風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)風(fēng)能曾是蒸汽機(jī)發(fā)明之前最重要的動(dòng)力，數(shù)千年前就有了帆船用于交通運(yùn)輸，后來(lái)有了風(fēng)車(chē)用來(lái)磨面與抽水等。近年來(lái)，由于傳統(tǒng)能源逐漸枯竭、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，風(fēng)能作為清潔的新能源得到人們的重視。為方便風(fēng)力機(jī)技術(shù)知識(shí)的學(xué)習(xí)，下面介紹一些風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。一、升力與阻力風(fēng)就是流動(dòng)的空氣，一塊薄平板放在流動(dòng)的空氣中會(huì)受到氣流對(duì)它的作用力，我們把這個(gè)力分解為阻力與升力。圖1中F是平板受到的作用力，F(xiàn)D為阻力，F(xiàn)L為升力。阻力與氣流方向平行，升力與氣流方向垂直。圖1-升力與阻力示意圖阻力型風(fēng)力機(jī)就是利用葉片受的阻力工作的。飛機(jī)、風(fēng)箏能夠升到空中就是依靠升力，升力型風(fēng)力機(jī)就是靠葉片受到

2、的升力工作的。二、翼型翼型本是來(lái)自航空動(dòng)力學(xué)的名詞，是機(jī)翼剖面的形狀，翼型均為流線(xiàn)型，風(fēng)力機(jī)的葉片都是采用機(jī)翼或類(lèi)似機(jī)翼的翼型，圖2是翼型的幾何參數(shù)圖圖2-翼型的幾何參數(shù)與翼型上表面和下表面距離相等的曲線(xiàn)稱(chēng)為中弧線(xiàn)，翼型通過(guò)以下參數(shù)來(lái)描述： （1）前緣、后緣  翼型中弧線(xiàn)的最前點(diǎn)稱(chēng)為翼型的前緣，最后點(diǎn)稱(chēng)為翼型的后緣。 （2）弦線(xiàn)、弦長(zhǎng) 連接前緣與后緣的直線(xiàn)稱(chēng)為弦線(xiàn)；其長(zhǎng)度稱(chēng)為弦長(zhǎng)，用c表示。弦長(zhǎng)是很重要的數(shù)據(jù)，翼型上的所有尺寸數(shù)據(jù)都是弦長(zhǎng)的相對(duì)值。 （3）最大彎度、最大彎度位置 中弧線(xiàn)在y坐標(biāo)最大值稱(chēng)為最大彎度，用f表示，簡(jiǎn)

3、稱(chēng)彎度；最大彎度點(diǎn)的x坐標(biāo)稱(chēng)為最大彎度位置，用xf表示。 （4）最大厚度、最大厚度位置 上下翼面在y坐標(biāo)上的最大距離稱(chēng)為翼型的最大厚度，簡(jiǎn)稱(chēng)厚度，用t表示；最大厚度點(diǎn)的x坐標(biāo)稱(chēng)為最大厚度位置，用xt表示。 （5）前緣半徑 翼型前緣為一圓弧，該圓弧半徑稱(chēng)為前緣半徑，用r1表示。 （6）后緣角 翼型后緣上下兩弧線(xiàn)切線(xiàn)的夾角稱(chēng)為后緣角，用表示。 對(duì)稱(chēng)翼型的彎度f(wàn)為0，t1=t2,上下表面對(duì)稱(chēng)。風(fēng)力發(fā)電用風(fēng)力機(jī)有阻力型與升力型兩種，水平軸風(fēng)力機(jī)基本都是升力型，垂直軸風(fēng)力機(jī)有升力型結(jié)構(gòu)也有多種阻力型結(jié)構(gòu)，一些實(shí)度比很高的風(fēng)力機(jī)（水平軸

4、或垂直軸）會(huì)工作在升力與阻力狀態(tài)。三、壓力中心正常工作的翼型受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力，這些力可用一個(gè)合力來(lái)表示，該力與弦線(xiàn)（翼型前緣與后緣的連線(xiàn)）的交點(diǎn)即為翼型的壓力中心。對(duì)稱(chēng)翼型在不失速狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長(zhǎng)位置。運(yùn)行在不失速狀態(tài)下的非對(duì)稱(chēng)翼型，在較大攻角時(shí)壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長(zhǎng)位置，在小攻角時(shí)壓力中心會(huì)沿葉片弦長(zhǎng)向后移。四、雷諾數(shù)雷諾數(shù)是衡量作用于流體上的慣性力與粘性力相對(duì)大小的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，雷諾數(shù)用Re表示，式中流體密度；V流場(chǎng)中的特征速度；L特征長(zhǎng)度；流體的粘度，流體的粘度主要隨溫度變化，空氣的粘度隨氣溫升高加大；而液體則相反，溫度升高

5、粘度減小。 定義為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，   于是  由于空氣的密度隨氣溫上升而減小、空氣的粘度隨氣溫上升而增加，所以雷諾數(shù)Re隨氣溫上升而減明顯減小。五、失速迎角當(dāng)翼片運(yùn)行較小迎角時(shí)，翼片處在正常升力狀態(tài)，翼片上方與下方的氣流都是平順的附著翼型表面流過(guò)，此時(shí)有較大的升力且阻力很小。如果將翼片迎角變大，當(dāng)超過(guò)某個(gè)臨界角度時(shí)，翼片上表面氣流會(huì)發(fā)生分離，不再附著翼型表面流過(guò)，翼型上方會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致阻力急劇上升而升力下降，這種情況稱(chēng)為失速。發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界角度稱(chēng)之為臨界迎角或失速迎角，對(duì)于不同的翼型不同的氣流速度失速迎角也不同，普通翼型多在10度至15度，

6、一般薄翼型失速迎角稍小，厚翼型失速迎角要大一些；對(duì)于同一個(gè)翼型影響失速迎角的是翼片運(yùn)行時(shí)的雷諾數(shù)與翼片的光潔度。對(duì)于薄平板來(lái)說(shuō)失速迎角較小，且阻力略大，攻角稍大就會(huì)失速。六、風(fēng)能與風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)能就是空氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，當(dāng)風(fēng)速為v時(shí)每秒通過(guò)面積為S的空氣流的動(dòng)能為由于是每秒的動(dòng)能，E也就是功率，稱(chēng)為風(fēng)功率，例如，風(fēng)速為6m/s的空氣流，通過(guò)1平方米所具有的功率為129.6W。風(fēng)在通過(guò)風(fēng)輪時(shí)推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，把它的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的能量，但經(jīng)過(guò)風(fēng)輪做功后的風(fēng)速不會(huì)為零，僅僅是減小，故風(fēng)只能把一部分能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪，若流過(guò)風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積的風(fēng)功率為E，風(fēng)力機(jī)獲得的功率定為P,則風(fēng)能利用系數(shù)為Cp風(fēng)能利用

7、系數(shù)也稱(chēng)為功率系數(shù)。七、貝茨極限風(fēng)能就是空氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，風(fēng)在通過(guò)風(fēng)輪時(shí)推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，把它的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的能量，但經(jīng)過(guò)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪做功后的風(fēng)速不會(huì)為零，僅僅是減小，故風(fēng)只把一部分能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪。那么風(fēng)能把多大的能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪呢，1927年德國(guó)人貝茨從理論上計(jì)算出最大值為59.3%，如果在風(fēng)輪前方的風(fēng)速是v，計(jì)算認(rèn)為通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速為2v/3，通過(guò)風(fēng)輪遠(yuǎn)離位置的風(fēng)速為1v/3。59.3%稱(chēng)為貝茨極限，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)的最大值。目前高性能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)一般為40%至45%。八、相對(duì)風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)所感受到的風(fēng)速是實(shí)際風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)速度的合成速度，稱(chēng)為相對(duì)風(fēng)速。圖3是一個(gè)

8、風(fēng)力機(jī)的葉片截面，當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片感受到的相對(duì)風(fēng)速為w，它是葉片的線(xiàn)速度（矢量）u與風(fēng)進(jìn)葉輪前的速度（矢量）v的合成矢量w=u+v圖3-風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)速度的合成速度稱(chēng)為相對(duì)風(fēng)速相對(duì)風(fēng)速與葉片弦線(xiàn)之間的夾角就是葉片的攻角。九、葉尖速比風(fēng)輪葉片尖端線(xiàn)速度與風(fēng)速之比稱(chēng)為葉尖速比。 圖4是一個(gè)風(fēng)力機(jī)的葉輪，u是旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪外徑切線(xiàn)速度，v是風(fēng)進(jìn)葉輪前的速度，v與風(fēng)輪平面垂直，葉尖速比       =u/v圖4-葉尖速比阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對(duì)風(fēng)速

9、與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。十、實(shí)度比風(fēng)力機(jī)葉片的總面積與風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪的面積（風(fēng)輪掃掠面積）之比稱(chēng)為實(shí)度比（容積比），是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。圖5左圖為水平軸風(fēng)力機(jī)葉輪，S為每個(gè)葉片對(duì)風(fēng)的投影面積，B為葉片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，為實(shí)度比，   圖5-風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的實(shí)度圖5右圖為升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪，C為葉片弦長(zhǎng)，B為葉片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，L為葉片長(zhǎng)度，為實(shí)度比。目前垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的掃掠面積有兩種算法，一種認(rèn)為是風(fēng)輪的迎風(fēng)面積，對(duì)于H型風(fēng)輪，即2RL,于是=BCL/2RL= BC/2R另一種認(rèn)為是葉片運(yùn)行的圓周與葉片長(zhǎng)度的乘積，