風(fēng)力機空氣動力學(xué)-chenww

1、第3章風(fēng)力機空氣動力學(xué)風(fēng)力機空氣動力學(xué)3.1概述概述風(fēng)力機功率的產(chǎn)生仰賴于轉(zhuǎn)子和風(fēng)之間的相互作用。如第2章所述，風(fēng)的流動可以看做是由均勻流動和劇烈波動疊加而成。經(jīng)驗表明，風(fēng)力機性能（指輸出功率和平均負載）的主要是由均勻流動部分產(chǎn)生的氣動力所決定。周期性的氣動力可以由切變風(fēng)、偏軸風(fēng)（offaxiswinds）、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和由空氣紊流和動力學(xué)影響誘發(fā)的隨機脈動力引起，它是疲累負載的來源，也是影響風(fēng)力機峰值負載的一個因素。這些當然很重要，但是只

2、有熟悉了穩(wěn)態(tài)運行的空氣動力學(xué)才能理解。因此本章首先關(guān)注的是穩(wěn)態(tài)運行的空氣動力學(xué)現(xiàn)象，關(guān)于非穩(wěn)態(tài)空氣動力學(xué)的復(fù)雜現(xiàn)象將在本章結(jié)尾簡要介紹。實際設(shè)計的水平軸風(fēng)力機通過槳葉將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變有用的能量。本章提供了相關(guān)背景材料，幫助讀者理解漿葉工作中動力的產(chǎn)生，計算優(yōu)化葉形，分析已知葉型和漿葉特性的轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)性能。多位作者已經(jīng)給出了預(yù)測風(fēng)力機轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)性能的方法。古典的風(fēng)力機分析方法最初是由Betz和Glauert(Glauert1935)在2

3、0世紀30年代發(fā)展的。隨后，理論被發(fā)展并且可以使用計算機求解(seeWilsonLissaman1974Wilsonetal.1976deVries1979)。在所有這些方法中，結(jié)合動量理論和葉片微元理論（bladeelementthey）形成的帶流理論，能夠計算轉(zhuǎn)子環(huán)形截面的工作特性。本章將運用帶流理論，通過對每個環(huán)形截面的特性值求積分或求和得到完整轉(zhuǎn)子的特性。本章首先分析了理想風(fēng)力機轉(zhuǎn)子，介紹相關(guān)的重要概念并闡述了風(fēng)力機轉(zhuǎn)子及其繞流

4、氣體的一般特性。這些分析也適用于確定風(fēng)力機的理論極限性能。之后將介紹一般的空氣動力學(xué)概念，用于評價利用漿葉產(chǎn)生動力相對于其他方法的優(yōu)勢。本章的大部分內(nèi)容詳細說明古典分析方法對水平軸風(fēng)力機的分析，以及一些應(yīng)用實例和應(yīng)用。首先詳述了動量理論和葉片微元理論的發(fā)展，以及用它計算簡單、理想運行狀況下的最佳葉型。這就是風(fēng)力機普通葉型的由來。結(jié)合這兩種方法得到帶流理論或者稱為葉片微元動量（BEM）理論，利用這種理論確定出對風(fēng)力機轉(zhuǎn)子進行空氣動力學(xué)設(shè)計

5、和性能分析的流程。論述了氣動損失和非設(shè)計工況下的性能，并且開發(fā)出適用于更接圖3.1風(fēng)力機Actuatdisk模型；U，平均風(fēng)速；1，2，3和4指示位置由控制體積所包圍的整個系統(tǒng)線性動量守恒，可以得到作用在控制體上的合力與風(fēng)作用在風(fēng)力機上的推力T大小相等方向相反。由動量守恒定理和不可壓縮定常流動假設(shè)，得到推力與氣流動量改變大小相等、方向相反：(3.2.1)1144()()TUAUUAU????這里是空氣密度，是橫截面，是空氣速度，圖3.1

6、下方是橫截面編號。?AU對于穩(wěn)態(tài)流動，，是質(zhì)量流量，因此：14()()AUAUm????AmA(3.2.2)14()TmUU??A由于推力作用在葉輪正面，所以葉輪后面的氣流速度小于自由流速度。4U1U葉輪的另一面不做功。因而伯努里方程可被用于轉(zhuǎn)子兩側(cè)的兩個控制體中。在轉(zhuǎn)子上游的流管中：(3.2.3)221122pUpU???????在轉(zhuǎn)子下游的流管中：(3.2.4)223344pUpU???????假定遠上游和遠下游氣流壓力相等（），并