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1、空气动力学原理,气流绕过物体的流动 1.势函数的性质 1）等势面与流线垂直 将流场中速度势相等的点连接起来，形成一个空间曲面，称为等势面。在平面流中，称为等势线。在等势面上,2）速度势在任何一个方向上的偏导数，等于速度在该方向上的投影 根据数学上方向导数的概念，速度势在任意方向l上的方向导数为,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。 存在速度势,当常数时，x常数，所以等势线是xc的一族与y轴平行的直线。 存在流函数,平行流的等势线和流线图,流体从平面上一点均匀地向四周流出，一直流向
2、无穷远处，这样的流动称为平面点源。流体流出的点称为源点，单位时间内流出的体积流量称为源强，用qv表示。 速度 势函数,4.偶极子 一对等强度的点源和点汇距离为零时，称偶极子,5.平行流绕圆柱体无环流流动,阻力定义 粘性阻力 物体前后压力,圆柱表面的压强分布,2、翼型受力分析 环流的存在导致了叶片的工作。,F翼叶上受的气动力，与翼弦AB垂直； FL作用在风轮旋转平面上升力； FD作用在垂直风轮旋转平面上阻力。,(a) 00迎角绕流,(a) 00迎角绕流,(b) 50迎角绕流,翼型绕流图画,(c) 150迎角绕流,(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
3、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
4、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。,当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角）时，升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升。,总空气动力,阻 力,升 力,升力系数,阻力系数,总的空气动力系数,对于同一种翼型（截面形状），其升力系数和阻力系数的比值，被称为升阻比（k）：,压力中心 正常工作的翼片受到下方的气流压力与上方气流的吸力，这些力可用一个合力来表示，该力与弦线（翼片前缘与后缘的连线）的交点
5、即为翼片的压力中心。对于普通薄翼型，在攻角在5至15度时，压力中心约在翼片前缘开始的1/4的位置。,翼的俯仰力矩,翼的俯仰力矩系数,L-翼的弦长,(苏绍禹),相对风速 下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到的风速称为相对风速w，它是叶片的线速度（矢量）u与风进叶轮前的速度（矢量）v的合成矢量 w=u+v,埃菲尔极线,升力、阻力曲线,埃菲尔极线,埃菲尔极线,曲线上的每一个点与原点的连线代表总气动力系数的大小和方向，自然我们可以在埃菲尔曲线上找到升力阻力和总气动力的真实关系 过原点的射线与埃菲尔极线相切的点所对应的攻角是最佳攻角。,由图可知： 切点处升阻比最大,叶素弦长、安装角 在叶
6、尖（r0.8R）选用最佳安装角，靠近叶跟处增大攻角来减小弦长，且功率下降不多。,叶片翼型的空气动力学基础,1、叶片翼型几何参数： （1）翼的前缘； （2）翼的后缘； （3）翼弦； （4）翼的上表面 （5）翼的下表面 （6）翼的最大厚度h （7）叶片安装角,（8）迎角（攻角） （9）入流角,三、功率调节,当风速达到某一值时，风力发电机组 达到额定功率。由于风速和功率是三 次方的关系，风速再增加，发电机就会 过载，必须有相应的功率调节措施，使 机组的输出功率不再增加。目前主要有 两种调节功率的方法，都是采用空气动 力方法进行调节的。 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
7、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。,就像图2.7所示的那样。,一旦迎角达到失点，叶素将进入失速区，CL减小，CD增加，这两个变化导致扭矩减 小，功率也 跟着减小。 但由于阻力 项的增加， 作用在机组 上的力是增加的。,注意: 失速不总是在同一迎角下，而与迎角变化有关(如阵风)，是一个动态变化过程。在失速与气流恢复到正常流动之
8、间，有滞后现象存在，造成叶片受力变化很大。 失速型机组对安装角比较敏感，叶片的安装角要尽量达到最佳，以免影响机组额定出力。另外失速型机组受空气密度的影响也比较大，在高海拔地区有可能达不到其额定输出。,优点： 1）叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单，费用低； 2）没有功率调节系统的维护费; 3) 在失速后功率的波动小。 缺点： 1）气动刹车系统可靠性设计和制造要求高 ； 2）叶片、机舱和塔架上的动态载荷高； 3）由于常需要刹车过程，在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷； 4）起动性差； 5）机组承受的风载荷大； 6）在低空气密度地区难以达到额定功率。,2、变桨距控制,叶片与轮毂通过轴承机构联
9、接。,变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，使翼型升力变化来进行调的。变桨距控制多用于大型风力发电机组。 变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。,变桨调节时叶片迎角可相对气流连续变化，以便使风轮功率输出达到希望的范围。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而限制功率。,优点： 1）起动性好； 2）刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降； 3）额定点以前的功率输出饱满； 4）额定点以后的输出功率平滑； 5）风轮叶根承受的静、动载荷小。 缺点: 1) 由于有叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高。 2) 功率调节系统复杂，费用高。,另外，还有一种功率控制方式 主动失速控制 在额定功率点以前，叶片的桨距角是固定不变的，与定桨距风轮一样； 在额定功率以后（即失速点以后），叶片失速导致风轮功率下降，风轮输出功率低于额定功率，为了补偿这部分损失，适当调整叶片的桨距角，来提高风轮的功率输出。,