风机叶轮空气动力学讲义
风力机空气动力学基础知识
风力机空气动力学基础知识风力机空气动力学基础知识Wind Turbine Basics[本节为“水平轴风力发电机”与“升力型垂直轴风力机”与“阻力型垂直轴风力机”栏目共用]2013年4月（翼型升力动画增加片断）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。
升力与阻力风就是流动的空气，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，FD为阻力，FL为升力。
阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。
图1-升力与阻力示意图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。
图2-阻力的形成当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）。
当平板与气流方向有夹角时（见图3），气流遇到平板的向风面会转向斜下方，从而给平板一个压力，气流绕过平板上方时在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力FD与升力FL。
图3-升力与阻力的形成下面是平板受气流作用产生升力与阻力的动画平板受来流产生升力与阻力的动画平板与气流方向的夹角称为攻角，当攻角较小时，平板受到的阻力FD较小；此时平板受到的作用力主要是升力FL，见图4。
图4-小攻角时升力大阻力小飞机、风筝能够升到空中就是依靠升力，升力型风力机就是靠叶片受到的升力工作的。
风力机叶轮设计与叶片空气动力学仿真分析
风力机叶轮设计与叶片空气动力学仿真分析一、概述作用在叶轮上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是造成各个零部件的主要的载荷来源。
要计算风力发电机组的载荷就必须先计算出空气作用在叶片上的作用力。
除了气动载荷，风力机叶片在风机工作中受到的作用力主要还受到惯性力，特别应该考虑重力、离心力和陀螺力等。
风力机的叶片设计分气动设计和结构设计两大部分，气动性能计算为气动设计结果提供评价和反馈，并为叶片的结构设计提供气动载荷等原始数据。
气动性能计算的准确性，直接影响叶片的气动性能和结构安全，从而影响风力机的运行效率和运行安全。
二、风力机叶片几何参数1．风力机叶片翼型几何参数和气流角翼型是组成风力机叶片的基本元素，因此，翼型的气动特性对风力机的性能起着决定性的作用。
以一个静止的翼型为例，其受到气流作用，风速为v，方向与翼型截面平行。
图1 翼型的几何参数和气流角翼型的尖尾(点B)称为后缘。
圆头上的A点称为前缘，距离后缘最远。
l——翼型的弦长，是两端点A、B连线方向上翼型的最大长度；C——翼型最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度；C——翼型相对厚度，CCl=，通常为10%~15%；翼型中线—从前缘点开始，与上、下表面相切诸圆之圆心的连线，一般为曲线；f——翼型中线最大弯度；f——翼型相对弯度，ffl =；α——攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角；φo——零升力角，它是弦线与零升力线间的夹角；φ——升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角。
α=φ+φ0 （2‐1）此处φ0是负值，α和φ是正值。
2．.NACA四位数字翼型族NACA四位数字翼型分为对称翼型和有弯度翼型两种。
对称翼型即为基本厚度翼型，有弯度翼型由中弧线与基本厚度翼型迭加而成。
中弧线为两段抛物线，在中弧线最高点二者水平相切。
四位数字翼型的表达形式为NACAXXXX第一个数字表示最大相对弯度的百倍数值;第二个数字表示最大弯度相对位置的十倍数值;最后两个数字表示最大相对厚度t的百倍数值。
风力发电机运行的空气动力学原理解析
风力发电机运行的空气动力学原理解析风力发电机是一种利用风能转化为电能的设备，利用空气动力学原理进行运行。
空气动力学是研究空气在物体表面流动时所产生的力学效应的学科，其中涉及到的流体力学、空气动力学和结构力学等知识领域。
本文将从风力发电机的构成和原理、空气动力学原理以及风力发电机的运行过程等方面对其运行原理进行分析和解析。
首先，风力发电机由风轮、主轴、发电机以及塔架等构成。
其中，风轮是最重要的部件，它是通过空气动力学原理将风能转换为机械能。
风轮主要由叶片、主轴承和转子组成，其中叶片是最关键的部分。
在运行过程中，当风流通过风轮的叶片时，由于叶片的形状和倾斜角度，会使得风流产生一定的压力差，从而使风轮转动。
风轮的转动通过主轴传递给发电机，由发电机将机械能转化为电能。
其次，风力发电机的运行离不开空气动力学原理的支持。
当风流通过风轮的叶片时，由于风流的高速流动和叶片的形状等因素，会在叶片上产生压力差。
根据伯努利定律，当流体速度增加时，压力就会下降，而风轮叶片的形状和倾斜角度使得上表面的流速较快，下表面的流速较慢，从而产生了压力差。
此时，风流将从高压区域流向低压区域，推动风轮转动。
这就是风力发电机利用空气动力学原理来转换风能的过程。
风力发电机使用的是无驱动翼型，即在风流作用下产生升力来推动转子转动。
翼型的选择非常关键，不同的翼型会有不同的气动性能，影响着风力发电机的效率和输出功率。
一般而言，翼型的厚度比例愈小，气动性能愈好，当然翼型的选择还要结合具体的风力工况。
在实际应用中，常用的翼型有NACA系列翼型、稳定翼型等。
最后，风力发电机的运行过程可以简单概括为：当风力达到一定速度时，风轮开始转动，这时发电机开始工作，将机械能转化为电能。
随着风力的增大，风轮的转速也会增加，进而提高了发电机的输出功率。
另外，为了保证风力发电机的安全运行，还需要考虑风轮的稳定性和抗风性能。
在强风条件下，风力发电机会自动启动风刹系统，将风轮停止旋转，以避免因风力过大导致设备损坏。
新版风力机空气动力学-新版-精选.pdf
T
m U4 ( m 1U)
(m 1U 4U)
(3.2.2)
对于稳态流动， ( AU )1 ( AU ) 4 m ， m 是质量流量，这里 是横截面， U 是空气速度。
此外，还由理想流体伯努利方程可知：
是空气密度， A
因为 p1
p1
1
U
2 1
2
p3
1
U
2 3
2
p2
1
U
2 2
2
p4
1
U
2 4
2
p4 ，且通过透平的前后速度一样（ U 2 U 3 ）。
2、翼型的运行和一般气动力概念 3、重点放在水平轴风力机的经典分析方法和一些应用和例子
§3.2 一维动量理论和贝兹极限
控制体积和理想透平如图，气流通过透平只产生压力不连续，并假设
气流均匀，不可压缩，定常流动
气流无磨擦阻力
透平具有无限多叶片
推力均匀作用在转子叶轮旋转 面上
尾流无旋转
转子远上游和远下游静压等于无干扰时环境的静压 设 T 为风作用于风力机上的力，由动量定理可知，透平对风的作用力为：
第三章 风力机气动力学
§3.1 总论
风力机功率的产生依赖于转子和风的相互作用。 风由平均风和附加于上的强烈的湍流脉动合成。 风力机的平均功率输出和平均载荷等主要性能由平均气流的气动力决定。 周 期性的气动力是疲劳载荷源和风力机峰值载荷的一个因素。 周期性的气动力可以 由切变风、偏轴风（ off-axis winds ）、转子旋转、由空气紊流和动力学影响诱 发的随机脉动力引起。 本章首先关注的是稳态运行的空气动力学现象， 关于非稳态空气动力学的复 杂现象将在本章结尾简要介绍。 本章为读者提供理解翼型产生功率的背景， 以计算一个优化的叶片形状作为 设计叶片的起点，对已知翼型特性线和叶型的转子分析其气动性能。 本章的大部分内容详细说明了采用古典分析方法分析水平轴风力机。 动量理 论和基元叶片理论（ blade element theory）构成了片条理论（ strip theory）或基元 叶片动量理论（ BEM ）。以此计算转子环形截面的特性，然后通过积分就可以获 得整个转子的特性。 内容分为： 1、理想风力机的分析（ Betz 极限）
风力发电技术-空气动力学基础
2.6
风轮上的总气动推力和总转矩
δr
叶素理论：
将叶片沿展向划分成很多小的微元段，这些微元段统称为叶素。作用在每个 叶素上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。
2.6
风轮上的总推力和总转矩
下翼面处流场横截面面积A3变化较小，流速W3 几乎保持不变，进而静压 力P3≈ P1。上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大，V2>V1。 使得 P2 < P1，即压力减小。 由于翼型上下表面所受的压力差，使得翼型受到向上的作用力——升力。 再由于气流和翼型有相对运动，翼型受到平行于气流方向的阻力。
2.4
翼型的空气动力特性
注：风力发电机叶片运动时所感受 到的气流速度是外来风速V与叶片 运动速度u的合成速度，称为相对 风速W。
风轮旋转平面：风轮转动所形成的平面，与风速V垂直。 翼型攻角 在翼型平面上，实际气流来流W与翼弦之间的夹角定义为翼型攻角，记做， 又称迎角。 安装角β 风轮旋转平面与翼弦之间的夹角，记做β ，又叫桨距角、节距角。 入流角φ 实际气流入流速度W与旋转平面的夹角。Φ = + β
V
由于升力和阻力是相互垂直的, 故
W
2.4
翼型的空气动力特性
翼剖面的升力特性
翼型的升力特性用升力系数CL随攻角的变化曲线 （升力特性曲线）来描述。如图。 CL CLmax
0
CT
Hale Waihona Puke 当=0 °时， CL﹥0，气流为层流。 在0～CT之间，CL与呈近似的线性关系，即随 着的增加，升力FL逐渐加大。 当=CT时，CL达到最大值CLmax。CT称为临界攻 角或失速攻角。当>Ct时，CL将下降,气流变 为紊流。 当=0(<0)时， CL=0，表明无升力。0称为零 升力角，对应零升力线。
风力发电技术-空气动力学基础
风力发电机的空气动力特性
主要内容
2.1 风力发电机的概念及结构 2.2 风轮的几何参数 2.3 翼型的几何参数 2.4 翼型的空气动力特性 2.5 叶素上的气动推力和转矩 2.6 风轮上的总气动推力和总转矩
2.1
风力发电机的概念及结构
风力发电就是将风的动能转换为风轮的机械能，风轮再带动 发电机发电，将机械能转换为电能。
2.6
风轮上的总气动推力和总转矩
δr
叶素理论：
将叶片沿展向划分成很多小的微元段，这些微元段统称为叶素。作用在每个 叶素上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。
2.6
风轮上的总推力和总转矩
V
由于升力和阻力是相互垂直的, 故
W
2.4
翼型的空气动力特性
翼剖面的升力特性
翼型的升力特性用升力系数CL随攻角的变化曲线 （升力特性曲线）来描述。如图。 CL CLmax
0
Hale Waihona Puke CT 当=0 °时， CL﹥0，气流为层流。 在0～CT之间，CL与呈近似的线性关系，即随 着的增加，升力FL逐渐加大。 当=CT时，CL达到最大值CLmax。CT称为临界攻 角或失速攻角。当>Ct时，CL将下降,气流变 为紊流。 当=0(<0)时， CL=0，表明无升力。0称为零 升力角，对应零升力线。
空气动力学
第四章风力发电的空气动力学原理风机叶片在空气中的受力特性与飞机的机翼在空气中的受力相类似，所以对风机叶片的空气动力学研究很多是借鉴了对飞机的翼型的空气动力学的研究技术以及飞机翼型的制造技术。
飞机在空气中运动所引起的作用于飞机上的空气动力取决于空气的物理属性，飞机的几何形状、飞行姿态以及飞机与空气之间的相对速度，因此在讨论空气动力的产生及其变化规律之前，首先来研究空气的基本属性。
空气动力学是关于气流特性的学说，相对于固体而言气体的特性。
空气动力学定律，尤其是旋涡、推力、正面阻力和升力使得飞机可以飞行。
相同的定律对于滑翔也很重要。
空气动力学是一门复杂的科学。
并非在每种具体情况下都可以通过假设计算对特定现象作数字上或理论上的精确说明，因而要利用风洞试验结果。
所以空气动力学也是一门以经验为依据的科学。
气体和液体统称为流体。
气体和液体同固体相比较，分子间引力较小，分子运动较强烈，分子没有一定的排列规律，这就决定了气体和液体具有共同的特性，不能保持一定形状，而具有流动性。
从力学性质来看，固体具有抵抗压力、拉力和切力的能力。
因而在外力作用下，通常发生较小的变形，而且到了一定程度后变形就停止。
流体由于不能保持一定形状，所以它不能抵抗切力。
当他受到切力作用时，就要发生连续不断变形（即流动）。
这就是流体同固体在力学性质上的显著区别。
气体和液体除了具有上述的共同特性外，还有如下的不同特性：液体的分子跟分子的有效直径差不多是相等的，当对液体加压时，由于分子距离稍有缩小，出现强大的分子斥力来抵抗外压力，这就是说：液体的分子距离很难缩小，可以认为液体具有一定体积，因此通常成液体为不可压缩流体。
一般来说，气体分子间距离很大，例如常温常压下空气的分子距离为3×10-7，其分子有效直径的数量级为10-8厘米。
可见分子距离比分子有效直径大得很多。
这样，当分子距离缩小很多时，才会出现分子斥力。
因此，通常称气体为可压缩流体。
空气动力学课件.
差分网格
x
tn+1 tn tn-1 xj-1 xj
xj,tn
离散介质模型 离散自变量函数 空间区域 有限离散点集合 自变量连续变化区域 有限差分方程组 u u a 0, u x, 0 f x 一阶双曲型线性微分方程 t x n n n 1 n u u u u j j n 1 n 2 t u u t O t O t j j t t j t j
u0 j fj
0.2
空气动力学的研究对象
相对飞行原理（空气动力学实验原理）
当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气
的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空 气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效 的。
0.2
空气动力学的研究对象
相对飞行原理，为空气动力学的研究提供了便利。人们 在实验研究时，可以将飞行器模型固定不动，人工制造
17-20世纪理想流体力学的发展
莱布尼慈简介 莱布尼慈，德国著名的哲学家和数学家 （Leibniz，1646-1716）。1646年7月 生于莱比锡一个名门世家，其父亲是 一位哲学教授。莱布尼慈从小好学， 一生才华横溢，在许多领域做出不同 凡响的成就。在数学方面最大的成就 是发明了微积分，今天微积分中使用 的符号是莱布尼慈提出的。后来为了 与牛顿争发明权问题，他们之间进行 了一场著名的争吵。莱布尼慈自定发 明权时间1674年，牛顿1665-1666年。 这场争论使英国与欧洲大陆之间的数 学交流中断，严重影响了英国数学的 发展。
直匀气流流过模型，以便观察流动现象，测量模型受到 的空气动力，进行试验空气动力学研究。
在理论上，对飞行器空气绕流现象和受力情况进行分析