和方块表面结冰粘结特性试验研究。采用剪切法和离心法,测试分析了在有、无疏水涂层条件下试样表面的静态和动态结冰的粘结力。结果表明,环境温度和表面涂层疏水性是影响静态和动态结冰粘结强度的重要因素,温度升高及涂层疏水性的提高会降低结冰与叶片表面间的粘结强度。在无涂层条件下,动态结冰的粘结力小于静态结冰粘结力。对于静态结冰,疏水涂层和温度对冰层粘结强度影响显著,当温度升高时,冰层粘结强度显著降低;当试样表面有疏水涂层时,冰层粘结强度随涂层疏水能力的增加显著降低。对于动态结冰,疏水涂层对冰层粘结强度的影响则较弱。