風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)緒論

風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)Aerodynamicsofwindturbines

南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

主講老師：姚桂煥，講師機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院專業(yè)：工程熱物理辦公地址：機(jī)械學(xué)科樓E樓501號(hào)碼：電子郵件:2教師介紹研究對(duì)象：研究風(fēng)能與機(jī)械能之間通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)換規(guī)律研究內(nèi)容：空氣動(dòng)力學(xué)根本知識(shí)和方程；風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力模型；風(fēng)力機(jī)翼型空氣動(dòng)力特性；風(fēng)力機(jī)葉片空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)研究方法：理論計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)學(xué)習(xí)方法：掌握概念，精通推導(dǎo)與計(jì)算3緒論41.1風(fēng)能利用開展簡史隨著生產(chǎn)力和生活水平提高，世界能源消耗迅速增長——在20世紀(jì)，世界人口增長4倍，而能源消耗增長16倍。常規(guī)的化石能源儲(chǔ)量有限，面臨數(shù)量緊缺和價(jià)格提高。化石能源開發(fā)和燃燒利用加劇了人類和地球生物生存環(huán)境的惡化。出路是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)利用清潔可再生能源。

地球上的能源與環(huán)境問題5能量能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種度量，也是物質(zhì)存在的一種形態(tài)，一般指其具有的做功能力。目前，通常認(rèn)為有以下六種能量形式：機(jī)械能：動(dòng)能：重力勢能：彈性勢能：外表能：熱能：電能：以及化學(xué)能、輻射能、核能。6能源能夠直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供能量的資源稱為能源。按被利用程度分:常規(guī)能源：開發(fā)利用時(shí)間長，技術(shù)相對(duì)成熟、能大量生產(chǎn)利用。新能源：開發(fā)和利用尚在研究和推廣使用。按取得方式分：一次能源：自然存在，可直接利用。二次能源：經(jīng)轉(zhuǎn)換或加工生產(chǎn)的。按短期內(nèi)能否重復(fù)取得分：可再生能源非可再生能源就目前生產(chǎn)技術(shù)水平，可大規(guī)模開發(fā)利用的清潔可再生能源主要有：風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能。71.1風(fēng)能利用及風(fēng)力發(fā)電歷史人類利用風(fēng)能有資料記載的有幾千年歷史。早期主要是以風(fēng)做為動(dòng)力——風(fēng)帆、風(fēng)車。

a)帆船b)風(fēng)車人類早期風(fēng)能利用例如8公元12世紀(jì)，歐洲開始使用風(fēng)車抽水、碾磨谷物，此后風(fēng)車一直是主要的動(dòng)力機(jī)械之一。91.1風(fēng)能利用及風(fēng)力發(fā)電歷史〔續(xù)〕十九世紀(jì)晚期開始出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。1887——美國人CharlesF.Brush研制出世界上第一臺(tái)12kW直流風(fēng)力發(fā)電機(jī)，用來給家里的蓄電池充電。1891——丹麥物理學(xué)家PoulLaCour建造了一臺(tái)30KW左右的具有現(xiàn)代意義的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)出直流電，用于制氫。1926——德國科學(xué)家AlbertBetz對(duì)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究，提出了“貝茨理論〞，指出風(fēng)能的最大利用率為59.3%，為現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)奠定了根底。1940——美國工程師PalmerCosslettPutnam與S.MorganSmith公司合作，制造出風(fēng)電開展歷史上第一個(gè)1250kW超大型的Smith-Putnam風(fēng)電機(jī)組。1942——德國人UlrichHuetter提出“葉素動(dòng)量理論〞。我國風(fēng)力發(fā)電始于20世紀(jì)70年代，80年代后研制并網(wǎng)機(jī)組。101.1風(fēng)能利用及風(fēng)力發(fā)電歷史〔續(xù)〕a)Brush的風(fēng)電機(jī)組

b)PoullaCour的風(fēng)電機(jī)組

c)Smith-Putnam的風(fēng)電機(jī)組早期的風(fēng)電機(jī)組111.1風(fēng)能利用及風(fēng)力發(fā)電歷史〔續(xù)〕

a)德國人Huetter建造的風(fēng)電機(jī)組W-34b)丹麥人JohannesJuul建造風(fēng)電機(jī)組Gedser現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組的先驅(qū)121.2中國風(fēng)能資源與開發(fā)1.2.1風(fēng)能特點(diǎn)風(fēng)能蘊(yùn)藏量大、分布廣。風(fēng)能是可再生能源。風(fēng)能利用根本沒有對(duì)環(huán)境的直接污染和影響。風(fēng)能的能量密度低。不同地區(qū)風(fēng)能差異大。風(fēng)能具有不穩(wěn)定性。131.2.2我國風(fēng)能資源

我國風(fēng)能密度分布圖141.2.2我國風(fēng)能資源〔續(xù)〕我國全年風(fēng)速大于3m/s的小時(shí)數(shù)的分布圖151.2.2我國風(fēng)能資源〔續(xù)〕中國有效風(fēng)能分布圖區(qū)別平均風(fēng)速（米/每秒）分布地區(qū)豐富區(qū)＞6.5東南沿海、山東半島和遼東半島、三北北部區(qū)、松花江下游區(qū)較豐富區(qū)5.5～6.5東南沿海內(nèi)陸和渤海沿海、三北南部區(qū)、青藏高原區(qū)可利用區(qū)3.0～5.5兩廣沿海區(qū)、大小興安嶺地區(qū)、中部地區(qū)貧乏區(qū)＜3.0云貴川和南嶺山地區(qū)、雅魯藏布江和昌都區(qū)、塔里木盆地西部區(qū)161.2.3風(fēng)電開展概況世界風(fēng)電裝機(jī)容量〔來源：世界風(fēng)能協(xié)會(huì)〔WWEA〕2009世界風(fēng)能報(bào)告〕

國家美國中國德國西班牙印度意大利法國英國葡萄牙丹麥當(dāng)年裝機(jī)99221380018802460133811141117897673334累計(jì)裝機(jī)351592601025777191491092548504521409235353497比例22.1%16.3%16.2%11.5%6.8%3.0%2.8%2.6%2.2%2.2%2009年世界風(fēng)電裝機(jī)最多的十個(gè)國家〔MW〕171.2.3風(fēng)電開展概況〔續(xù)〕我國并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)〔除臺(tái)灣省外〕的增長情況181.2.3風(fēng)電開展概況〔續(xù)〕我國規(guī)劃的大型〔千萬千瓦、百萬千瓦級(jí)〕風(fēng)電基地分布圖19新疆達(dá)坂城是我國最早建設(shè)規(guī)?；L(fēng)電場的地區(qū)，于1989年建成的達(dá)坂城風(fēng)電一場是我國第一個(gè)風(fēng)能發(fā)電場，所有設(shè)備全部從丹麥引進(jìn)。20廣東省南澳島風(fēng)電場是我國第一個(gè)海島風(fēng)電場。南澳島是廣東唯一一個(gè)島縣，東南季風(fēng)長，風(fēng)力資源豐富，風(fēng)況屬世界最正確之列。到2005年底，裝機(jī)容量到達(dá)5.6萬kW，是亞洲最大的海島風(fēng)電場。212007年6月，我國最大的風(fēng)電場是內(nèi)蒙古的輝騰錫勒風(fēng)電場，總裝機(jī)容量189MW，為第29界奧運(yùn)會(huì)輸送綠色電力。當(dāng)時(shí)還有兩個(gè)風(fēng)電工程在建，到2010年建成了百萬千瓦級(jí)的風(fēng)電場。1.3空氣動(dòng)力學(xué)的開展進(jìn)程簡介22空氣動(dòng)力學(xué)是由流體力學(xué)開展而來的古希臘偉大的數(shù)學(xué)家、力學(xué)家，公元前300年發(fā)現(xiàn)浮力定律。后人對(duì)阿基米德給以極高的評(píng)價(jià)，常把他和牛頓、高斯并列為有史以來三個(gè)奉獻(xiàn)最大的數(shù)學(xué)家。阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力定律之后的一千多年，流體力學(xué)幾乎沒有任何重大進(jìn)展。阿基米德〔Archimedes,287-212B.C.希臘〕23牛頓〔IsaacNewton,1642-1727英國〕18世紀(jì)，隨著牛頓運(yùn)動(dòng)定理和微積分方法的建立，流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)才逐步邁入理性研究和持續(xù)開展階段。24一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)的理論流體力學(xué)。歐拉〔L.Euler,1707-1783,瑞士〕伯努利〔D.Bernouli1700－1782，瑞士〕25一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)的理論流體力學(xué)。達(dá)朗貝爾〔J.d’Alembert，1717－1783，法國〕拉格朗日〔J-.Lagrange，1736－1813，意大利)拉普拉斯〔P-S.Laplace，1749－1827，法國〕2619世紀(jì)末，理論與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，此期間的重大進(jìn)展還有：雷諾〔O.Reynolds，1842－1912，愛爾蘭〕發(fā)現(xiàn)了兩種流動(dòng)狀態(tài)。瑞利〔J.Rayleigh，1842－1919，英國〕建議采用量綱分析法。2719世紀(jì)是流體動(dòng)力學(xué)的根底理論全面開展的階段，法國工程師納維〔L.Navier〕和愛爾蘭數(shù)學(xué)家斯托克斯〔G.Stokes〕建立了粘性流體運(yùn)動(dòng)方程。〔1785－1836，L.Navier法國〕〔1819－1903，G.Stokes英國〕28現(xiàn)代意義上的流體力學(xué)形成于20世紀(jì)初，以德國科學(xué)家普朗特〔L.Prandtl，1875－1953〕創(chuàng)立的邊界層理論為標(biāo)志。普朗特〔L.Prandtl，1875－1953，德國〕平板邊界層普朗特開創(chuàng)了邊界層理論和有限翼展升力線理論，被稱為近代流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的奠基人。29同一時(shí)代的重量級(jí)人物還包括卡門、泰勒等眾多科學(xué)家卡門〔V.Karman，1881－1963，美國〕泰勒〔G.Taylor，1886－1975，英國〕301906年俄國數(shù)學(xué)家和空氣動(dòng)力學(xué)家儒可夫斯基引入了環(huán)量的概念，發(fā)表了著名的升力定理，奠定了二維機(jī)翼理論的根底。儒可夫斯基〔Joukowski，1847－1921〕31以周培源、錢學(xué)森為代表的中國科學(xué)家在湍流理論、空氣動(dòng)力學(xué)等許多領(lǐng)域中作出了根底性、開創(chuàng)性的奉獻(xiàn)。周培源〔1902－1993〕錢學(xué)森〔1911－2009〕3220世紀(jì)創(chuàng)立了空氣動(dòng)力學(xué)完整的科學(xué)體系，并得到了蓬勃的開展，同時(shí)極大的推動(dòng)了代表最高人類科技水平的航空航天事業(yè)開展1903年12月27日，萊特兄弟駕駛他們?cè)O(shè)計(jì)制造“飛行者一號(hào)〞首次試飛成功，這是人類歷史上第一架有動(dòng)力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操縱的飛行器。從此開創(chuàng)了飛行的新紀(jì)元。其后，飛機(jī)的開展反過來又推動(dòng)了空氣動(dòng)力學(xué)的迅速開展WilburWright〔1867~1912〕OvilleWright〔1871~1948〕33流體力學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的根底。F-15幻影2000協(xié)和A380341.4風(fēng)電機(jī)組1.4.1機(jī)組類型微型、小型、中型及大型風(fēng)電機(jī)組離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組和并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組水平軸風(fēng)電機(jī)組、垂直軸風(fēng)電機(jī)組

微型、小型、中型及大型風(fēng)電機(jī)組35按照額定功率的大小，可以將風(fēng)電機(jī)組分為：1〕微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：額定功率小于1KW。2〕小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：額定功率1KW～99KW。3〕中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：額定功率100KW～600KW。4〕大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：額定功率大于600KW。36離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組和并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組

按照風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的關(guān)系，分為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。1〕離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：一般指單臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，所發(fā)出的電能不接入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組一般容量較小(常為微小型機(jī)和中型機(jī))，專為家庭或村落等小的用電單位使用，常需要與其他發(fā)電或儲(chǔ)電裝置聯(lián)合運(yùn)行。2〕并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：一般指以機(jī)群布陣成風(fēng)力發(fā)電場，并與電網(wǎng)聯(lián)接運(yùn)行的大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。37水平軸風(fēng)電機(jī)組、垂直軸風(fēng)電機(jī)組

按照風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)主軸與地面相對(duì)位置的關(guān)系，風(fēng)電機(jī)組分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。1〕水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與地面平行，葉片數(shù)量視用途而定。水平軸風(fēng)電機(jī)組又可分為升力型和阻力型。2〕垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：分為阻力型和升力型兩大類。38水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型

39垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型40感性認(rèn)識(shí)：各式風(fēng)機(jī)414243目前風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域主要采用水平軸風(fēng)電機(jī)組形式，其根本結(jié)構(gòu)包括由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與平安系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和根底等組成。水平軸風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

441.5風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的主要研究內(nèi)容及研究方法

研究內(nèi)容：1、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力模型2、風(fēng)力機(jī)翼型空氣動(dòng)力特性3、風(fēng)力機(jī)葉片空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)4、風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪性能計(jì)算5、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力載荷計(jì)算6、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性和動(dòng)力響應(yīng)45風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法46理論分析過程一般是：建立力學(xué)模型，用物理學(xué)根本定律推導(dǎo)流體力學(xué)或空氣動(dòng)力學(xué)控制方程，用數(shù)學(xué)方法求解方程，檢驗(yàn)和解釋求解結(jié)果。建立模型推導(dǎo)方程求解方程解釋結(jié)果47實(shí)驗(yàn)方法

在相似理論指導(dǎo)下，建立模擬實(shí)驗(yàn)裝置，用流體測量技術(shù)測量流動(dòng)參數(shù)，處理分析數(shù)據(jù)可獲得反映流動(dòng)規(guī)律的特定關(guān)系，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗(yàn)理論結(jié)果。相似理論模型試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)分析4849數(shù)值分析方法

隨著技算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，過去無法求解的流體力學(xué)偏微分方程可以用計(jì)算機(jī)數(shù)值方法求解。計(jì)算流體力學(xué)有限差分法有限元法邊界元法譜分析等本課程的主要內(nèi)容50空氣動(dòng)力學(xué)根底：流體靜力學(xué)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)根底低速平面位流粘性流體動(dòng)力學(xué)根底邊界層理論及其近似翼型：二維翼型風(fēng)：風(fēng)的特征和資源風(fēng)能空氣動(dòng)力學(xué)：根本理論