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风力机空气动力学基础知识

作者:365手机版客户端 发布时间:2020-08-08 06:28 点击数:

  风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力,数千年前就有了帆船用于交通运输,后来有了风车用来磨面与抽水等。近年来,由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重,风能作为清洁的新能源得到人们的重视。为方便风力机技术知识的学习,下面介绍一些风力机空气动力学的基础知识。

  风就是流动的空气,一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力,我们把这个力分解为阻力与升力。图1中F是平板受到的作用力,F

  我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况,见图2,此时平板受到的阻力最大,升力为零。当平板静止时,阻力虽大但并未对平板做功;当平板在阻力作用下运动,气流才对平板做功;如果平板运动速度方向与气流相同,气流相对平板速度为零,则阻力为零,气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率,阻力型风力机就是利用叶片受的阻力工作的。

  翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘,最后点称为翼型的后缘。(2)弦线、弦长

  连接前缘与后缘的直线称为弦线;其长度称为弦长,用c表示。弦长是很重要的数据,翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。(3)最大弯度、最大弯度位置

  中弧线在y坐标最大值称为最大弯度,用f表示,简称弯度;最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置,用xf表示。(4)最大厚度、最大厚度位置

  上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度,简称厚度,用t表示;最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置,用xt表示。(5)前缘半径

  翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角,用τ表示。对称翼型的弯度f为0,t1=t2,上下表面对称。

  民航飞机机翼的截面是常用的翼型,能产生较大的升力,且对气流的阻力很小,常用的飞机翼型上表面弯曲,下表面平直,是有弯度翼型(不对称翼型),见图7,即使叶片弦线与气流方向平行也会有升力产生,这是因为绕过翼型上方的气流速度比下方气流快许多,跟据流体力学的伯努利原理,上方气体压强比下方小,翼片就受到向上的升力FL。

  有弯度翼型在攻角为某一负值时,升力为0,称该攻角为零升力攻角(零升力角)。

  虽然翼型受到的升力随攻角的增大而增大,但攻角增大到某个临界角度后,翼型上方气流会发生分离,产生涡流,升力会迅速下降,阻力会急剧上升,这一现象称为失速。对于不同的翼型这个角度也不同,一般为10至15度,关于失速下面有进一步介绍。

  由于空气的密度ρ随气温上升而减小、空气的粘度μ随气温上升而增加,所以雷诺数Re随气温上升而减明显减小。

  雷诺数对翼型气动特性影响较大,一般翼型的失速迎角随雷诺数的增大而增大、最大升力系数也随失速攻角的增大而增大;阻力系数在总体上会有降低。

  当翼片运行较小迎角时,翼片处在正常升力状态,翼片上方与下方的气流都是平顺的附着翼型表面流过,见图10中的A图,此时有较大的升力且阻力很小。如果将翼片迎角变大,当超过某个临界角度时,翼片上表面气流会发生分离,不再附着翼型表面流过,翼型上方会产生涡流,导致阻力急剧上升而升力下降,这种情况称为失速。见图10中的B图,在翼型受来流产生升力与阻力动画中后部分也有翼型失速时气流动画。 。

  由于是每秒的动能,E也就是功率,称为风功率,例如,风速为6m/s的空气流,通过1平方米所具有的功率为129.6W。

  风能就是空气运动的动能,风在通过风轮时推动风轮旋转,把它的动能转变为风轮旋转的能量,但经过风力机风轮做功后的风速不会为零,仅仅是减小,故风只把一部分能量转交给风轮。

  那么风能把多大的能量转交给风轮呢,1927年德国人贝茨从理论上计算出最大值为59.3%,如果在风轮前方的风速是v,计算认为通过风轮的风速为2v/3,通过风轮远离位置的风速为1v/3。

  59.3%称为贝茨极限,是风力发电机组的风能利用系数的最大值。目前高性能的风力发电机组风能利用系数一般为40%至45%。

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