1、空氣動力學空氣動力學的基本概念空氣動力學的基本概念 流線流線 阻力與升力阻力與升力 翼型的幾何描述翼型的幾何描述 翼型的氣動特性翼型的氣動特性葉輪空氣動力學基礎葉輪空氣動力學基礎 幾何描述幾何描述 貝茲理論貝茲理論 葉素理論葉素理論 序言風力發電機工作過程描述 風力發電機（以下簡稱風力機）是一種將風能轉換為電能的能量轉換裝置能量轉換裝置。風力機的系統圖： 風風 電力電力 進一步有：進一步有： 風風 電力電力 風力發電機風力發電機 傳動系傳動系 發電機發電機 葉葉 輪輪1 1 空氣動力學的基本概念空氣動力學的基本概念 空氣動力學主要研究空氣流過物體外部時的運動規律。1. 1 1. 1 流線流線氣

2、體質點：氣體質點：體積無限小的具有質量和速度的流體微團。流線：流線： 在某一瞬時沿著流場中各氣體質點的速度方向連 成的一條平滑曲線。 描述了該時刻各氣體質點的運動方向：切線方向。 一般情況下，各流線彼此不會相交。 流場中眾多流線的集合稱為流線簇。如圖所示。繞過障礙物的流線繞過障礙物的流線: 當流體繞過障礙物時，流線形狀會改變，其形狀取決于所繞過的障礙物的形狀。 不同形狀的物體對氣流的阻礙效果也各不相同?？紤]這樣幾種的物體，它們的截面尺寸相同，但對氣流的阻礙作用（用阻力系數度量）各異。1.110.341.330.470.0441. 2 1. 2 阻力與升力阻力與升力當氣流與物體有相對運動時，氣體

3、對物體有平行于氣流方向的作用力阻力。定性考察飛機機翼附近的流線。 當機翼相對氣流保持圖示的方向與方位時，在機翼上下面流線簇的疏密程度是不盡相同的。 考察二維翼型氣體流動的情況。根據流體運動的 1、質量守恒定律質量守恒定律，有連續性方程： A1V1 = A2V2 + A3V3 其中A、V分別表示截面積和速度。下標1、2、3分別代表遠前方或后方、上表面和下表面處。 2、伯努利方程伯努利方程： P0 = P +1/2 * V2=常數 其中： P0 氣體總壓力； P 氣體靜壓力。 1 2 1 1 3 1下翼面處流場橫截面面積A3變化較小，流速V3幾乎保持不變，進而靜壓力P3 P1。上翼面突出上翼面突出

4、，流場橫截面面積減小，空氣流速增大，V2V1。使得 P2 Ct時，CL將下降。當=0(0)時， CL=0，表明無升力。0稱為零升力角，對應零升力線。三、翼剖面的阻力特性三、翼剖面的阻力特性 用阻力特性曲線來描述。 CD CDmin CDmin 兩個特征參數：最小阻力系數CDmin及對應攻角CDmin 。四、極曲線四、極曲線 在風力機的設計中往往更關心升力和阻力的比值 升阻比L/D以及最佳升阻比。通過極曲線（又稱艾菲爾曲線）來討論。 CLmax CL CT有利CDmin CDCDminCD00說明：極曲線上的每一點對應一種升阻比及相應的攻角狀態，如0、 CDmin、CT等。為了得到最佳升阻比，可

5、從原點作極曲線的切線，由于 此時的夾角最大，故切點處的升阻比CL/CD=tg 最大，對應的攻角為最有利攻角有利。五、壓力中心 壓力中心：氣動合力的作用點，為合力作用線與翼 弦的交點。 作用在壓力中心上的只有升力與阻力，而無力矩。 壓力中心的位置通常用距前緣的距離表示。六、雷諾數對翼型氣動力特性的影響六、雷諾數對翼型氣動力特性的影響關于雷諾數關于雷諾數層流與紊流：兩種性質不同的流動狀態。雷諾數是用來界定兩種狀態的判據。雷諾數的表達形式： Re=VC/臨界雷諾數Recr： ReRecr 紊流雷諾數的物理意義：慣性力與粘性力之比。雷諾數的影響雷諾數的影響 考慮對NACA翼型升力曲線和阻力曲線的影響。

6、隨著雷諾數的增加：升力曲線斜率，最大升力系數與失速攻角均增加；最小阻力系數減??；升阻比增加。 1.2 1.2 葉輪空氣動力學基礎葉輪空氣動力學基礎 葉輪的作用葉輪的作用：將風能轉換為機械能。1.2.1 1.2.1 幾何描述幾何描述葉輪軸線：葉輪旋轉的軸線。旋轉平面：槳葉掃過的垂直于葉輪軸線的平面。葉片軸線：葉片繞其旋轉以改變相對于旋轉平面的偏轉角安裝角（重要概念）。半徑r處的槳葉剖面：距葉輪軸線r處用垂直于葉片軸線的平面切出的葉片截面。安裝角：槳葉剖面上的翼弦線與旋轉平面的夾角，又稱槳距角，記為。半徑r處葉片截面的幾何槳距：在r處幾何螺旋線的螺距。 可以從幾個方面來理解： 幾何螺旋線的描述：半

7、徑r，螺旋升角。 此處的螺旋升角為該半徑處的安裝角r。 該幾何螺旋線與r處翼剖面的弦線相切。 槳距值：H=2r tg r 1.2.2 1.2.2 貝茲理論貝茲理論貝茲理論中的假設貝茲理論中的假設 葉輪是理想的； 氣流在整個葉輪掃略面上是均勻的； 氣流始終沿著葉輪軸線； 葉輪處在單元流管模型中，如圖。 流體連續性條件：S1V1 = SV = S2V22. 應用氣流沖量原理應用氣流沖量原理葉輪所受的軸向推力： F=m(V1-V2) 式中m=SV，為單位時間內的流量質量。葉輪單位時間內吸收的風能葉輪吸收的功率為：P=FV= SV2(V1-V2)3. 動能定理的應用動能定理的應用基本公式：E=1/2

8、mV2 （m同上） 單位時間內氣流所做的功功率： P=1/2 mV2= =1/2 SV V2在 葉輪前后，單位時間內氣流動能的改變量： P= 1/2 SV (V21_ V22) 此既氣流穿越葉輪時，被葉輪吸收的功率。 因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22) 整理得： V=1/2 (V1+V2) 即穿越葉輪的風速為葉輪遠前方與遠后方風速的均值。4. 貝茲極限貝茲極限 引入軸向干擾因子進一步討論。 令： V = V1( 1- a ) = V1 U 則有：V2 =V1 ( 1- 2a ) 其中： a軸向干擾因子，又稱入流因子。 U=V1a軸向誘導速度。討論：當a=1/2時

9、，V2=0，因此a1/2。 又Va0。 a的范圍： a 0 由于葉輪吸收的功率為 P=P= 1/2 SV (V21_ V22) = 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=0，可得吸收功率最大時的入流因子。 解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得 Pmax =16/27 (1/2 SV13 ) 注意到1/2 SV13 是遠前方單位時間內氣流的動能功率，并定義風能利用系數Cp為： Cp=P/(1/2 SV13 ) 于是最大風能利用系數Cpmax為： Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/270.593 此乃貝茲極限。1.2.3 葉素理論一、基本思想一、基本思想將葉片沿

10、展向分成若干微段葉片元素葉素；視葉素為二元翼型，即不考慮展向的變化；作用在每個葉素上的力互不干擾；將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動扭矩與軸向推力。二、葉素模型二、葉素模型端面： 槳葉的徑向距離r處取微段，展向長度dr。1. 在旋轉平面內的線速度：U=r。翼型剖面： 弦長 C，安裝角。 設V為來流的風速，由于U的影響，氣流相對于槳葉的速度應是兩者的合成，記為W。定義W與葉輪旋轉平面的夾角為入流角，記為，則有葉片翼型的攻角為：=-。三、葉素上的受力分析三、葉素上的受力分析在W的作用下，葉素受到一個氣動合力dR，可分解為平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。另一方面，dR還可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由幾何關系可得： dFdLcos + d