風力機空氣動力學-chenww

1、第3章風力機空氣動力學風力機空氣動力學3.1概述概述風力機功率的產生仰賴于轉子和風之間的相互作用。如第2章所述，風的流動可以看做是由均勻流動和劇烈波動疊加而成。經驗表明，風力機性能（指輸出功率和平均負載）的主要是由均勻流動部分產生的氣動力所決定。周期性的氣動力可以由切變風、偏軸風（offaxiswinds）、轉子旋轉和由空氣紊流和動力學影響誘發(fā)的隨機脈動力引起，它是疲累負載的來源，也是影響風力機峰值負載的一個因素。這些當然很重要，但是只

2、有熟悉了穩(wěn)態(tài)運行的空氣動力學才能理解。因此本章首先關注的是穩(wěn)態(tài)運行的空氣動力學現(xiàn)象，關于非穩(wěn)態(tài)空氣動力學的復雜現(xiàn)象將在本章結尾簡要介紹。實際設計的水平軸風力機通過槳葉將風的動能轉變有用的能量。本章提供了相關背景材料，幫助讀者理解漿葉工作中動力的產生，計算優(yōu)化葉形，分析已知葉型和漿葉特性的轉子的空氣動力學性能。多位作者已經給出了預測風力機轉子穩(wěn)態(tài)性能的方法。古典的風力機分析方法最初是由Betz和Glauert(Glauert1935)在2

3、0世紀30年代發(fā)展的。隨后，理論被發(fā)展并且可以使用計算機求解(seeWilsonLissaman1974Wilsonetal.1976deVries1979)。在所有這些方法中，結合動量理論和葉片微元理論（bladeelementthey）形成的帶流理論，能夠計算轉子環(huán)形截面的工作特性。本章將運用帶流理論，通過對每個環(huán)形截面的特性值求積分或求和得到完整轉子的特性。本章首先分析了理想風力機轉子，介紹相關的重要概念并闡述了風力機轉子及其繞流

4、氣體的一般特性。這些分析也適用于確定風力機的理論極限性能。之后將介紹一般的空氣動力學概念，用于評價利用漿葉產生動力相對于其他方法的優(yōu)勢。本章的大部分內容詳細說明古典分析方法對水平軸風力機的分析，以及一些應用實例和應用。首先詳述了動量理論和葉片微元理論的發(fā)展，以及用它計算簡單、理想運行狀況下的最佳葉型。這就是風力機普通葉型的由來。結合這兩種方法得到帶流理論或者稱為葉片微元動量（BEM）理論，利用這種理論確定出對風力機轉子進行空氣動力學設計

5、和性能分析的流程。論述了氣動損失和非設計工況下的性能，并且開發(fā)出適用于更接圖3.1風力機Actuatdisk模型；U，平均風速；1，2，3和4指示位置由控制體積所包圍的整個系統(tǒng)線性動量守恒，可以得到作用在控制體上的合力與風作用在風力機上的推力T大小相等方向相反。由動量守恒定理和不可壓縮定常流動假設，得到推力與氣流動量改變大小相等、方向相反：(3.2.1)1144()()TUAUUAU????這里是空氣密度，是橫截面，是空氣速度，圖3.1

6、下方是橫截面編號。?AU對于穩(wěn)態(tài)流動，，是質量流量，因此：14()()AUAUm????AmA(3.2.2)14()TmUU??A由于推力作用在葉輪正面，所以葉輪后面的氣流速度小于自由流速度。4U1U葉輪的另一面不做功。因而伯努里方程可被用于轉子兩側的兩個控制體中。在轉子上游的流管中：(3.2.3)221122pUpU???????在轉子下游的流管中：(3.2.4)223344pUpU???????假定遠上游和遠下游氣流壓力相等（），并