诱导因子在风轮设计中的相互关系
基于叶素_动量理论及有限元方法的风力机叶片载荷分析和强度计算
表 2 所示。
表 2 不同叶素上的轴向和切向诱导因子
叶素微元 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
轴向因子 a 0.3262 0.3288 0.3302 0.3309 0.3315 0.3318 0.3321 0.3323 0.3325 0.3326
切向因子 a′ 0.0651 0.0424 0.0298 0.0220 0.0169 0.0134 0.0108 0.0090 0.0076 0.0064
F＝F·t Fr Ft = 2/π×arcco（s e-）ft
（12） （13）
ft = Nb/2×（R-r）/Rsinφ
（14）
Fr=2/π×arcco（s e-）fr
（15）
fr = Nb/2×（r-rn）/rn sinφ
（16）
式中：F —梢部和根部损失修正因子；Ft —梢部损失修正因子；
Fr—根部损失修正因子；rn—桨毂半径。
（1）
相对合速度与旋转面之间的夹角是 φ，则
sin准= V（0 1-a），cos准= ω（r 1+a′）
V1
V1
攻角 α 为：α=准-θ
（2） （3）
所以，每个叶片在顺翼展方向长度为 δr，垂直于方向 V1 的升
力为：δL =
1 2
ρV12CLδr
（4）
平行于 V1 的阻力为：δD=
1 2
ρV12CDδr
素的切向速度 ωr 与尾流的切向速度 a′ωr 之和为经过叶素的净
切向流速度（1+a′）ωr，V1 为叶片所受到的合速度。在半径为 r 处
所有的速度，如图 1 所示。在半径为 r 处相对于弦线的作用力，如
图 2 所示[1]。从图 1 中得到的叶片相对合速度为 V1 V1= 姨V0（2 1-a）2+ω2r（2 1+a′）2
关于风电场风机排布距离和列阵方式及海上风电场的模型
关于风电场风机排布距离和列阵方式与海上风电场的模型摘要：随着能源需求增长与化石燃料资源日趋枯竭的矛盾日益突出，干净的可再生能源越来越受到人们的欢送和重视，风力发电是新能源中最具有经济开展前景的一种发电形式。
目前，在进展风电场风机优化布置模拟计算时，均忽略了风轮的湍流影响，而采用简化风机尾流线性扩模型，即尾流影响边界随距离线性增大模型。
此外，多数风机尾流模型未考虑风经过风机后的尾流影响区域直径的突然扩大，而一些考虑了该因素的尾流风速预测解析计算公式，那么不能满足上游风机后风速与尾流影响区域边界的连续性。
为此，本文推导了一种新的简化风机尾流模型。
研究风电机组尾流效应对风电场输出功率的影响，建立比拟全面的风电场输出功率和风速的关系模型，为研究风电场运行优化排布和规划方面的有关问题奠定了根底。
针对问题1，本文考虑尾流效应对风电场组的影响，同时考虑了尾流边界效应模型，确定了速度与功率关系式，从到而确定风电场之间的最正确距离，提出一个完整的模型。
针对问题2，在上述模型的根底上，进一步考虑了风向、风速、迎风角等因素对风电场组效率的影响，经过对数据的处理，我们可以得知有关速度的概率分布f(V),建立速度分布函数；逐渐增加了模型的复杂性，对风电场的模拟更接近现实情况，因此模型模拟得到的结果与问题1相比，结论更灵活易行。
针对问题3，从海上风能资源的分析到建风电场的优势分析，结合海上风电机组的结构形式，分析了不同构建方式的特点并作了相应的比拟，最终提出了适合我国东南沿海建立海上风电场的风机布置方式。
关键词：尾流效应、风电、功率特性、水平轴风电场组、一、问题重述：目前我国的风电总装机容量已经到达了世界第一，但我国风电开展的成熟度仍未到达世界前列水平。
按照人均计算的风电装机容量，我国的世界排名为34，为46W/人，而同为总装机容量世界前列的美国、德国和西班牙，这一数据分别为149.8W/人、356.9W/人和463.5W/人；根据陆地面积计算，中国排名为第25位〔6.5kW/平方千米〕。
致动盘模型与CFD结合的风力机尾流研究
精密制造与自动化2018年第3期4致动盘模型与CFD结合的风力机尾流研究*代丹丹 1 马博1（新疆工程学院机械工程系乌鲁木齐830023）摘要提出一种简便的致动盘模型，结合CFD的研究方法对风力发电机的尾流流场进行数值研究，得出了风机尾迹区的流动状况和风轮中心轴向速度分布以及风机下游不同位置处的径向速度分布。
计算结果与风洞实验结果吻合较好，表明采用的方法可以用于风力机流场模拟，能够较好地捕捉尾流的流场特性。
致动盘模型与CFD 结合的风力机尾流研究方法能够在计算量相对较小的情况下准确反映远尾流的流场信息，可以作为工程应用的工具，为风场风力机排布提供参考依据。
关键词风力发电机尾流致动盘CFD气流在经过旋转的风轮后，由于风轮吸收了部分能量，风轮后的尾流动能小于来流动能，在风机的下风向会产生类似轮船尾流的效果，该区域内产生较大的湍流，同时降低风速，对后面的风电机组发电量产生影响，即尾流效应。
风机尾流效应是风电场风机布置中需认真考虑的问题，因为其与风能资源状况、风机可用系数共同决定风电产量。
风机布置的基本原则是：尽可能减少风机尾流效应及最大程度利用风能资源。
因此，研究风力机尾流特性对风机性能的影响，对于合理布置风力机，提高风能利用效率起着非常重要的作用。
目前对于风机尾流的研究主要采用实验方法和计算流体力学（CFD）方法。
实验研究迫于实验条件和资源的限制，采用此方法的学者还不是很多。
更多的学者采用CFD方法对风力机尾流流场进行模拟。
然而，风力机通常都布置在风场中，对风力机群之间的尾流互扰影响的研究需要占用大量的计算资源和计算时间，使得采用CFD方法在研究多台风力机尾流特性时存在较大困难。
因此很多学者提出用致动模型代替风力机叶片，这样在计算的时候不需建立真实叶片几何网格和求解叶片边界层的流动，从而降低计算成本和对硬件的要求，可以研究多台风力机尾流特性[1]。
田琳琳[2]采用致动盘理论*新疆工程学院科研基金项目编号：2014xgy121612 和CFD理论，研究了风电场内的尾流干扰情况。
基于高斯分布的风电场尾流效应计算模型
基于高斯分布的风电场尾流效应计算模型张晓东;张梦雨;白鹤【摘要】风电机组群的尾流效应一直是大型风电场设计与运行优化中不可忽略的问题.随着风电技术的迅速发展,人们对风电场尾流模型的研究越来越重视.目前风电场设计软件中采用的尾流模型难以满足大型风电场尾流效应计算的工程需要.因此在Jensen模型基础上引入服从高斯分布的速度亏损模型,得到了一种新的适用于远场尾流的分析模型,并以此为理论基础建立了多台风电机组的三维尾流效应模型,开发了相应的计算软件.采用新的尾流模型和改进Jensen模型以及修正后的改进Jensen模型分别对丹麦Horns Rev风电场和大丰风电场的部分风电机组进行尾流模拟,将模拟计算的数据和实际运行数据进行对比,结果表明新模型的模拟效果优于其他两种模型.%The wake effect of wind turbines has always been a significant topic of large-sized wind farm design and optimization.With the rapid development of wind power technology,researchers pay more attention to the wake model of wind farms.As present common used wake models used in wind farm design software are hard to satisfy the project needs of wake effect calculation of large-sized wind farm,velocity deficit model following Gaussian distribution has been introduced based on Jensen type models,which is a new analysis model suitable for far-field analytical wake.With the above model as theoretical basis,researchers established 3D discrete wake effect model of more than one wind turbines and developed new calculation software.The new wake model and the improved Jensen model as well as the improved Jensen model after a second modification are used to conduct wake simulations for some windturbines from Denmark Horns Rev offshore wind farm and DaFeng onshore wind farm.The results show that simulation effect of the new model is better than that of the used improved Jensen model and its amended one by comparing simulated calculation result with actual operating data.【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2017(044)005【总页数】5页(P99-103)【关键词】风力发电;风电场;全场尾流模型;高斯分布;速度亏损;功率亏损【作者】张晓东;张梦雨;白鹤【作者单位】华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206;北京金风慧能技术有限公司,北京100176【正文语种】中文【中图分类】TM614随着风力发电技术的进步，风电机组的单机容量增大，风电机组群的规模也在增大。
风力机尾流流场的数值分析和尾流边界建模
风力机尾流流场的数值分析和尾流边界建模朱翀;王同光;钟伟【摘要】采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的方法模拟致动盘,研究了尾流边界的发展过程.为了准确捕捉尾流边界细节,根据尾流边界的速度梯度远远大于流场中的其他区域的速度梯度的特性,使用自适应弹簧网格技术,使网格的最密区域始终跟随尾流边界运动.基于该数值模拟结果建立了一个尾流边界模型.该模型将尾流的发展分为与粘性无关的膨胀过程和与粘性相关的扩散过程,建模结果与实验结果吻合.在此基础上,还利用该模型对高斯分布预测(Gaussian distribution prediction,GDP)尾流模型进行了修正,使其更加准确.%The development of the wake boundary after an actuator disc is simulated using the computa-tional fluid dynamics (CFD) method. To capture the details of wake boundary, the adaptive spring-mesh technique is used to make the finest meshes always follow the wake boundary movement, accord-ing to the fact that the velocity gradient in the wake boundary is much larger than in other regions. A wake boundary model has been developed based on the CFD results. This model divides the wake devel-opment into the expanding process due to inviscid flow and the diffusing process due to viscous influ-ence. The reliability of the model is validated by comparing with experimental data. As a demonstration of application, a newly developed wake velocity model called Gaussian distribution prediction (GDP) model is improved by the present wake boundary model.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2011(043)005【总页数】5页(P688-692)【关键词】风力机;致动盘;数值模拟;尾流边界【作者】朱翀;王同光;钟伟【作者单位】南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】O355;TK89风力机是将自然界的风能转化为机械能并获得电能的装置。
第4章_风轮叶片设计
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其他要求 对叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，还 应考虑风电机组的具体安装和使用情况。上述的叶片基本 设计要求，主要参考了IEC 61400—1[2]标准和德国GL的 《风力发电风电机组认证规范》中的有关规定，以下一些 要求仅供设计参考。 极限变形 由于复合材料的优良特性，大型风电机组风轮叶片的 设计首先考虑叶片的刚度是否满足使用要求，然后进行强 度校核。因此对叶片的极限变形要求极为重要： 避免风电机组运行过程中与塔架碰撞，要限制叶片在最大 设计风速时的极限变形； 在叶片变桨距时，应考虑气动弹性载荷对变形的影响。
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结构设计要求
结构设计是形成叶片构件的关键设计过程，需要根据叶片所受的 各种载荷，并考虑风电机组实际运行环境因素的影响，使叶片具有足 够的强度和刚度。在规定的使用环境条件下运行时，应保证叶片在使 用寿命期内不发生破坏。另外，要求叶片的设计重量尽可能轻，并考 虑叶片间的相互平衡措施。 叶片的强度通常需要通过静强度和疲劳强度分析校核，受压结构 部分还应进行稳定性校核。强度分析应在足够多的截面上进行，需要 分析校核的横截面数目可根据叶片类型和尺寸确定，但至少应分析4 个以上的截面结构。同时，在叶片几何形状或材料不连续的位置，应 考虑增加必要的附加截面分析。 叶片强度分析可用相应的应变、应力等力学分析校核方法。对于 应力分析，还应额外校验最大载荷点处的应变，以确认设计结构不超 过材料破坏极限。
叶片结构设计的基本内容
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设计要求 气动设计要求
为了使风电机组有较高的风能利用效率，一般需要通过叶片气动 设计获得相应的设计参数或指标。采用葛劳渥(Glauert)、维尔森 (Wilson)或其他改进的可靠设计方法，通过计算确定叶片的气动外形 (如叶片的翼型、弦长、扭角、剖面厚度沿展向的分布等)，并提供相 应的设计条件参数(额定叶尖速比等)。 根据有关设计标准或第2、3章的分析，气动设计过程通常需要确 定以下设计参数或指标： 设计风速 设计风速是叶片设计的重要基础参数，包括额定设计风速、切入 风速、切出风速以及相应的湍流条件等。 气动性能指标 气动设计需要确定叶片的气动功能特性，如风能利用系数CP、推 力系数CQ、转矩系数CT等指标。
基于叶素动量理论的水平轴风力机叶片设计方法
基于叶素动量理论的水平轴风力机叶片设计方法刘颖;严军【摘要】针对叶素动量理论在实际运用中存在的问题,对叶素动量理论进行较系统的分析,认为其有两种计算模型.以模型Ⅰ为例,提出两种计算流程,建立以风轮运行风速范围内风能利用系数最大,以叶片弦长、叶尖速比为设计变量的优化设计模型,计算中考虑分段叶尖损失计算方法.针对8kW水平轴风力机叶片的计算表明,计算方法稳定、可行.根据设计要求,对叶片弦长、叶尖速比进行优化设计.通过计算获得叶片结构参数和叶片性能参数随叶片展向、风速的变化关系,同时获得风力机的最佳运行风速范围.计算结果可为风力机叶片设计和评估提供参考.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2014(040)006【总页数】6页(P59-64)【关键词】风力机;叶片;叶素动量理论;优化【作者】刘颖;严军【作者单位】西北师范大学化学化工学院,甘肃兰州730070;西北师范大学化学化工学院,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TK83风力机叶片设计方法有基于叶素动量理论(blade element momentumtheory,BEM)的设计方法,基于空气动力学的数值方法,基于原型或模型的实验方法以及这几种方法的互补.由于基于叶素动量理论的设计方法简单、适用,考虑有关修正后具有一定的精度,该方法仍是风力机叶片工程设计的首选方法.叶素动量理论是根据质量守恒、动量守恒和能量守恒定律发展建立起来的实用设计理论,在W.J.M.Rankine、R.E.Froude、A.Betz等建立和发展的一维动量理论的基础上,文献[1]中H.Grauert于1935年提出了叶素动量理论,使风力机叶片从概念设计到实用设计成为可能.文献[2～8]分别对叶素动量理论进行了阐述,并提出了修正方法.风力机叶片正向设计给定的设计参数包括风力机功率、设计风速、叶尖速比、风能利用系数和传动装置效率,设计目标是在满足设计要求的基础上获得叶片外形几何参数(叶轮直径、叶片不同截面处翼型和弦长)、叶片不同截面处桨矩角、局部风能利用系数及总的风能利用系数等,设计过程中需要用到空气物性参数和翼型空气动力学参数.由于风力机翼型、叶片几何参数、运动参数及动力学参数互相影响,设计过程是一个反复迭代和优化的过程.在优化设计模型中目标函数主要有三类：文献[9,10]以设计风速为计算工况,以风轮风能利用系数为目标函数,在得到轴向诱导因子和切向(周向)诱导因子后进一步得出叶片控制截面及其他截面的几何参数及安装参数,最终获得风轮的风能利用系数；文献[11]以风力机年输出功率为优化目标函数,设计变量为叶片翼型弦长和桨矩角,弦长和桨矩角按贝塞尔曲线分布；文献[12,13]以单位输出功率成本为优化目标函数,设计变量中弦长和桨矩角按幂函数规律分布.在优化计算中虽然所有的方法均以叶素动量理论为基础,但在具体实现上有一定的差异.本文以风力机叶片不同截面翼型弦长、叶尖速比为设计变量,以风力机年输出功率为目标函数,建立叶片设计计算模型,以小型水平轴风力机为例,对计算模型进行验证.1 基于叶素动量理论的计算模型1.1 气流掠过叶素的速度矢量叶素动量理论有不同的表述方式,其中两种表述方式对应的速度矢量和力矢量图如图1所示.图1a所示符号体系表述的叶素动量理论为模型Ⅰ,图1b所示符号体系表述的叶素动量理论为模型Ⅱ.在文献[4,5]中,这两种模型均被称为Grauert叶素动量理论,两种模型均考虑了叶片尾部涡旋的影响,不同点在于轴向诱导因子和切向诱导因子定义方式的不同.图1 典型叶素速度矢量和力矢量Fig.1 Velocity and force vector of typical blade element图1中,D为阻力,L为升力,Fa为轴向力,Ft为切向力,为轴向速度,为切向速度,u∞为风轮上游远方风速,ωt为风轮旋转角速度,w为风轮处气流相对速度,a、k为轴向诱导因子,a′、h为切向诱导因子,α为攻角,β为桨矩角,φ为入流角.定义风轮旋转平面处气流速度为u,下游气流速度为u2,则两种模型中的诱导因子分别表示为式(2)和式(4)中:ω*为叶片后缘诱导角速度, ω为叶轮旋转平面处气流相对于叶片的旋转角速度.1.2 叶素动量理论的基本模型叶素动量理论结合了动量理论及二维翼型的气动理论,根据图1及图2可得出轴向力、力矩、功率、风能利用系数及速度分量的基本关系.根据动量守恒原理,作用于叶素的轴向力为(5)作用于叶素的力矩为(6)根据气动理论,翼型受到的升力和阻力分别为式中：Cl和Cd分别为升力系数和阻力系数,其值由翼型外形、攻角和雷诺数决定；c为翼型弦长.将升力和阻力在轴向和切向投影,可得轴向力和切向力.轴向力：Fa=Lcos φ+Dsin φ(7)切向力：Ft=Lsin φ-Dcos φ(8)作用于叶素的力矩：dM=ZFtrdr=Z(Lsin φ-Dcos φ)rdr(9)式中：Z为风轮叶片数.轴向力系数：(10)切向力系数:(11)叶素输出的功率:dP=ΔωdM(12)分别将动量定理得出的轴向力计算式和力矩计算式代入由气动力平衡得出的轴向力计算式和力矩计算式,并引入诱导因子,便得出叶片设计及性能计算式.由于模型Ⅰ与模型Ⅱ中诱导因子的定义式不同,因此用诱导因子表示相应计算式的形式也有所不同.1.2.1 模型Ⅰ有关量的基本关系入流角：(13)轴向诱导因子与弦长、轴向力及流入角的关系：(14)切向诱导因子与弦长、轴向力及流入角的关系：(15)将式(14)与式(15)相比,在不计阻力的情况下,可得出(16)在不计阻力的情况下,文献[5]给出另一种诱导因子关系式：(17)当地输出功率：(18)当地风能利用系数：(19)式(18,19)中：λr为当地速比,为叶尖速比,为半径比,可以看出当地速比也可表示为:λr=μλtip.风轮风能利用系数：(20)1.2.2 模型Ⅱ有关量的基本关系入流角：(21)轴向诱导因子与弦长、轴向力及流入角的关系：(22)式中:ε为翼型极曲线切线与升力系数轴线的夹角,其值越小,则阻力就越小.切向诱导因子与弦长、轴向力及流入角的关系：(23)当地风能利用系数：(24)将式(22)与式(23)相比,在不计阻力的情况下,诱导因子的关系为(25)最佳轴向诱导因子与当地速比的关系为(26)其中中间变量:(27)2 叶片设计计算流程式(13～15)或式(21～23)是进行叶片设计的基本公式,若已知诱导因子,给定雷诺数及攻角对应的翼型气动参数可求叶片各截面弦长、桨矩角,最终得出风轮的风能利用系数.反过来若给定叶片各截面弦长、桨矩角,可得出诱导因子、攻角和翼型气动参数,并最终得出风轮的风能利用系数.因此,风力机叶片设计可以有两种计算流程,这里以模型Ⅰ为例说明计算流程.2.1 根据诱导因子计算弦长(计算流程Ⅰ)对于给定叶片半径处的叶素,以当地风能利用系数最大为目标函数,以不计阻力时的诱导因子关系式为约束条件,通过迭代或优化方法得出诱导因子.具体计算步骤如下：1) 计算诱导因子:2) 计算入流角,式(13)；3) 给定叶片给定位置的初始弦长c；4) 计算当地雷诺数其中ν为空气运动黏度；5) 根据当地雷诺数,计算叶片截面选定翼型的最佳攻角α及对应的升力系数Cl和阻力系数Cd；6) 计算桨矩角,β=φ-α；7) 计算弦长,式(14)或式(15)；由于初始弦长是估算值,步骤3)～6)需迭代计算.从叶根至叶尖,叶片弦长应满足递减的约束.8) 计算叶素、风轮的性能参数,式(18～20).2.2 根据弦长迭代计算诱导因子(计算流程Ⅱ)1) 给定计算位置处叶片截面翼型弦长c；2) 给定初始诱导因子,如取aold=0.3,aold′=0；3) 计算入流角,式(13)；4) 根据叶片给定位置翼型的弦长c计算当地雷诺数Re；5) 根据当地雷诺数,计算叶片截面选定翼型的最佳攻角α及对应的升力系数Cl和阻力系数Cd；6) 计算桨矩角,β=φ-α；7) 重新计算诱导因子anew、anew′,式(14)和式(15)；8) 重复步骤3)～6)至诱导因子达到误差要求；9) 计算叶素、风轮的性能参数,式(18～20).3 叶尖损失修正叶尖处的力矩对整个叶片的力矩有较大贡献,由于叶片升力面和压力面存在压差,导致叶尖处气流产生向升力面的回流,使力矩减少,称之为叶尖损失[14],在实际计算中需计及叶尖损失的影响.Prandtl提出如下的叶尖损失因子[15-16]：(30)当轴向诱导因子a>0.25时,Glauert提出对轴向诱导因子作如下修正：(31)式中:为弦长实度,叶尖损失因子为0～1.由于叶尖损失减少了力矩的输出,考虑叶尖损失时,将切向力计算式(8)和力矩计算式(9)分别乘以叶尖损失因子F,相应的诱导因子计算式(14)和式(15)等式右端分母分别乘以叶尖损失因子F.4 计算实例风力机功率为8 kW,传动装置效率η=0.8,叶片数Z=3,设计风速u∞=7 m/s,初选风能利用系数CP=0.4.风轮直径、风力机转速为(32)(33)计算以模型Ⅰ和计算流程Ⅱ进行.以给定风速范围内风力机风能利用系数最大为目标函数,以叶片弦长和叶尖速比为设计变量建立优化模型：式(34)中假设风速按Weibull概率密度函数分布,风速取为5～11 m/s.根据三叶片风轮设计推荐值,取λtip,min=5,λtip,max=8.4.1 叶片弦长的分布及叶根和叶尖弦长的确定叶片弦长叶片根至叶尖逐渐变小,为减少设计变量数量,并使叶片弦长变化均匀,认为叶片弦长按如下的指数规律分布：c=b1(r/R)b2(36)系数b1与指数b2根据叶根及叶尖弦长确定.叶根及叶尖弦长根据无阻力、理想条件下的弦长分布,并考虑线性化和用样条函数外推后确定.理想条件下叶片结构因子,叶片弦长分布计算式为(37)或(38)式中：诱导因子、入流角按式(21)及式(25～27)计算,弦长按式(37)和(38)计算得到的叶片结构因子及叶片弦长分布如图2和图3所示.图2 叶片结构参数随速比的变化Fig.2 Variation of blade structure parameter with speed ratio图3 叶片弦长随速比的变化Fig.3 Variation of chord with speed ratio根据图3所示弦长外推结果,取叶根弦长为0.4～0.7 m,叶尖弦长为0.1～0.3 m.4.2 最佳攻角及升力系数、阻力系数的确定叶片各断面翼型选为SG6043翼型,其气动特性采用XFOIL软件计算.根据弦长及风速范围,取雷诺数为35 000～1 500 000,按雷诺数10 000的增量计算出各雷诺数下攻角α=0～15°的升力系数和阻力系数,根据Cl/Cd最大确定各雷诺数下的最佳攻角及对应的升力系数和阻力系数[4],并将这些值保存到数据文件.4.3 计算结果及分析根据式(33)和式(34)的计算模型及计算流程Ⅱ,经优化得出叶根弦长、叶尖弦长和叶尖速比分别为:croot=0.653 8 m、ctip=0.275 0 m、λtip=7；风轮直径D=12 m,风轮转速n=78 r/min.叶片弦长、设计风速下桨矩角和设计风速下叶素风能利用系数沿叶片展向的变化,风轮风能利用系数随风速的变化曲线分别如图4～7所示.桨矩角沿叶片展向的变化为β=41.3°～3.2°,变化趋势如图5所示.图6表明,在设计风速下叶素风能利用系数沿叶片展向具有较高的值,最大值为0.558 7,平均值为0.491 2.由图7可见,在u∞=5～11 m/s时,最大风能利用系数出现在u∞=6 m/s 处,其值为0.532 1,平均值为0.449 4.计算结果还表明,随着风速的增大,沿叶片展向叶素风能利用系数的最大值向叶尖移动；在u∞=6 m/s处,叶素风能利用系数的最大值为0.581 8；在u∞=5.5～7.0 m/s时沿叶片展向叶素风能利用系数较大,平均值为0.515 5.图4 叶片弦长沿叶片展向的变化Fig.4 Spanwise variation of blade chord图5 设计风速下桨矩角沿叶片展向的变化 Fig.5 Spanwise variation of pitch angle of blade in condition of design wind speed图6 设计风速下叶素风能利用系数沿叶片展向的变化Fig.6 Spanwise variation of local power coefficient in condition of design wind speed图7 风轮风能利用系数随风速的变化 Fig.7 Variation of rotor power coefficient with wind speed5 结论基于对叶素动量理论的分析,认为其有两种计算模型.以模型Ⅰ为例,提出了两种计算流程,建立了以风轮运行风速范围内风能利用系数最大,以叶片弦长、叶尖速比为设计变量的优化设计模型,计算中考虑了分段叶尖损失计算方法.针对8 kW水平轴风力机叶片的计算表明,计算方法稳定、可行.根据设计要求,对叶片弦长、叶尖速比进行优化设计.通过计算获得叶片结构参数,叶片性能参数随叶片展向、风速的变化关系.针对计算实例,其最佳运行风速为5.5～7.0 m/s,在该范围内沿叶片展向叶素风能利用系数较大,平均值为0.515 5.参考文献：[1] OBIN B G.A review of rotor induced velocity field theory [R].New Jersey:Princeton University,1954.[2] DURAND W F.Aerodynamic Theory [C].Berlin: Springer,1993:169-360.[3] WILSON R E,LISSAMAN P B S.Applied aerodynamics of wind power machines [R].Corvallis:Oregon State University,1974.[4] 勒古里雷斯 D.风力机的理论与设计 [M].施鹏飞译.北京:机械工业出版社,1982.[5] BURTON T.Winder energy hand book [M].New York:John Wiley & Sons Ltd,2001.[6] 贺德馨.风工程与工业动力学 [M].北京:国防工业出版社,2006.[7] 刘雄,陈严,叶枝全.水平轴风力机风轮叶片优化设计模型研究 [J].汕头大学学报,2006,21(1):44-49.[8] 杨从新,张强.大型风力机叶片盒型主梁主参数优化计算 [J].兰州理工大学学报,2014,40(2):69-72.[9] 张湘东,聂国华.大型水平轴风力机叶片气动性能优化 [J].计算机辅助工程,2009,18(1):47-50.[10] 李仁年,郭杏威,杨瑞.基于Matlab的1.5 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F1空气动力学
F1空气动力学引言：随着2012赛季的F1中国大奖赛的结束，许多人都为之热血沸腾，而在这世界第三大运动的背后，仍旧有着人们始终去探索的问题——空气动力学。
F1赛车风驰电掣的速度，能在5秒之内瞬间加速到200km/h以上，最大过弯侧向加速可达4个G，极速最高超过350km/h。
而这样高的速度与过弯能力，除了需要优异的悬吊设置来让轮带尽可能的保持与跑道路面接触之外，也需要足够的下压力来产生足够的摩擦力，否则空有强大的马力，在过弯时将无从发挥，因此空气动力学设计的优劣已成为今日F1决胜的关键之一。
原理分析：汽车空气动力学特性是汽车的重要性能，它是指汽车在流场中受到的以阻力为主的包括升力.侧向力的三个气动力及其相应的力矩的作用而产生的车身外部和内部的气流特性.侧风稳定性.气动噪声特性.驾驶室内通风.空气调节等特性。
其实，这里说的空气动力并不是要把空气变成赛车的动力，而是让空气在赛车高速行驶过程中的高速流动而产生的气压变成对赛车有利的力量。
空气动力学在F1赛车上的应用主要体现在三个方面：一是让定风翼产生的下压力为轮胎提供足够的抓地力，另一个则是尽量减少赛车行驶中的空气阻力，最后的一个则是赛车的空气动力学灵敏性。
下压力分析：下压力是空气动力学上垂直方向的向下压力总合，这些力量是由前鼻翼和后尾翼所产生，用来把赛车压在地面上，下压力越大，赛车在跑道上的抓地力就越大。
对于F1赛车，车翼可相当于飞机的翅膀。
而赛车定风翼与飞机机翼的最大区别在于当飞机机翼因为飞机提速而产生足够升力时，赛车定风翼则将机翼的升力工作原理进行倒置。
反向安装的前、后定风翼将会使空气产生下降的力量，也就是我们所称的“下压力”，以保证高速行进中的赛车“抓住”地面不会引起大幅摆动甚至是漂浮乃至侧翻。
一辆F1赛车的定风翼能产生相当于赛车重量3.5倍的下压力。
理论上，由前后翼产生的可怕力量，可以让一部F-1赛车抵抗地心引力，让600公斤重的F1赛车在隧道的天花板上倒吊著跑，因为赛车可以产生超过车身重量数倍的下压力。
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诱导因子在风轮设计中的相互关系
文⊙ 肖燕娟 杨俊峰（湖南城建职业技术学院）
摘要： 本文主要分析了诱导因子在风 轮设计中的相互关系问题。 关 键 词： 诱导因子；叶素；来 流 角 在风力机风轮的空气动力特性分析 中，影 响 风 轮 捕 获 能 量 的 两 个 重 要 参 数 是 轴向诱导因子 ａ １ 和周向诱导因子 ａ ２ ，其定 义为： ａ １＝ ⑴ ＝ ｔｇ ２ φ ⑻ 由图 ２ ： ｔｇ φ＝ ⑼式中，Ｚ ＝ ＝ ⑼
表 １ ： Ｃ Ｐ为风轮的叶片数，Ｃ 为叶 素弦长，ｒ 为叶素至风轮旋转中心的距离。 将⑹式除以⑸式，化简得：
（上接 ２０６ 页） 具有很高的性能价格比。 ） （２ 现场总线把处于设备现场的智能仪表连成 网 络 ，使 控 制 、报 警 、趋 势 分 析 等 功 能 分 散到现场仪表，使控制结构分散化。 ３ ） （ 符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表 装 置 可 以 联 网 ，不 同 标 准 通 过 网 关 或 路 由 器 也 可 互 联 ，现 场 总 线 控 制 系 统 是 一 个 开 放式系统。 五、Ｂ Ａ 系统设计举例 例如某一超高层建筑的 Ｂ Ａ 系统设计。 某大楼采用 Ｍ Ｅ Ｔ Ａ Ｓ Ｙ Ｓ 系统，Ｍ Ｅ Ｔ Ａ Ｓ Ｙ Ｓ 系统是美国 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ 公司产品，它采用工 业标准的 Ａ ｒ ｃ ｎ ｅ ｔ 高速通信网络作为通信主 干线，各分站控制器和操作站均与 Ａ Ｒ Ｃ Ｎ Ｅ Ｔ 网络相联，其通信速率为 ２ ． ５ Ｍ 波 特 。系 统 为 两 级 网 络 结 构 ，中 央 管 理 计 算机采用 Ｐ Ｃ （个人计算机）微机，软件中 设有密码保护，各分站采用 Ｄ Ｄ Ｃ ，具有可 编 程 功 能 ，可 独 立 监 控 有 关 机 电 设 备 ，不
在⑸式、⑹式中：Ｃ ｙ 为叶素的升力系 数，φ 为 叶 素 的 来 流 角（图 ２ ） 。
⑷式表达了轴向诱导因子 ａ １ 与风能利 用系数 Ｃ Ｐ 之间的关系，若已知 Ｃ Ｐ 就能通 过⑷式求出 ａ １ 的数值。表 １ 列出了 Ｃ Ｐ 与 ａ １ 满 足 ⑷ 式 的 对 应 数 据 ，而图 １ 用图线表示 了 Ｃ Ｐ 与 ａ １ 之间的关系。 图 ２ 叶素速度三角形图 ＝ ⑺
，称为叶素速比，将⑼ ，
⑴式中，Ｖ １ 为气流通过风轮时的轴向 诱导速度，Ｖ 为风轮前方的气流速度。 ａ ２＝ ⑵ 图 １ ： Ｃ Ｐ ～ａ １ 曲线图 若不考虑气动阻力对诱导因子的影 响，且令风轮的锥角ψ ＝ ０ ，由片条理论可 得： ＝ ⑸
式 代 入 ⑻ 式 中 ，且 等 式 两 边 同 乘 以 得： ＝
实用技术》北京：机械工业 出版社，２００３．２
２０７
参考文献： 中 国 空 气 动 力 学 研 究 会 、中国太阳能学会、 风能专业委员会编， 水平轴风轮机空气动力特 《 性》 ，风能通讯，１ ９ ８ ４ 年第 ２ 期第七章
⑶
将⑴式代入⑶式中得： Ｃ Ｐ ＝ 原式 ＝４（１－ ａ１） ２ ａ１ ＝４（１－２ａ １ ＋ａ １２ ）ａ１ ＝４ａ １ －８ａ １ ２ ＋４ａ １ ３ 整理得：ａ１３ －２ ａ１ ２ ＋ ａ１ － ＝０ ⑷
需中央管理计算机处理，可就地显示 Ｄ Ｄ Ｃ 所监视的参数及设备工作状态。Ｄ Ｄ Ｃ 内配 有备用电池，提供 ７ ２ ｈ 程序保护。 Ｍ Ｅ Ｔ Ａ Ｓ Ｙ Ｓ 系统的构成如图 ３ 所示。
设 备 自 动 控 制 中 得 到 广 泛 地 应 用 ，如 何 设 计 一 个 高 效 、实 用 、同 时 又 能 适 应 未 来 发 展 变 化 的 计 算 机 网 络 系 统 ，将 是 业 内 人 士 进一步研究的课题。
参考文献： ［１］杨志等， 《建筑智能 化系统及工程应用》北京： 化学工业出版社，２ ０ ０ ２ ． ３ ［２］张瑞武， 智能建筑》 《 北京：清华大学出版社， １９９９．３ ［３］梁华， 《实用建筑弱 电工程设计》北京：中国建 筑工业出版社，２ ０ ０ ２ ． ６ ［４］杨绍胤， 《智能建筑
图 ３ ：Ｍ Ｅ Ｔ Ａ Ｓ Ｙ Ｓ 系统构成的 Ｂ Ａ Ｓ 总之，智能建筑是信息时代的产物。 随着计算机技术的飞速发展，必将在建筑
⑵式中ω为气流通过风轮时所产生的 诱导角速度，Ω为风轮的角速度。 根据⑴、⑵式难以确定 ａ １ 与 ａ ２ 之间的 相互关系。 众所周知，利用动量定理推导出的风 能利用系数 Ｃ Ｐ 的表达式为： Ｃ Ｐ ＝４（１－ ）
２
＝
⑹
⑽ 解方程⑽式，且取正值，得： ⑾ ⑾式为 ａ １ 、ａ ２ 之间的相互关系式，若 已知 ａ １ 和速比 Ｚ ，即可求得 ａ ２ 。 由以上分析可知，在经过有限次的迭 代过程之后，求得 ａ １ 、ａ ２ 的值，再配合其 它 条 件 ，就 可 初 步 进 行 风 轮 的 空 气 动 力 特 性分析，这就是本文的实际意义所在。 但上述的讨论，由于不计气动阻力的 影响，使 得 来 流 角 φ 的 理 论 值 略 有 增 加 ， 当 叶 素 的 工 作 攻 角 一 定 时 ，确 定 风 轮 叶 片 的 扭 角 θ 值 也 将 略 有 增 加 。因 此 ，应 对 φ 角 的 理 论 值 给 予 修 正 ，通 常 将 其 乘 以 经 验 修正系数 ０ ． ９ 即可。