基于叶素动量理论的风力机气动性能计算分析

理论力学课后习题答案-第8章--动量定理及其应用

第8章动量定理及其应用 8－1 计算下列图示情况下系统的动量。 (1) 已知OA ＝AB ＝l ，θ＝45°，ω为常量，均质连杆AB 的质量为m ，而曲柄OA 和滑块B 的质量不计（图a ）。 (2) 质量均为m 的均质细杆AB 、BC 和均质圆盘CD 用铰链联结在一起并支承如图。已知AB = BC = CD = 2R ，图示瞬时A 、B 、C 处于同一水平直线位置，而CD 铅直，AB 杆以角速度ω转动（图b ）。 (3) 图示小球M 质量为m 1，固结在长为l 、质量为m 2的均质细杆OM 上，杆的一端O 铰接在不计质量且以速度v 运动的小车上，杆OM 以角速度ω绕O 轴转动（图c ）。解：（1）p = mv C = ωml 2 5 ，方向同C v （解图（a ））；（2）p = mv C 1 + mv C 2 = mv B = 2Rm ω，方向同B v ，垂直AC （解图（b ））；（3）j i p )60sin 2 60sin ()]60cos 2()60cos ([2121?+?+?-+?-=ωωωωl m l m l v m l v m j i 4 23]42)[(2 12121m m l l m m v m m +++- +=ωω（解图（c ））。 8－2 图示机构中，已知均质杆AB 质量为m ，长为l ；均质杆BC 质量为4m ，长为2l 。图示瞬时AB 杆的角速度为ω，求此时系统的动量。解：杆BC 瞬时平移，其速度为v B ω ωωml ml l m p p p BC AB 29 42=+=+= 方向同v B 。习题8-1解图 (a) (b) (c) 习题8-1图 v (a) (b) (c) C 习题8－2解图

风力机组气动特性分析与载荷计算-1

目录 1前言错误!未定义书签。 2风轮气动载荷............................................... 错误!未定义书签。 2.1动量理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。 2.1.1不考虑风轮后尾流旋转 .................................................................. 错误!未定义书签。 2.1.2考虑风轮后尾流旋转...................................................................... 错误!未定义书签。 2.2叶素理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。 2.3动量──叶素理论.................................................................................. 错误!未定义书签。 2.4叶片梢部损失和根部损失修正 .............................................................. 错误!未定义书签。 2.5塔影效果.................................................................................................. 错误!未定义书签。 2.6偏斜气流修正.......................................................................................... 错误!未定义书签。 2.7风剪切...................................................................................................... 错误!未定义书签。3风轮气动载荷分析........................................... 错误!未定义书签。 3.1周期性气动负载...................................................................................... 错误!未定义书签。 4.1载荷情况DLC1.3..................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2载荷情况DLC1. 5..................................................................................... 错误!未定义书签。 4.3载荷情况DLC1.6..................................................................................... 错误!未定义书签。 4.4载荷情况DLC1.7..................................................................................... 错误!未定义书签。 4.5载荷情况DLC1.8..................................................................................... 错误!未定义书签。 4.6载荷情况DLC6.1..................................................................................... 错误!未定义书签。风力发电机组气动特性分析与载荷计算 1前言风力发电机是靠风轮吸取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气动力学计算是风力机设计中的一项重要工作。特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。风力机处于自然大气环境中，大气紊流、风剪切、风向的变化（侧偏风）和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。对一台大型风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。 2风轮气动载荷目前计算风力发电机的气动载荷有动量—叶素理论、CFD等方法。动量—叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。动量—叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。CFD数值计算不需要对数学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟，从物理意义上说，数值求解N-S方程的CFD方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。但是，由于极大的计算工作量，数值计算的稳定性等原因，目前CFD求解N-S方程方法还远不能作为风力机气动设计和研究的日常工具。作为解决工程问题的工具还不太实际。为此在计算中应用动量—叶素理论方法来计算机组的气动载荷。 2.1 动量理论动量理论是经典的风力机空气动力学理论。风轮的作用是将风的动能转换成机械能，但是它究竟能够吸收多大的风的动能就是动量理论回答的问题。下面分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用动量理论。 2.1.1不考虑风轮后尾流旋转首先，假设一种简单的理想情况：

气动特性分析

飞行器总体设计课程设计 150座客机气动特性分析计算全机升力线斜率C L ：为机翼升力线斜率：CL -_^ = 2 AR 2 d h 2C L ：._W S gross 该公式适用于d h /b < 0.2的机型 Z 为校正常数，通常取值为3.2; d h 为飞机机身的最大宽度；b 为机翼的展长； S net 为外露机翼的平面面积；S gross 为全部机翼平面面积。由于展弦比A R =90 算出C La_w =514（ 1/rad ）又因为Z 为校正常数，通常取值为3.2; d h 为飞机机身的最大宽度，等于3.95m ； b 为机翼的展长，等于34.86m; C L: C La_W 1 dh b 丿 S gpss

S net为外露机翼的平面面积，估算等于119.65m2；S gross为全部机翼平面面积，等于134.9 m2；算出E为因子等于1.244. 所以可以算出全机升力线斜率缶等于6.349 二.计算最大升力系数C Lmax C Lmax =14 1'0-064regs C L? ①regs为适航修正参数，按适航取证时参考的不同失速速度取值。由于设计的客机接近于A320,所以取①regs等于1 所以代入上面公式得到C Lmax等于1.662 三.计算增升装置对升力的影响前面选择了前缘开缝襟翼 c LE /c为前缘缝翼打开后机翼的弦长与原弦长的比例，它与机翼外露段的相对展长有一定对应关系。

70 20 30 40 SO 60 70 &0 100 Wing ￥Ngwl span 所以先计算机翼外露段的相对展长等于（1-机身宽/展长）% 机身宽为3.95m ，展长为34.86m, 代入公式，算出机翼外露段的相对展长等于88.67%，对应到上图，纵坐标 C 'LE lc 等于 1.088 。絲翌娄型克鲁格標資 0.3 前缘前缘缝翼 0.4 c 中缝 1.3 后缘 < 无面积延伸〉 L6 二缝 1.9 单繼 1.3 / e 后缘（何而积絃仲）蚁缝 1,6 c 三缝 1 9強々 1.0&

气动系统压力流量气管壁厚用气量计算

气动系统压力、流量、气管壁厚、用气量计算 1 气动系统相关计算 (1) 1.1 试验用气量计算 (1) 1.2 充气压力计算 (2) 1.3 管径及管路数量计算 (2) 1.3.1 根据流量计计算管径及管路数量 (2) 1.3.2 根据减压阀计算管径及管路数量 (4) 1.3.3 管径及管路数确定 (6) 1.4 气管壁厚计算 (7) 1.5 理论充气时间和一次试验用气量核算 (7) 1气动系统相关计算 1.1试验用气量计算根据系统要求，最大气流量需求发生于：漏气量为2.5m3/s（标准大气压下的气体体积）时，筒内压力充至1.35MPa压力的时间不大于30s，并能保证持续不少于10s。根据公式P1V1=P2V2（1）求得单位最小流量：Vmin-0.1MPa=（（1.35/0.1）×（0.0675+0.01）/30)+2.5=2.539m3/s

其中0.0675m3是装置密闭腔容积； 0.01m3是管路容积（管路长度取20m）。因为气源提供的流量在10MPa压力下不小于2.6m3/s（标准大气压），而系统输入压力最大为16MPa，所以气源满足系统流量要求。后文中按照输入流量为2.6m3/s进行计算。质量流量（Kg/h）=体积流量×密度，20℃时，标准大气压下气体密度为 1.205kg/m3,即质量流量=2.6× 1.205×3600=13014kg/h。 1.2充气压力计算一般密闭腔充气压力设置为目标值的1.05至1.1倍，由于系统要求的漏气量较大，初步设定充气压力为目标值的2.0倍。本装置需对密闭腔充气至最大1.35MPa，即目标值为1.35MPa，充气压力为P： P=2.0×1.35=2.70MPa。即减压阀出口压力初步设定为2.70MPa。 1.3管径及管路数量计算 1.3.1根据流量计计算管径及管路数量流量计一般都有量程限制，如果流量过大，就必须将总气量分几路进行输送，以保证单路的输送流量符合流量计量程，根据流量计的量程计算分路数。表4 流量计计算参数表

风力发电机组气动特性分析与载荷计算

风力发电机组气动特性分析与载荷计算目录 1前言 (2) 2风轮气动载荷 (2) 2.1 动量理论 (2) 2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 (2) 2.1.2 考虑风轮后尾流旋转 (3) 2.2 叶素理论 (4) 2.3 动量──叶素理论 (4) 2.4 叶片梢部损失和根部损失修正 (6) 2.5 塔影效果 (6) 2.6 偏斜气流修正 (6) 2.7 风剪切 (6) 3风轮气动载荷分析 (7) 3.1周期性气动负载................................................................................... 错误！未定义书签。 4.1载荷情况DLC1.3 (10) 4.2载荷情况DLC1.5 (10) 4.3载荷情况DLC1.6 (10) 4.4载荷情况DLC1.7 (11) 4.5载荷情况DLC1.8 (11) 4.6载荷情况DLC6.1 (11)

1 前言风力发电机是靠风轮吸取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气动力学计算是风力机设计中的一项重要工作。特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。风力机处于自然大气环境中，大气紊流、风剪切、风向的变化（侧偏风）和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。对一台大型风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。 2 风轮气动载荷目前计算风力发电机的气动载荷有动量—叶素理论、CFD 等方法。动量—叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。动量—叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。CFD 数值计算不需要对数学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟，从物理意义上说，数值求解N-S 方程的CFD 方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。但是，由于极大的计算工作量，数值计算的稳定性等原因，目前CFD 求解N-S 方程方法还远不能作为风力机气动设计和研究的日常工具。作为解决工程问题的工具还不太实际。为此在计算中应用动量—叶素理论方法来计算机组的气动载荷。 2.1 动量理论动量理论是经典的风力机空气动力学理论。风轮的作用是将风的动能转换成机械能，但是它究竟能够吸收多大的风的动能就是动量理论回答的问题。下面分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用动量理论。 2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转首先，假设一种简单的理想情况：（1）风轮没有偏航角、倾斜角和锥度角，可简化成一个平面桨盘；（2）风轮叶片旋转时不受到摩擦阻力；（3）风轮流动模型可简化成一个单元流管；（4）风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即p 1 = p 2；（5）作用在风轮上的推力是均匀的；（6）不考虑风轮后的尾流旋转。将一维动量方程用于风轮流管，可得到作用在风轮上的轴向力为 ()21V V m T -= （1）式中 m 为流过风轮的空气流量 T AV m ρ= （2）于是 ()21V V AV T T -=ρ （3）而作用在风轮上的轴向力又可写成 () -+-=p p A T （4）由伯努利方程可得 ++=+p V p V T 222121ρρ （5） -+=+p V p V T 22222ρρ （6）根据假设，p 1 = p 2，（5）式和（6）式相减可得

使用STAR-CCM+计算二维翼型气动性能

使用STAR-CCM+计算二维翼型气动性能 Andrew Moa STAR-CCM+是CD-adapco公司开发的通用CFD软件，采用先进的连续介质力学数值技术，支持非结构网格，集成了高效的CFD求解器及前、后处理单元。STAR-CCM+支持导入复杂形状的几何数据，可进行表面修复，根据导入的几何自动生成高质量的非结构网格。本文采用STAR-CCM+ 9.02.005 R8，以NACA 63(3)-218翼型为例，简单介绍使用STAR-CCM+进行二维翼型气动性能计算的一般步骤。 1、建立翼型几何在多数情况下，翼型的气动性能计算一般采用二维网格模型。二维网格能够满足计算的需求，同时又不至于消耗过多的计算资源，一定程度上了提高计算的效率。STAR-CCM+虽然支持对二维网格模型的求解，但不支持导入二维几何实体，也无法生成二维网格。该软件可以导入二维网格，同时也提供了三维网格到二维网格的转换。本文利用STAR-CCM+三维网格转换成二维网格的功能，先在STAR-CCM+中生成三维的翼型绕流网格，在将该三维网格转换成二维网格，最后利用二维网格进行求解。 A、生成翼型三维模型打开STAR-CCM+，软件界面如下：点击File->New Simulation，OK确认建立新的模拟器。

右键单击树状图中Geometry下的3D-CAD Models，选择New，在3D设计模式中建立三维翼型实体。右键点击3D-CAD Model 1，选择Import->3D Curve，选择翼型数据文件。必须确保翼型数据文件为以下形式：翼型数据应为.CSV格式文件，每行依次为各数据点的x、y、z三点坐标，中间以英文半角逗号分隔。

风速对大型海上风力机的气动弹性影响研究

风速对大型海上风力机的气动弹性影响研究发表时间：2017-10-25T17:58:34.210Z 来源：《基层建设》2017年第17期作者：张婷婷 [导读] 摘要：海上风力机是未来风电技术发展的重要方向。通常海上风力机风轮尺度较大、叶片弹性特征明显，这给风力机的气动弹性分析带来了极大挑战。西南科技大学城市学院土木工程系四川绵阳 621000 摘要：海上风力机是未来风电技术发展的重要方向。通常海上风力机风轮尺度较大、叶片弹性特征明显，这给风力机的气动弹性分析带来了极大挑战。利用BEM气动力计算模型及模态叠加结构动力计算模型构建了大型海上风力机气动弹性分析模型，该模型具有计算效率高、计算结果准确的特征。利用该模型对不同风速条件下NREL 5MW海上风力机的气动弹性特征进行了计算和分析。结果显示，风力机的叶尖位移与风速条件直接相关，呈周期性特征。风速越高风力机功率波动频率越低。关键词：大型海上风力机；气动弹性；BEM；模态叠加模型 0 研究背景海上风力机为海上风能利用提供了有效的手段。根据“十三五”规划，海上风能资源的开发，将成为未来风能利用的重要发展方向。目前海上风力机技术仍处于发展过程中，部分海上风电强国已拥有部分示范工程，如挪威Hywind项目、葡萄牙WindFloat项目等。此外，近年来日本在海上风电技术领域投入较大，且已逐步形成海上风力机设计能力[1]。海上风力机具有单机高功率等特点，通常设计为5MW-20MW[2]，相应的风力机的风轮半径将大幅增加。在海上复杂的环境下，气动力、波浪作用力、结构作用力等将形成复杂的耦合作用力体系，给海上风力机的结构响应分析带来了极大的困难。本文通过动量叶素理论（BEM）计算风力机的气动力，采用模态叠加理论对NREL 5MW海上风力机进行了计算。对风力机的气动力特征及气弹耦合特性进行了系统地讨论。 1气动力计算BEM模型复杂条件下风力机气动性能的求解是分析风力机气动弹性特征的关键。BEM理论模型将风力机叶片沿展向划分为多个独立的控制单元，假设相互单元之间的流场并不存在气动干扰，从而将三维问题化简为二维问题。极大地提高了计算效率，为风力机的气动弹性响应分析提供了条件。通过将动量理论与叶素理论耦合并迭代求解，可获得当前翼型条件下的轴向及周向诱导因子和的量值，进而确定当前翼型的作用力。在此基础上将各控制单元的受力沿展向积分即可获得叶片的整体气动特性。 2结构动力学计算模态叠加模型风力机结构动力学计算模型整体上可以分为模态叠加法、多体动力学计算方法及有限元分析方法。其中模态叠加法通过将叶片的各阶振型乘以响应系数后叠加起来计算其动力学响应，具有快速、高效等特征，是目前风力机气动弹性分析使用的主要方法。本文基于广义作用力方程，利用Duhamel积分可以求得叶片运动数值解，再将各阶模态对应的广义位移转换到物理空间可以得到以下位移结果：

2015复习提纲空气动力学

《风力机空气动力学》2015年复习提纲第一章流体静力学连续介质假设、理想流体、流体微团、流体的基本物理属性（易流性、压缩性与弹性、粘性）。流体力学中作用力的分类和表达、理想流中压强的定义及其特性，静止流体微团的力学分析。标准大气（对流层、平流层）：大气参数随高度的变化参见作业习题第二章流体运动学与动力学基础两种描述流场的方法的区别与特点，欧拉法下加速度的表达和意义；流体微团的几种变形和运动及其数学表达，流体微团的运动分解（平动、线变形、角变形、角速度）；定常流动与非定常流动，有旋流动与无旋流动，系统与控制体的概念；微元控制体分析方法，微分形式的连续方程、欧拉方程和能量方程的表达和意义；积分形式的质量方程、动量方程和能量方程的表达和意义，并会用它们解决实际工程问题；掌握伯努利方程的表达、意义、条件和应用；迹线、流线、流管、散度、旋度、位函数、流函数、环量、涡线、涡强等概念、表达、意义及其相互之间的关系。例 2.5 在海平面上，直匀流流过一个机翼，远前方直匀流的静压 p ＝p ∞＝101200牛/米2，流速=100米/秒。已知A ，B ，C 三点的速度分别是V A =0，V B =150米/秒，V C =50米/秒，空气在海平面的ρ=1.255千克/米3 。假设流动无旋，求A 、B 、C 三点的压强。解：流动是无旋的，伯努利常数全流场通用。根据远前方的条件得这就是通用于全流场的常数。于是 2 20/107325)100(2 225.1101200米牛=×+=p 2 202 202 20/10579415311073252 /93825225006125.01073252/1073252 米牛米牛米牛=?=?==×?=?==?=C C B B A A V p p V p p V p p ρρρ

2MW风电机组叶片气动性能计算方法的研究_刘勋

新能源专题 2009年第8期 68 2MW 风电机组叶片气动性能计算方法的研究刘勋鲁庆华訾宏达孙伟军（北京北重汽轮电机有限责任公司，北京 100040）摘要本文以某2MW 风电机组的叶片为实例，总结出一套工程上实用的叶片气动性能分析的方法。使用XFOIL 和Fluent 软件，对叶片不同截面的翼型计算了小攻角范围内的气动性能，并对两种计算结果进行对比分析；在翼型小攻角气动性能的基础上，利用Viterna-Corrigan 修正将翼型的气动性能扩展到±180°全攻角范围。使用这些全攻角翼型气动性能数据，在Bladed 软件中建立风电机组的叶片模型，分析计算该叶片的气动性能、整机功率曲线等性能。通过最终计算结果与原设计值对比，表明采用该方法分析风电机组叶片的气动性能是可行的。关键词：风力发电机；叶片；气动性能 The Research of Aerodynamics Performance Calculation Method of 2MW Horizontal Wind Turbine Blades Liu Xun Lu Qinghua Zi Hongda Sun Weijun （Beijing Beizhong Steam Turbine Generator Co., Ltd, Beijing 100040） Abstract A suit of aerodynamics performance analyses method in the practical engineering calculation is obtained by research the blade of a 2MW horizontal axis wind turbine. With the software of XFOIL and Fluent, the aerodynamic performances of airfoil in the small angle of attack arrange are calculated in the different radial location. The XFOIL and Fluent calculation results are compared. On the base of the small angle of attack arrange, using the Viterna-Corrigan post stall modified, the aerodynamic performances of the airfoil are extended from -180°to +180°angle of attack range. With the XFOIL calculation data of all angle of attack range, the blade models of this wind turbine are founded in the software of bladed. The simulation results of the blade root load and the power curve of aerodynamic performance on the wind turbine are obtained. The Comparison between simulation results and original design shows the aerodynamics performance analyses method is viable. Key words ：wind turbine ；blade ；aerodynamics performance 1 引言风能是一种清洁、用之不竭的能源。风能不仅储量丰富，而且分布广泛。2006年国家气候中心对我国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面10m 高度层风能资源技术可开发量为25.48 亿kW [1] 。此外，风能的开发相较与其他新能源也更为容易。因此，近年来，风力发电得到了国家、社会、各投资研发机构的高度关注，而风电产业也进入了高速发展的时期。风力发电机组通过叶片吸收风能，将其转化为传动链的机械能。风机叶片的设计是兆瓦级大型风电机组的最为重要的关键技术之一。而叶片气动性能计算是风机叶片及风电机组设计和校核中的重要环节。目前比较成熟叶片气动分析方法是基于叶素动量理论（BEM ），并针对风机叶片特点在该理论上作了相应的经验修正。而Bladed 软件正是以该方法为基础开发的风机性能计算商用软件，已广泛用于风机叶片及风机机组的设计、认证。通过这些方法及软件作风机叶片的气动性能分析，都需要获得叶片所用翼型的气动特性曲线，如升力、阻力系数曲线等。通常，各类翼型的这些气动特性都是在风洞中实验获得，其实验过程需要专业的设备，且周期长费用高。此外，风机专用低速翼型，如DU 系列、FFA-W 系列、Ris?-A1系列，其气动特性通常是不公开的。本文以某2MW 变速变桨风电机组为实例，通过数值模拟的方法得到该机组叶片所用翼型的气动特性曲线，弥补了实验方法的不足。在此计算结果的基础上，通过Bladed 软件建模分析，获得该风电

高流作业

研究生课程（论文类）试卷 2014 /2015 学年第 1 学期课程名称: 高等流体力学课程代码: 11000117 论文题目：风力机的气动性能及气动弹性问题学生姓名：卜庆东专业、学号：动力工程、147640152 开课学院：能源与动力工程学院日期：2015 年 1 月22日

风力机的气动性能及气动弹性问题摘要：中国风电行业发展十分迅速,总装机容量和新增装机容量已达到世界第一 ,主力机型将从兆瓦级发展到多兆瓦级 (>5MW), 风资源已从陆地扩展到海上,这些变化将带来一系列新的问题。本文将就目前风力发电行业中的流体力学问题进行综述和探讨, 总结其研究现状及取得的进展。主要包括大气边界层风特性、气动弹性。此外, 还针对目前发展迅速的计算流体力学问题进了讨论。最后指出中国风电技术的不足及措施。关键词：风力机大气边界层气动弹性 1引言进21世纪以来,气候变化呈现越来越剧烈的趋势,部分是温室气体效应所致。作为工业化进程的副作用之一,二氧化碳(CO2) 排放加剧了地球气候的变化,受到了人们的极大关注。中国已经从传统农业社会转型为工业化现代国家,GDP总量已经达到世界第二, 在高速发展的同时也消耗了大量化石能源(主要为煤炭),导致CO2 排放总量已超过美国,成为世界第一,一定程度上招致了国际社会的批评, 成为了中国经济可持续发展的一个阻碍。为了减缓温室气体效应导致的气候变化,探索国民经济可持续发展的道路,世界各国宣布了温室气体排放和化石能源消耗的削减目标,丹麦成为首个承诺到2050年100%使用可再生能源的国家.中国作为发展中国家和排放大国, 对于能源使用和排放做出了自己的承诺.2009年9月,胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上提出,到2020年非化石能源占一次能源消耗比重达到15%左右。2009年12月,温家宝总理在哥本哈根气候变化大会上提出了“到2020年,单位GD 能耗在 2005 年的基础上降低40%～50%”的减排目标。为了实现这一目标,中国制定了可再生能源法,提出了绿色GDP的考核指标。风能是目前可再生能源中技术相对成熟,并具有规模化开发条件和商业化发展前景的一种能源。中国风资源丰富且已成功商业化,其环境友好性和社会接受程度优于其他可再生能源,因而风能利用在增加能源供应、改善能源结构、保障能源安全、减少温室气体、保护生态环境和构建和谐社会等方面起到重要作用。 2 风力机气动性能与载荷计算风力机是风力发电系统的主要设备 ,气动设计是其最关键的技术,也是最困难的技术。气动效率决定了风电机组的发电量,叶片结构和材料设计依赖于输入的气动载荷。但是,气动设计远没有达到成熟的程度,仍面临严重的挑战 ,特别是在风力机越来越大、对风力机载荷计算的精度要求越来越高时更是如此。之所以存在这种问题,是因为风力机是一个在高度复杂的流动环境 (大气湍流边界层及复杂地形）下运动形式高度复杂 (旋转、柔性、三维转动、静动部件等)的气动装备,所面临的是空气动力学领域中最复杂的问题, 如湍流、旋涡、流动分离、非定常及气动弹性等,其中很多空气动力学基础科学问题还远没有解决。风力机流场的复杂性主要体现在以下几个方面： (1) 来流条件的复杂性。风力机在近地面大气边界层内运转 ,受到地理、地形、气候和风电场中风力机相互干扰等诸多因素的影响，来流条件异常复杂且极不均匀； (2) 流场复杂性。风力机流场不仅是高度非定常的,还常常处于在深失速和动态失速状态,而目前还缺乏对非定常失速气动特性的深刻理解 ,无法全面准确描述动态失速现象和规律。 (3) 复杂流动干扰。风电场中的风力机总是在上游风力机尾流中运转 ,存在复杂的尾流干扰。实验研究结果表明,即使在风轮10倍和12倍距离后,尾流作用仍然存在,不仅减小了功率输出 ,又增加叶片的非定常载

偏航理论简介

偏航气动理论及偏航结构风力发电机偏航状态的空气动力学基础由于风向的不断变化，风轮不能时刻保持其轴向与风向平行，这种状态称之为偏航状态。偏航状态的风力发电机运行效率低于非偏航状态。为了提高风力发电机的发电效率，水平轴风力发电机都配有偏航装置，用以改变风轮的方向，时刻保持风轮轴向与风向平行，使风力发电机达到最佳的工作状态。传统的叶素-动量理论只考虑了风向与风轮平行使的情况，并不适用于偏航状态，因此需要对其修正以达到准确效果。偏航时的动量定理动量定理通常用来研究风速与风作用在叶片上的力之间的关系，用以表现风轮对风能的转换效率问题，为了便于该问题的研究，现做出以下假设 1 风轮为一平面圆盘，不考虑倾斜角。 2 空气无摩擦、无粘性 3流过风轮的气流均匀 4空气不可压缩，即空气密度不变。将动量定理直接应用于处于偏航状态的风轮时是存在一定问题的。对于未处于偏航状态的风力发电机风轮来说，实际上叶片在空间的诱导速度是不同的，在径向方向上是有一定变化的，而动量定理只能计算出平均的诱导速度。对于处于偏航状态的风力发电机而言（见图），由于叶轮与风向间存在夹角，诱导速度将会在径向角与方位角间产生变化，难以对叶轮的特性进行估价。现假设风速大小稳定，方向无变化（见下图），由于风向与叶轮间存在夹角r，随着叶片的旋转，每个叶片的攻角不断发生变化。攻角的时刻变化会在风轮叶片产生轴向推力的同时还附带径向力引起偏航倾斜力矩。当风向固定时，由动量定理可知轴向的动量变化率等于通过圆盘（致动盘）的质量变化率乘以垂直于风轮的速度变化率。其质量变化率为ρAv∞cosγ?a，速度变化率为2av∞ 风力发电机偏航状态见图

整车气动性能分析与优化

整车气动性能分析与优化周欣1，乔鑫2，孔繁华3，李飞4 （华晨汽车工程研究院，沈阳 110141）摘要：本文应用计算流体软件STAR-CCM+对某车型进行外流场的仿真计算，并以提高整车气动性能为目的进行了增加前唇扰流板，前后轮扰流板以及对后扰流板加长并调整角度的组合优化，有效的起到了减小风阻系数，提高冷却模块有效流量的作用。关键词：外流场；气动阻力；CFD；STAR-CCM+； Abstract: A CFD software STAR-CCM+ is used in this article to simulate the vehicle external flow of a certain vehicle type. In order to improve the aerodynamic performance of the whole vehicle, a front spoiler lip, spoiler lips of front and rear wheels are added, and the rear spoiler lip is lengthened which angle is also adjusted. Consequently, the drag coefficient is effectively reduced, and the effective flow of cooling module is increased. Keywords: V ehicle external flow; Aerodynamic drag; CFD; STAR-CCM+; 0前言汽车空气动力学对于整车的经济性、动力性、舒适性和行驶安全的研究具有特殊重要的意义，它是车辆工程领域一个非常重要的研究方向。随着计算机技术和流体力学数值计算理论的发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics ,CFD）已成为了汽车空气动力学研究的重要手段。传统的汽车空气动力学研究依赖与汽车风洞试验，但是现在应用CFD空气动力学数值模拟技术，可以在计算机上完成汽车风洞试验，使得对汽车空气动力学开展全面系统的科学研究更简便而有效。[1] 在国家战略政策的引导下，汽车工业逐渐开始走向自主开发的道路。随着能源问题的日益突出，节能减排也成为汽车设计的主要目的。整车气动性能是汽车空气动力学的核心问题[2]，在造型阶段，气动性能主要关注车辆的阻力系数。当车速达到100km/h时发动机约80%的动力用来克服气动阻力，假如整车空气动力学性能提高10%，油耗就可降低4%~5%。本文利用计算流体力学软件STAR-CCM+对某车型进行了整车外流场的计算，通过对整车近壁面速度场以及各截面速度场分析，对该车前唇扰流板，前后轮扰流板，以及后扰流板的组合优化进行评价。 1建立计算模型 1.1物理模型流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。 (1)质量守恒方程（连续方程） d i v(1) (2)动量守恒方程（运动方程，Navier-Stokes方程）

水平轴风力发电机组空气动力学理论

第三章水平轴风力发电机组空气动力学理论研究风能工程中的空气动力问题的方法有理论计算，风洞实验和风场测试，它们相互补充，相互促进。由于绕风力机的流动十分复杂，目前，理论计算还有一定的局限性，因此，还需要通过风洞实验和风场测试的方法来加以补充和完善。本章主要围绕水平轴风力发电机组空气动力学理论进行阐述，内容包括动量理论，叶素理论，叶素-动量理论等基本理论，风轮的气动特性，叶片设计，叶尖损失，翼型升力和阻力等内容；研究风力发电机的气东理论需要具备一定的流体动力学的知识，诸如不可压缩气流静态贝努利（Bernoulli ）方程和连续性概念。Biot-Savart 法则，类似于电磁场来确定涡流速度，Kutta-Joukowski 确定边界涡流等。 3.1 基本理论 3.1.1动量理论动量理论可用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。流经转动盘面的整个气体流速的变化 ()a U U d -=∝1乘以质量流率，即是整个气体流动量的改变： ()d d w U A U U ρ-=∝动量变化率（3- 1）动量的变化完全来自于制动桨盘的静压的改变，而且整个流管周围都被大气包围，上下静压差为0，所以有： ()()()a U A U U A p p d w d d d --=-∝∝-+ 1ρ （3- 2）通过贝努利方程可以获得此压力差-+-d d p p ，因为上风向和下风向的能量不同，贝努利方程表示在稳定条件下，流体中的整个能量由动能、静压能和位能组成。不对流体做功或流体不对外做功的情况下，总能量守恒，因此对单位气流，有下式成立： .tan 2 12t cons gh p U =++ρρ （3- 3）上风向气流有： d d d d d gh p U p gh U ρρρρ++=+++∝∝∝∝∝222 121 (3- 4) 假设气体未压缩d ρρ=∝，并且在水平方向d h h =∝ 则 +∝∝+=+d d p U p U 222 121ρρ (3- 4a) 同样下风向气流有： -∝+=+d d w p U p U 222 121ρρ ( 3- 4b) 两方程相减得到：

风力机翼型的气动模型及数值计算

文章编号:167325196(2010)0320065204 风力机翼型的气动模型及数值计算李仁年,李银然,王秀勇,绕帅波 (兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州　730050) 摘要:考虑到不同湍流模型和边界层网格对风力机翼型气动性能有着不同的影响,采用4种边界层网格和4种湍流模型,对DU932W2210翼型的气动性能进行数值计算,将计算结果与实验值进行比较.研究结果表明:在合适的边界层网格下,DES模型的计算结果最接近实验值,而且该模型对翼型尾流中的旋涡有很强的捕捉能力. 关键词:风力机;翼型;湍流模型;边界层;网格划分中图分类号:T K83 文献标识码:A Aerodynamic model of airfoil for wind turbine and its numeric computation L I Ren2nian,L I Y in2ran,WAN G Xiu2yong,RAO Shuai2bo (College of Energy and Power Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou　730050,China) Abstract:Taking into account of t he effect of different t urbulence modes,and mesh division in boundary layer on t he aerodynamic characteristics of t he airfoils for wind t urbine,4boundary layers,4modes were employed for numeric evaluation of aerodynamic characteristics of wind t urbine airfoils DU932W2210.The calculation result s were compared wit h experimental ones.It was shown by t he investigation result t hat t he result of calculation wit h D ES mode was t he clo sest to t he experimental one for an approp riate bounda2 ry layer grid,and it has a st rong ability to capt ure t he vortex in t he wake behind t he airfoil. K ey w ords:wind t urbine;airfoil;t urbulence mode;boundary layer;mesh division 由于风力机叶片前缘半径较大,叶片表面边界层容易发生分离,分离会形成旋涡,而旋涡的运动、发展和破裂反过来又影响着分离流场[1].因此深刻认识叶片边界层的流态与准确计算边界层的分离,对于正确预估叶片升阻力、控制并减小流动分离以及叶片的优化设计有着重要的意义. 目前,对湍流的数值模拟分为直接数值模拟(DNS)、大涡数值模拟(L ES)和雷诺时均方法(RANS)3类.其中DNS从流体控制方程出发,可以模拟湍流流场中各种尺度的脉动,但受计算机条件所限,目前只用于研究低雷诺数简单湍流物理机制.L ES将湍流流场中大尺度脉动用数值模拟方法计算,小尺度脉动对大尺度运动的作用做亚格子模型假设,在以下方面具有其他模型无可比拟的优势: 1)从层流到湍流转捩的预测;2)非定常湍流的预测;3)高速湍流的预测[2].但实际的工程问题往往收稿日期:2009211216 基金项目:国家重点基础研究发展973计划项目(2007C B714600) 作者简介:李仁年(19632),男,甘肃民勤人,教授,博导.具有很高的雷诺数和很薄的边界层,边界层内小涡的尺度往往比边界层的厚度小很多,这使得要完全采用L ES模拟薄边界层内的流动仍然需要很大的计算机资源,到现在为止还是不太现实[3].RANS在工程中应用最为广泛,它完全采用湍流模型模拟湍流流动,只给出湍流流场的统计平均量,可以有效地模拟附体边界层流动,但对短暂的旋涡脱落和失速后的流场难以模拟[4].而脱体涡模拟(D ES)方法通过结合RANS和L ES各自的优点,可以比较快速而有效地模拟工程应用中常见的非定常的流动特征和边界层的分离运动[426]. 模拟气流分离的关键是能够准确模拟边界层分离,这需要布置合理的边界层网格.理论上壁面底层网格尺寸越小,网格的渐变率越接近于1;网格数越多,计算精度越高[7],但覃文洁等人提出网格的渐变率与网格数对计算精度的影响有限,它们的影响是基于底层网格尺寸的[8].齐学义等人提出采用结构和非结构化网格相结合的划分方式,可以提高网格质量和计算精度[9].本文选用Fluent软件,研究适第36卷第3期2010年6月兰　州　理　工　大　学　学　报 Journal of Lanzhou University of Technology Vol.36No.3 J un.2010