风力机空气动力学基本原理共51页文档
3.风力机的空气动力学
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风力发电机组的原理与控制（二）
风轮前后风速和压力的变化
风速变化是连续的
压力变化是突变的
图2-1 风轮的流管模型
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风力发电机组的原理与控制（二）
动量定理推导（一）
伯努利方程
1 2 v p gh const 2
理想流体定常流动的动力学方 程，流体在忽略粘性损失的流 动中，流线上任意两点的压力 势能、动能与位势能之和保持 不变。
（1）弯度的影响 如果翼型存在弯度，即使没有攻角，翼型也 能产生升力和力矩。 当翼型弯度增大时，导致上下表面流速差增 大，从而使压力差加大，故而升力增加，升力系 数增大。特别是对前缘半径较小和较薄的翼型影 响尤其显著。 当翼型弯度增大时，上表面流速加大，摩擦 阻力上升，并且由于迎风面积加大，故而压差阻 力也加大，同时导致阻力上升。 因此，同一攻角时，随着弯度的增加，升力 和阻力都明显增加。但阻力比升力增加更快，升 阻比下降。当最大弯度的位置靠前时，最大升力 系数较大。
v v vd v (1 ) 2
1 2 2 9 Ad (v v ) (v v ) Ad v (1 a ) 2
风力发电机组的原理与控制（二）
动量定理推导（三）
气压力(作用在风轮上) 2 F ( pd p ) A 2 A v d d d a(1 a)
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风力发电机组的原理与控制（二）
尾流(weak)
风施加在风轮上的力矩有一个大小相等，方向相反的反作用 力矩作用在空气上。它引起空气反向于风轮旋转，空气获得角动 量，其粒子在旋转面的切线方向和轴向上都有速度分量。 13
0.60 0.50 0.40 Cp 0.30 0.20 0.10 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 Tip Speed Ratio 8 9 1016 Betz - Without Wake Rotation With Wake Rotation
《风力机空气动力学》课件
二、空气动力学理论
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风力机的升力和阻力
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探讨风力机叶片是如何产生升力和阻
力的。
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风力机的效率和功率公式
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讨论风力机的效率和如何计算出风力 机的功率。
风力机的叶片表面压力分布
讲解风力机叶片表面压力如何随风速 变化。
风力机的气动力矩
介绍风力机在转动过程中所受到的气 动力矩。
风力机的多目标优化设 计方法
介绍风力机优化设计中常用的 多目标优化方法。
风力机的材料和制造工艺
讲解风力机材料的选择和制造 工艺的重要性。
五、未来发展方向
1 未来风力机的设计和发展趋势
探讨风力机在未来可能的设计和发展方向。
2 风力发电在新能源领域中的地位和前景
介绍风力发电在新能源领域中的重要性和潜在前景。
3 风力机的可持续发展和环境影响问题
讨论风力机的可持续发展性和对环境的影响问题。
六、总结
风力机空气动力学 知识的重要性和应 用
总结风力机空气动力学知识 在实际应用中的重要性。
风力机的未来发展 和挑战
讨论风力机在未来可能面临 的发展和挑战。
风力机行业的职业 发展和就业前景
探讨从事风力机行业的职业 发展和就业前景。
《风力机空气动力学》 PPT课件
这是一份关于风力机空气动力学的课件，介绍了风力机的工作原理、空气动 力学理论、风洞实验、优化设计以及未来发展方向等内容。
一、介绍
什么是风力机空气动力学
解释风力机空气动力学的定义和重要性。
风力机的基本结构和工作原理
描述风力机的基本构成和如何转换风能为电能。
风力机的分类和发展历程
三、风力机风洞实验
第一章水平轴风力机空气动力学与风力发电原理
图8 不第一同章水高平风度轴力风发的力电机速原空理气度动—力学—与 时间曲线
▪ 图8表示在十个不同高度上一天以内各个时 间的平均。除最下的两条曲线外，其他数 据都是用气球测得的。在不同高度上，平 均值变化最大的时间是在白天。在一天以 内，平均风速随高度增加。
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
第一章水平轴风力机空气动力学与
图7 三个高风力度发的电原风理 速——时间曲线
▪ 图7表示在15、30和100m的平面上空风速 变化。此图表明：在一个很短时间内，风 速是不规则的。在低高度的瞬时风速大于 较高高度的风速也是常见的。
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
地 面 高 度 （ m）
大都市中心地带 有森林覆盖的乡镇、 平原、沿海
城市郊区
地带
第一章水平轴风力机空气动力学与
图10 地风表力上发电高原理度与风速的关系
区域和当地地形对风能的影响
▪ 我国幅员辽阔，地形十分复杂。局部地形 对风能有很大影响。这种影响在总的风能 资源图上显示不出来，需要根据具体情况 进行补充测量和分析。
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
▪ 信风指在赤道两边的低层大气中，北 半球吹东北风，南半球吹东南风，这 种风的方向很少改变，也叫做“贸易 风”。类似的效应导致了在纬度高于 50°地区的“极区东风”。
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
▪ 在赤道的南方，地球的自转将向南流 动的空气折向朝东，而向北流动的空 气折向朝西，故在南半球也有类似的 盛行西风、信风和极区东风的情况。 全球性气流的模式如图1所示。
空气动力学原理
(d) 200迎角绕流
• 升力与阻力(D为阻力，L为升力 )
• 平板与气流方向垂直时的情况，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。 • 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，在平板的向
风面会受到气流的压力，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D与升力L。
• 当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此
时平板受到的作用力主要是升力L。
• 截面为流线型的翼片阻力很小，即使与气
流方向平行也会有升力，因为翼片上方气 流速度比下方快，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 到向上的升力作用。
• 一种是定桨距（失速）调节方法； • 一种是变桨距调节方法。
•
1、定桨距（失速）调节方法
叶片与轮毂刚性联结。
失速控制主要是通过确定叶片翼型的扭 角分布，使风轮功率达到额定点后，减少 升力提高阻力来实现的。 在一般运行情况下，风轮上的动力来源 于气流在翼型上流过产生的升力。由于风 轮的转速恒定，风速增加叶片上的迎角随 之增加，直到最后气流在翼型上表面分离 而产生脱落，这种现象称为失速。
• 3）在势流场中，沿任意封闭曲线的速度环量为零。
• 2.流函数 • 1）流函数的等值线与流线重合 • 3.平行流 • 就是流体质点以相同的速度相互平行地作
等速直线运动。
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。
风力机空气动力学-第四章
《风力机空气动力学》
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§4-2：基础理论
通过使前述的由两种方法推导的推力相等，可以求得 a(1 a) lr b(1 b) 或 1 1 4 b 1 a(1 a) 2 2 lr2 由前面功率的表达式可知，当b(1-a)取最大值时，是产生最大功率的空气 动力条件。把上式代入并消去b，然后对所得到的式子进行求导，置零。 就可得到在最大功率条件下，轴向诱导因子与当地速比的关系：
华北电力大学
《风力机空气动力学》
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§4-2：基础理论
与前面比较，本节考虑风轮尾流的旋转。 气流在风轮上产生转矩时，也受到风轮的反作用力，由此气流产生了 一个反向的角速度，使尾流以相反的方向转动。
即、由于流体的粘性，激盘诱导了流动的旋转，导致激盘诱导的速度沿激 盘径向不是常数，或诱导因子a是变化的。同时，由于激盘的转动，还会对 流体产生周向的诱导速度,以及转动力矩，。
风电场中的空气动力学问题
计算流体力学在风力机和风电场分析和设计中的应用
华北电力大学
《风力机空气动力学》
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§4：风力机空气动力学 §4-1：概述
研究背景
能源问题
风能：人类最古老能源 新能源、可再生能源
我国丰富的风资源与 政府的大力支持 风能是有很强综合性的 技术学科
华北电力大学
《风力机空气动力学》
风场测试
华北电力大学 《风力机空气动力学》 4
§4-1：概述
华北电力大学
《风力机空气动力学》
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§4-1：概述
机舱 轮毂
叶片 塔架
低速轴 增速器 高速轴 发电机 停车制动器
尾舵调向 /风向标
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《风力机空气动力学》
风力机空气动力学.
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）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：4114()()T m U m U m U U ∙∙∙=---=- (3.2.2) 对于稳态流动，14()()AU AU m ρρ==，m 是质量流量，这里ρ是空气密度，A 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：2211221122p U p U ρρ+=+ (3.2.3) 2233441122p U p U ρρ+=+ (3.2.4)因为14p p =，且通过透平的前后速度一样（23U U =）。
风力机空气动力学知识 64帧
4）叶片平均几何弦长：是叶片面积Ab与叶片长度的比 值，用C表示，C=Ab/L 5）叶片扭角：用θ表示，它是叶尖桨距角为零的情况下， 叶片各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。 6）叶片转轴(机械回转轴) 7）叶片桨距角：叶片尖部剖面翼弦与风轮旋转平面之间的 夹角。
2.风轮几何参数 1）风轮叶片数：组成风轮的叶片的个数，用B表示。 2）风轮直径：风轮旋转时风轮外圆直径，用D表示。 3）风轮面积：通常指风轮扫掠面积，用A表示。 A=πD2/4 4）风轮锥角：叶片与旋转轴垂直的平面的夹角，用χ表示。 锥角的作用是当风轮旋转时叶片离心力会产生与方向相反的分力， 以此抵消风压力对叶片的弯曲载荷，减少叶片根部的弯应力。
49不同风轮实度时的风轮力推力系数411不同叶片桨距角时的风轮一般用风力机输出功率随风速的变化曲线pv和风力机功率系数随风速的变化曲线c1
Ct = ClsinΦ - Cd cos Φ
σC t b = 1 + b 4Fsin Φ cos Φ
（7）比较计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于 设定的误差值（一般可取0.0001），则迭代终止；否则，再 回到（2）继续迭代。需要指出的是：当风轮进入涡环状态 时，还要用经验公式对动量—叶素理论进行修正。 迭代求的a和b值后，根据叶素理论可以积分求得风轮主轴 与力与力矩，进而求得风能利用系数等参数。
3.3风力机翼型 1.风力机翼型
长期来，风力机翼型主要选自航空翼型，如NACA44系列、 NACA63-2系列翼型等。专门的风力机翼型有美国的NREL S 系列、瑞典的FFA-W系列和荷兰的DU系列。 风力机和航空翼型在运行环境、载荷和结构有下列不同：
（1）风力机叶片是在相对较低的雷诺数下运行，翼型边界层 的特性发生变化；