空氣動力學原理

空氣動力學原理第1頁/共74頁2）速度勢在任何一個方向上的偏導數(shù)，等于速度在該方向上的投影根據(jù)數(shù)學上方向導數(shù)的概念，速度勢在任意方向l上的方向導數(shù)為3）在勢流場中，沿任意封閉曲線的速度環(huán)量為零。第2頁/共74頁2.流函數(shù)1）流函數(shù)的等值線與流線重合3.平行流就是流體質點以相同的速度相互平行地作等速直線運動。存在速度勢第3頁/共74頁當φ＝常數(shù)時，x＝常數(shù)，所以等勢線是x＝c的一族與y軸平行的直線。存在流函數(shù)第4頁/共74頁平行流的等勢線和流線圖第5頁/共74頁流體從平面上一點均勻地向四周流出，一直流向無窮遠處，這樣的流動稱為平面點源。流體流出的點稱為源點，單位時間內流出的體積流量稱為源強，用qv表示。速度勢函數(shù)第6頁/共74頁4.偶極子一對等強度的點源和點匯距離為零時，稱偶極子第7頁/共74頁5.平行流繞圓柱體無環(huán)流流動第8頁/共74頁第9頁/共74頁第10頁/共74頁阻力定義粘性阻力物體前后壓力第11頁/共74頁圓柱表面的壓強分布第12頁/共74頁第13頁/共74頁第14頁/共74頁2、翼型受力分析

環(huán)流的存在導致了葉片的工作。F—翼葉上受的氣動力，與翼弦AB垂直；FL—作用在風輪旋轉平面上升力；FD—作用在垂直風輪旋轉平面上阻力。第15頁/共74頁第16頁/共74頁第17頁/共74頁第18頁/共74頁第19頁/共74頁第20頁/共74頁第21頁/共74頁(a)00迎角繞流(a)00迎角繞流(b)50迎角繞流翼型繞流圖畫第22頁/共74頁(c)150迎角繞流(d)200迎角繞流第23頁/共74頁升力與阻力(D為阻力，L為升力

)

第24頁/共74頁平板與氣流方向垂直時的情況，此時平板受到的阻力最大，升力為零第25頁/共74頁當平板靜止時，阻力雖大但并未對平板做功；當平板在阻力作用下運動，氣流才對平板做功；如果平板運動速度方向與氣流相同，氣流相對平板速度為零，則阻力為零，氣流也沒有對平板做功。一般說來受阻力運動的平板當速度是氣流速度的20%至50%時能獲得較大的功率。當平板與氣流方向平行時，平板受到的作用力為零（阻力與升力都為零）第26頁/共74頁當平板與氣流方向有夾角時，在平板的向風面會受到氣流的壓力，在平板的下風面會形成低壓區(qū)，平板兩面的壓差就產生了側向作用力F，該力可分解為阻力D與升力L。第27頁/共74頁當夾角較小時，平板受到的阻力D較小；此時平板受到的作用力主要是升力L。第28頁/共74頁截面為流線型的翼片阻力很小，即使與氣流方向平行也會有升力，因為翼片上方氣流速度比下方快，跟據(jù)流體力學的伯努利原理，上方氣體壓強比下方小，翼片就受到向上的升力作用。第29頁/共74頁當翼片與氣流方向有夾角（該角稱攻角）時，升力會增大，阻力也會增大，平衡這一利弊，一般說來攻角為8至15度較好。超過15度后翼片上方氣流會發(fā)生分離，產生渦流，升力會迅速下降，阻力會急劇上升。第30頁/共74頁第31頁/共74頁第32頁/共74頁總空氣動力阻力升力第33頁/共74頁升力系數(shù)阻力系數(shù)總的空氣動力系數(shù)

第34頁/共74頁第35頁/共74頁第36頁/共74頁第37頁/共74頁對于同一種翼型（截面形狀），其升力系數(shù)和阻力系數(shù)的比值，被稱為升阻比（k）：第38頁/共74頁第39頁/共74頁壓力中心

正常工作的翼片受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力，這些力可用一個合力來表示，該力與弦線（翼片前緣與后緣的連線）的交點即為翼片的壓力中心。對于普通薄翼型，在攻角在5至15度時，壓力中心約在翼片前緣開始的1/4的位置。第40頁/共74頁第41頁/共74頁第42頁/共74頁翼的俯仰力矩翼的俯仰力矩系數(shù)L-翼的弦長(蘇紹禹)第43頁/共74頁相對風速

下圖是一個風力機的葉片截面，當葉片運動時，葉片感受到的風速稱為相對風速w→，它是葉片的線速度（矢量）u→與風進葉輪前的速度（矢量）v→的合成矢量w→=u→+v→第44頁/共74頁第45頁/共74頁第46頁/共74頁第47頁/共74頁第48頁/共74頁第49頁/共74頁第50頁/共74頁第51頁/共74頁第52頁/共74頁埃菲爾極線升力、阻力曲線第53頁/共74頁埃菲爾極線第54頁/共74頁埃菲爾極線

曲線上的每一個點與原點的連線代表總氣動力系數(shù)的大小和方向，自然我們可以在埃菲爾曲線上找到升力阻力和總氣動力的真實關系過原點的射線與埃菲爾極線相切的點所對應的攻角是最佳攻角。第55頁/共74頁由圖可知：切點處升阻比最大第56頁/共74頁第57頁/共74頁葉素弦長、安裝角

在葉尖（r>0.8R）選用最佳安裝角，靠近葉跟處增大攻角來減小弦長，且功率下降不多。第58頁/共74頁第59頁/共74頁第60頁/共74頁葉片翼型的空氣動力學基礎

1、葉片翼型幾何參數(shù)：（1）翼的前緣；（2）翼的后緣；（3）翼弦；（4）翼的上表面（5）翼的下表面

（6）翼的最大厚度h（7）葉片安裝角（8）迎角（攻角）（9）入流角第61頁/共74頁三、功率調節(jié)當風速達到某一值時，風力發(fā)電機組達到額定功率。由于風速和功率是三次方的關系，風速再增加，發(fā)電機就會過載，必須有相應的功率調節(jié)措施，使機組的輸出功率不再增加。目前主要有兩種調節(jié)功率的方法，都是采用空氣動力方法進行調節(jié)的。一種是定槳距（失速）調節(jié)方法；一種是變槳距調節(jié)方法。

第62頁/共74頁1、定槳距（失速）調節(jié)方法

葉片與輪轂剛性聯(lián)結。

失速控制主要是通過確定葉片翼型的扭角分布，使風輪功率達到額定點后，減少升力提高阻力來實現(xiàn)的。在一般運行情況下，風輪上的動力來源于氣流在翼型上流過產生的升力。由于風輪的轉速恒定，風速增加葉片上的迎角隨之增加，直到最后氣流在翼型上表面分離而產生脫落，這種現(xiàn)象稱為失速。第63頁/共74頁就像圖2.7所示的那樣。第64頁/共74頁

一旦迎角達到失點，葉素將進入失速區(qū)，CL減小，CD增加，這兩個變化導致扭矩減小，功率也跟著減小。但由于阻力項的增加，作用在機組上的力是增加的。第65頁/共74頁注意:

失速不總是在同一迎角下，而與迎角變化有關(如陣風)，是一個動態(tài)變化過程。在失速與氣流恢復到正常流動之間，有滯后現(xiàn)象存在，造成葉片受力變化很大。失速型機組對安裝角比較敏感，葉片的安裝角要盡量達到最佳，以免影響機組額定出力。另外失速型機組受空氣密度的影響也比較大，在高海拔地區(qū)有可能達不到其額定輸出。

第66頁/共74頁優(yōu)點：1）葉片和輪轂之間無運動部件，輪轂結構簡單，費用低；2）沒有功率調節(jié)系統(tǒng)的維護費;3)在失速后功率的波動小。缺點：1）氣動剎車系統(tǒng)可靠性設計和制造要求高；2）葉片、機艙和塔架上的動態(tài)載荷高；3）由于常需要剎車過程，在葉片和傳動系統(tǒng)中產生很高的機械載荷；4）起動性差；5）機組承受的風載荷大；6）在低空氣密度地區(qū)難以達到額定功率。第67頁/共74頁2、變槳距控制

葉片與輪轂通過軸承機構聯(lián)接。

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變槳距控制主要是通過改變翼型迎角變化，使翼型升力變化來進行調的。變槳距控制多用于大型風力發(fā)電機組。變槳距控制是通過葉片和輪轂之間的軸承機構轉動葉片來減小迎角，由此來減小翼型的升力，以達到減小作用在風輪葉片上的扭矩和功率的目的。第69頁/共74頁

變槳調節(jié)時葉片迎角可相對氣流連續(xù)變化，以便使風輪功率輸出達到希望的范圍。在風力發(fā)電機組正常運行時，葉片向小迎角方向變化而限制功率。第70頁/共74頁優(yōu)點：1）起動性好；2）剎車機構簡單，葉片順槳后風輪轉速可以逐漸下降；

3）額定點以前的功率輸出飽滿；

4）額定點以后的輸出功率平滑；

5）風輪葉根承受的靜、動載荷小。缺點:1)由于有葉片變距機構、輪轂較復雜，可靠性設計要求高，維護費用高。2)功率調節(jié)系統(tǒng)復雜，費用高。