风力机空气动力学-ch

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1、第3章风力机空气动力学3.1概述风力机功率的产生仰赖于转子和风之间的相互作用。如第2章所述，风的流动可以看做是由均匀流动和剧烈波动叠加而成。经验表明，风力机性能（指输出功率和平均负载）的主要是由均匀流动部分产生的气动力所决定。周期性的气动力可以由切变风、偏轴风（off-axiswinds）、转子旋转和由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起，它是疲累负载的来源，也是影响风力机峰值负载的一个因素。这些当然很重要，但是只有熟悉了稳态运行的空气动力学才能理解。因此,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。实际设计的水平轴风力机通过桨叶将风的动

2、能转变有用的能量。本章提供了相关背景材料，帮助读者理解浆叶工作中动力的产生，计算优化叶形，分析已知叶型和浆叶特性的转子的空气动力学性能。多位作者已经给出了预测风力机转子稳态性能的方法。古典的风力机分析方法最初是由Betz和Glauert(Glauert,1935)在20世纪30年代发展的。随后，理论被发展并且可以使用计算机求解(seeWilsonandLissaman,1974,Wilsonetal.,1976anddeVries,1979)。在所有这些方法中，结合动量理论和叶片微元理论（bladeelementtheory）形成的带流理论，能够计算转子环形截面的工作特性。本章将运用带流理论

3、，通过对每个环形截面的特性值求积分或求和得到完整转子的特性。本章首先分析了理想风力机转子，介绍相关的重要概念并阐述了风力机转子及其绕流气体的一般特性。这些分析也适用于确定风力机的理论极限性能。之后将介绍一般的空气动力学概念，用于评价利用浆叶产生动力相对于其他方法的优势。本章的大部分内容详细说明古典分析方法对水平轴风力机的分析，以及一些应用实例和应用。首先详述了动量理论和叶片微元理论的发展，以及用它计算简单、理想运行状况下的最佳叶型。这就是风力机普通叶型的由来。结合这两种方法得到带流理论或者称为叶片微元动量（BEM）理论，利用这种理论确定出对风力机转子进行空气动力学设计和性能分析的流程。论述了

4、气动损失和非设计工况下的性能，并且开发出适用于更接近现实流场的优化叶片初始设计方案。最后，给出了一个可用于快速分析的简化设计程序。本章的最后两节讨论了风力机极限理论性能的局限性并且介绍了更进一步的课题。这些课题包括稳态下非理想空气动力学影响，风力机尾流对风力机运行的影响，非稳态空气动力学，转子性能分析数值方法和其它理论分析方法。作者尝试尽量让没有流体动力学背景的读者也可以理解本章内容。尽管如此，熟悉伯努里方程、流线、控制体积分析和层流和湍流等概念将会很有帮助。这要求对基本的物理现象有一定的理解。3.2一维动量理论和betz极限用一个简单的模型（一般认为是betz于1926提出）确定理想风力机

5、的功率，风力对理想转子上的推力及对转子在当地风场运行的影响。这个简单模型基于线性动量理论，这个理论一百多年前用于船舶螺旋桨的性能预测。这个分析中,假设了一个控制体积,这个容积的边界是流管（streamtube）的表面和这个流管的两个横截面(见图3.1)。气流会只会通过流管的末端流出。用一个等效的“Actuatordisk”来代表风力机,它可以在空气流过流管时在管内产生不连续的压力。（注:此分析并不限于任何特定种类的风力机。）此分析的假定条件：l均匀，不可压缩，稳态流动l无磨擦阻力l无限多叶片l推力均匀作用在者转子叶轮上l尾流无旋转l转子远上游和远下游静压等于无干扰时环境的静压图3.1风力机A

6、ctuatordisk模型；U，平均风速；1，2，3和4指示位置由控制体积所包围的整个系统线性动量守恒，可以得到作用在控制体上的合力与风作用在风力机上的推力T大小相等方向相反。由动量守恒定理和不可压缩定常流动假设，得到推力与气流动量改变大小相等、方向相反：(3.2.1)这里是空气密度，是横截面，是空气速度，图3.1下方是横截面编号。对于稳态流动，，是质量流量，因此：(3.2.2)由于推力作用在叶轮正面，所以叶轮后面的气流速度小于自由流速度。叶轮的另一面不做功。因而伯努里方程可被用于转子两侧的两个控制体中。在转子上游的流管中：(3.2.3)在转子下游的流管中：(3.2.4)假定远上游和远下游气

7、流压力相等（），并且穿过转子的速度不变（）。推力也可以表示为所有转子上受力的合力：(3.2.5)利用3.2.3式和3.2.4式求得，将其带入3.2.5式，得到：(3.2.6)从式3.2.2和式3.2.6得到推力值，设质量流量是，得到：(3.2.7)因此，使用这个简单的模型,叶轮平面上的风速是上游风速和下游风速的平均值。如果定义轴向干扰系数（axialinductionfactor）是自由流风速与叶轮平面上风速