空气动力学理论基础课件.ppt

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1、第六章空气动力学基本理论12第一节叶片的几何形状翼型：也叫翼剖面，指用垂直于叶片长度方向的平面去截叶片而得到截面形状。一叶片的相关术语tUαAB后缘：翼型的尖尾（B点）。后缘角：后缘处上下弧线之间的夹角。前缘：翼型周线圆头上距后缘最远的点（A点）。前缘半径rN：翼型前缘处内切圆的半径。rN与t之比称相对前缘半径。翼弦（弦长）：连接翼型前后缘的直线段（AB)，为弦线，长度为t。叶片根部剖面的翼型弦长称根弦，尖部剖面翼型弦长称尖弦。3tUαABδmaxfmaxxδxf翼型厚度：剖面上下表面垂直于翼弦的直线段长度，以δ表示。其最大值常作为

2、翼型厚度代表。翼型的中弧线：翼弦上各垂直线段的中点的连线（虚线）。中弧线到翼弦的距离叫翼型的弯度，并有一最大值fmax。相对厚度：最大厚度与翼弦之比，。通常取3～20%。最大厚度点离前缘的距离为xδ，通常用相对值：叶片面积Ab：叶片在旋转平面上的投影面积。叶片平均几何弦长：叶片面积与叶片长度的比值。4风轮：多个叶片固定在轮毂上就构成了风轮。旋转平面：与风轮轴垂直，由叶片上距风轮轴线坐标原点等距的点旋转切线构成的一组相互平行的平面。风轮直径(D)：风轮扫掠圆面对直径。风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh与风轮直径之比。二叶轮的几

3、何定义与参数风轮旋转平面rR叶片长度(H)：叶片的有效长度，H=(D-Dh)/2。叶片数(z)：风力涡轮的叶片数目。叶素：风轮叶片在风轮任意半径r处的一个基本单元。它是由r处翼型剖面的延伸一小段厚度dr而形成。U(1-a)ΩrrδrΩ5第二节动量理论贝茨理论缺乏对风电机组气动设计的具体指导，但可用于风轮的基本气动原理的分析，是风能利用的基础。采用的假设：（1）气流为连续、不可压缩的均匀流体；（2）无摩擦力；（3）风轮没有轮毂，叶片无限多；（4）气流对风轮面的推力均匀一致；（5）风轮尾流无旋转；（6）在风轮的前远方和后远方，风轮周围无

4、湍流处的静压力相等。6A2v1vv2风轮p+p-A1Ap∞p∞现象：（1）风轮前后截面流量相等；（2）风通过风轮时，受风轮阻挡被向外挤压，绕过风轮的空气能量未被利用；（3）若v1-v2=0，通过叶轮的空气动能不变，没有能量转换；（4）若v2=0，没有气流通过风轮，依然没有能量转换。7根据不可压缩流体连续性方程A2v1vv2风轮p+p-A1Ap∞p∞据动量方程得风轮受到空气的推力为推力还应该等于风轮前后静压力差与风轮面积的乘积，即由伯努里方程得8即引入速度减少率a（轴向诱导因子）：则从风轮中得到的功率P(W)为单位时间内动能的变化，故

5、9风的功率为求解得a=1或a=1/3a=1舍去，故a=1/3，可得最大功率系数：风轮从风中所获得的能量的最高效率不超过59.3%功率系数为令(贝茨极限)10讨论：（2）推力系数为（1）功率系数为（3）贝茨极限为0.593。实际上，由于风速、风向随机变化等复杂的气动问题，以及叶片表面粗糙度的摩擦损失等方面的影响，一般认为功率系数达到40%就比较满意了。（4）11v1vFD旋转放置在速度为v1的气流中的物体所受阻力为相对风速风速为v1，叶轮速度为v，则相对风速为vr=v1-v故阻力为风轮获得的功率为速度减少率a：二阻力型风力发电机组的最

6、大功率系数12功率系数为令求解得a=0或a=2/3a=0舍去，故a=2/3，可得最大功率系数：13第三节闭式风轮将风轮放到扩压管中，其风能利用系数有可能超过贝茨极限。v1vv2定义放大系数：则，闭式风轮的功率系数为14独立风轮独立风轮的质量流量：闭式风轮的质量流量：则表明：闭式风轮的功率系数的相对增加等于质量流量的相对增加。15CFD计算结果独立风轮理论值独立风轮计算值闭式风轮计算值CTCP00.20.40.60.810.20.40.60.81闭式风轮的功率系数高于独立风轮的贝茨极限；但取决于扩压管实际几何形状，并由扩压管产生的升力

7、。需实验验证，并考虑增加的能量输出与建造扩压管和相应的支撑结构的额外费用。16第四节叶素理论假设：各叶素间的气流流动相互不干扰——叶素为二维翼型；通过对作用在叶素上的载荷分析并沿展向求和，可得到作用在风轮上的推力和转矩。U(1-a)ωrrδrωαβφWU∞(1-a)风速U∞ωr(1+a')风轮旋转平面风轮旋转运动方向垂直来流风速U∞，叶片旋转角速度ω17αβφWU∞(1-a)风速U∞ωr(1+a')风轮旋转平面风轮旋转运动方向1几个角度（1）入流角(倾角)φ风轮旋转平面：与风速垂直的平面叶素旋转产生的旋转气流运动与风的气流运动合成为

8、实际的气流的入流速度W。入流角φ：实际气流入流速度与旋转平面的夹角（2）桨距角(安装角、节距角)β：叶素弦长与风轮旋转平面的夹角（3）攻角α：叶素弦长与入流速度方向的夹角。说明：由于W随半径变化，故攻角为一动态角。设计中，一般使升力和