风力机空气动力学全解共111页文档
第二章-风力机的基本理论及工作原理
4）风杯式阻力差风力机 两个半球面杯对称安装在转轴两 侧，球面方向相反。一个凸面向 风，另一个凹面向风，显然在相 同风力下后者对风的阻力比前者 大。
叶轮由两片垂直的叶片阻成，叶片 截面为流线型的对称翼型，以相反方 向安装在转轴两侧。
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达里厄风力机在低风速下运转困难， 要在较高的风力下，风轮转速达到 叶尖速比为3.5以上才可能正常运 转，在尖速比为4-6可获较高的功 率输出。下图为达里厄风力机的功 率系数与叶尖速比的关系曲线。
达里厄风力机对叶片截面 形状（翼型）选择与外表光洁 度要求比较高。达里厄风力机 不能单靠风力自起动，必须依 靠外力起动使叶尖速比达到 3.5以上时才能依靠升力运转。 典型的达里厄风力机翼片不是 直的，而是弯成弧形，两翼片 合成一个φ形。
关系到叶片的攻角，是分析
风力机性能的重要参数。
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实度比
▪ 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积） 之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。
▪ 左图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积， B为叶片个数，R为风轮半径，σ为实度比，
▪ σ=BS/πR2
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▪ 右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长， B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，σ 为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径 与叶片长度的乘积，
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风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh
与风轮直径之比。
U(1-a)
风力发电机运行的空气动力学原理解析
风力发电机运行的空气动力学原理解析风力发电机是一种利用风能转化为电能的设备，利用空气动力学原理进行运行。
空气动力学是研究空气在物体表面流动时所产生的力学效应的学科，其中涉及到的流体力学、空气动力学和结构力学等知识领域。
本文将从风力发电机的构成和原理、空气动力学原理以及风力发电机的运行过程等方面对其运行原理进行分析和解析。
首先，风力发电机由风轮、主轴、发电机以及塔架等构成。
其中，风轮是最重要的部件，它是通过空气动力学原理将风能转换为机械能。
风轮主要由叶片、主轴承和转子组成，其中叶片是最关键的部分。
在运行过程中，当风流通过风轮的叶片时，由于叶片的形状和倾斜角度，会使得风流产生一定的压力差，从而使风轮转动。
风轮的转动通过主轴传递给发电机，由发电机将机械能转化为电能。
其次，风力发电机的运行离不开空气动力学原理的支持。
当风流通过风轮的叶片时，由于风流的高速流动和叶片的形状等因素，会在叶片上产生压力差。
根据伯努利定律，当流体速度增加时，压力就会下降，而风轮叶片的形状和倾斜角度使得上表面的流速较快，下表面的流速较慢，从而产生了压力差。
此时，风流将从高压区域流向低压区域，推动风轮转动。
这就是风力发电机利用空气动力学原理来转换风能的过程。
风力发电机使用的是无驱动翼型，即在风流作用下产生升力来推动转子转动。
翼型的选择非常关键，不同的翼型会有不同的气动性能，影响着风力发电机的效率和输出功率。
一般而言，翼型的厚度比例愈小，气动性能愈好，当然翼型的选择还要结合具体的风力工况。
在实际应用中，常用的翼型有NACA系列翼型、稳定翼型等。
最后，风力发电机的运行过程可以简单概括为：当风力达到一定速度时，风轮开始转动，这时发电机开始工作，将机械能转化为电能。
随着风力的增大，风轮的转速也会增加，进而提高了发电机的输出功率。
另外，为了保证风力发电机的安全运行，还需要考虑风轮的稳定性和抗风性能。
在强风条件下，风力发电机会自动启动风刹系统，将风轮停止旋转，以避免因风力过大导致设备损坏。
风力机空气动力学-第四章解析
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《风力机空气动力学》
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§4-2：基础理论
与前面比较，本节考虑风轮尾流的旋转。 气流在风轮上产生转矩时，也受到风轮的反作用力，由此气流产生了 一个反向的角速度，使尾流以相反的方向转动。
新能源、可再生能源 ➢ 我国丰富的风资源与
政府的大力支持 ➢ 风能是有很强综合性的
技术学科
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§4-1：概述
研究内容
➢ 风力机空气动力模型； ➢ 风力机翼型空气动力特性； ➢ 风力机叶片空气动力设计； ➢ 风力机风轮性能计算； ➢ 风力机空气动力载荷计算； ➢ 风力机气动弹性稳定性和动力响应； ➢ 风力机空气动力噪声和风力机在风电场中的布置等。
图３-１ 风轮流动的单元流管模型
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§3-2：基础理论
假设来自远前方的流管，在叶轮激盘处恰与激盘外径相切，并伸 向下游，如此建立控制体。
应用一维动量方程得
激盘前后区域应用伯努利方程
T m V1 V2
m 单位时间流经风轮的空气
风轮处的质量流量：VA ，那么
T AV V1 V2
V
2 3
V1
V2
1 3
V1
V2/V1
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风轮附近速度和压力的变化规 律
➢ 风力平面处的风速总比来流小 （风轮吸收了功率）
➢ 本模型假设尾迹不旋转，意味着 在转动尾迹的动能中没有能量损 失。
✓ 实际上肯定是有损失的。
➢ 即使对最佳设计的风轮也不可能 系数60％的风动能。
V12
V22
1 AV
2
空气动力学原理
空气动力学原理
空气动力学是研究空气流动的力学学科，它涉及空气流动的形态、物理性质、温度、压强等特性及其在器件内的传播。
它是飞行器设计的基础，是军事飞行器、商业飞行器、宇宙飞船和气象飞艇的关键技术，也是其他航空器件，如风力涡轮机、涡轮机和火箭发动机等的关键技术。
空气动力学解释了空气流动的相互作用，反映了空气中的压强和温度的变化。
它涉及流体力学中的许多概念，如流体的流动、静力学、压力分布、流速、热传导和湍流等，以及空气中的湍流、紊流和涡轮流等。
空气动力学的应用非常广泛，在航空领域，它可以帮助研究人员设计更有效的飞行器，提高飞行器的性能，提供有效的抗阻能力和操纵性能。
它也可以用于研究飞行器的气动设计，改善空气动力学表现，以及飞行器发动机和空气动力学系统的设计。
空气动力学也可以用于研究其他流体，如水流、气体流动和热流等，用于研究建筑结构、汽车发动机、涡轮机和火箭发动机的流体力学。
总之，空气动力学是一门涉及空气流动的力学学科，其应用非常广泛，在航空工程、热力学、流体力学和燃料动力学等领域有着重要作用。
风力发电机空气动力学
风力发电机空气动力学摘要：本文从风力发电机空气动力学研究意义出发，通过翼型、叶轮、风场和尾流的讲解详细阐述了风力发电机空气动力学产生的原理及研究方法，对今后系统性的研究风力发电机空气动力学研究有着重要的指导意义。
关键词：风力发电机；空气动力学；研究方法引言随着工业化的发展导致环境污染问题日益严重，保护环境是人类长期稳定发展的根本利益和基本目标之一，实现可持续发展依然是人类面临的严峻挑战。
我国也意识到环保事业的重要性，逐步开发风力发电、光伏发电等可再生资源。
其风力发电机主要的动力为风载，目前国内外风力发电量主要受到风载的影响，然风载原理即为空气动力学，因此对风力发电机空气动力学的研究极为重要。
一、风力发电机翼型1.1翼型空气动力产生原因伯努利方程：定常、忽略粘性损失的流动中，动能、压力势能、位势能之和不变；p+1/2ρv^2+ρgh=C流速高处压力低，流速低处压力高。
特点：a）最大升力系数对前缘粗糙度不敏感；b）表面清洁时，NREL翼型有着较小的表面摩擦阻力；c）失速平缓，升力系数不会出现较大的波动；DU系列二、风场和尾流2.1叶片截面翼型分布三、风场和尾流3.1风力机尾流气动特点a）尾流区域划分为近尾迹区（<3D）和远尾迹区（>3D）；b）尾流中速度亏损，湍流度增加；c）尾流区域内、外流体掺混，随着距离增加，又逐渐恢复到自由入流水平（>10D）；d ）尾流流动特征与风资源（切变、湍流）、大气稳定性、叶轮气动特性、地形等密切相关。
四、结束语在风力发电机风载利用过程中对空气动力学的了解有着重要的意义，通过以上的叙述可以使我们对风力发电机空气动力学研究及分析有着重要的理论支持，对今后风电行业的发展有着重要的指导作用。
参考文献：[1] 贺德馨. 风工程与工业空气动力学[2] Hansen M. Aerodynamics of wind turbines风力机空气动力学肖劲松译[3] Burton T. Wind energy handbook风能技术武鑫等译。
风力机空气动力学-chenww.
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-axis winds）、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(see Wilson and Lissaman, 1974, Wilson et al., 1976 and de Vries, 1979)。
在所有这些方法中，结合动量理论和叶片微元理论（blade element theory）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，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。
风力发电的空气动力学原理剖析
风力发电的空气动力学原理剖析风力发电是一种利用自然风力来转化能源的发电方式。
它是一种清洁、可再生的能源，对环境友好，并且具有广阔的发展前景。
为了深入了解风力发电的原理，我们需要对其空气动力学原理进行剖析。
首先，风力发电的核心设备是风力发电机组，而其中最重要的部件是风力涡轮机。
风力涡轮机通常包括三个主要部分，即风轮、轴承和发电机。
风轮是最直接与风能接触的部分，其主要功能是接收风能，并将其转化为机械能。
轴承则用于支撑和旋转风轮，确保其能够在风力作用下转动。
而发电机则负责将机械能转化为电能。
风力涡轮机的工作原理可以通过两个主要的空气动力学原理来解释，即伯努利原理和牛顿第三定律。
首先，根据伯努利原理，当风通过风轮时，会在风轮的一侧产生一个低压区域，而在另一侧产生一个高压区域。
这是由于风轮的形状和旋转引起的。
根据伯努利原理，风的速度越高，其压力就越低。
因此，风轮受到的压力差将会产生一个向轴线方向的力，从而推动风轮旋转。
这样，风轮就将风能转化为机械能。
其次，根据牛顿第三定律，当风轮受到风的作用力时，它会产生一个等大反向的反作用力。
这意味着，风轮受到的力会使整个发电机组产生一个相反方向的力，从而推动整个发电机组朝向风的方向移动。
为了使整个发电机组保持稳定，通常会设置一个朝向风的机械装置，使其能够转向并调整风轮的角度，以确保与风的方向保持一致。
除了这两个主要的空气动力学原理外，还有一些其他因素也会影响风力发电的效率，例如风速、风向、风轮的形状和尺寸等。
风速是决定风力发电效果的重要因素之一，因为风速越高，风轮受到的风力就越大，转化的能量也就越多。
同时，风向也会影响风轮的受力情况，因为只有朝向风的风轮才能最大程度地接收风能。
总的来说，风力发电是一种利用风能来转化为机械能再转化为电能的发电方式。
它借助空气动力学原理，通过风轮的旋转和风力的作用，将风能转化为机械能。
随着技术的不断发展和进步，风力发电将会扮演越来越重要的角色，为解决能源问题和保护环境做出更大的贡献。
风力发电技术-空气动力学基础
风力发电机的空气动力特性
主要内容
2.1 风力发电机的概念及结构 2.2 风轮的几何参数 2.3 翼型的几何参数 2.4 翼型的空气动力特性 2.5 叶素上的气动推力和转矩 2.6 风轮上的总气动推力和总转矩
2.1
风力发电机的概念及结构
风力发电就是将风的动能转换为风轮的机械能，风轮再带动 发电机发电，将机械能转换为电能。
2.6
风轮上的总气动推力和总转矩
δr
叶素理论：
将叶片沿展向划分成很多小的微元段，这些微元段统称为叶素。作用在每个 叶素上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。
2.6
风轮上的总推力和总转矩
V
由于升力和阻力是相互垂直的, 故
W
2.4
翼型的空气动力特性
翼剖面的升力特性
翼型的升力特性用升力系数CL随攻角的变化曲线 （升力特性曲线）来描述。如图。 CL CLmax
0
Hale Waihona Puke CT 当=0 °时， CL﹥0，气流为层流。 在0～CT之间，CL与呈近似的线性关系，即随 着的增加，升力FL逐渐加大。 当=CT时，CL达到最大值CLmax。CT称为临界攻 角或失速攻角。当>Ct时，CL将下降,气流变 为紊流。 当=0(<0)时， CL=0，表明无升力。0称为零 升力角，对应零升力线。
第一章、水平轴风力机的空气动力学与风力发电原理
设风轮前方的风速为 , 是实际通过风 v1 v 轮的风速， 是叶片扫掠后的风速，通过 v2 风轮叶片前风速面积为 ，叶片扫掠面的 s1 风速面积为 ，风轮扫掠后的风速面积 s 为 。
s2
风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化 为叶片转动的机械能，则必有 〈 ， 〉 。
v 2 v1
s2
s1
s
V 0.86B
3 2
风速在一天之中都在发生变化。地。海拔较高 的山顶是白天风弱，夜间风强；沿海 地带是白天风强，夜间风弱。
风速在一年四季都在发生变化。一年之中 由于地球表面高压区、低压区的变动，风 的速度与方向也在发生变化。一般来说， 夏季的平均风速要比其它季节平均风速低。
风能随高度变化
在地球表面100—6000米的范围内。风速 一般随高度增加而增大。气象学家把这个 范围做大气边界层。把风速随高度变化的 图形叫风速剖面。在风速剖面上，风速变 化很小，只受最大的地形影响，如山的影 响。
图7 三个高度的风速——时间曲线
图7表示在15、30和100m的平面上空风速 变化。此图表明：在一个很短时间内，风 速是不规则的。在低高度的瞬时风速大于 较高高度的风速也是常见的。
白天
谷 风 陆地 山谷
夜间 山 风
陆地 山谷
图3
山谷风形成的原因
风向与风速
风是一种矢量，它通常用风向与风速 这两个要素来表示。
风向
风向是由风吹来的方向确定。如果风 是从西边吹来的，则称为西风。风向 可以由风向标给出，从风向标相对于 罗盘方位固定臂的位置，可很容易地 看出风的方向。风向必须转动灵活， 且要水平安装在四周空旷的地区，通 常高出地面10m。
太阳对地球表面不均衡地加热，造成 了大气层中温度差。有温度差就会产 生压力差，压力差就使大气运动形成 风。当太阳加热地球一面的空气、水 面和大地时，地球的另一面通过向宇 宙空间的热辐射而冷却，地球每日不 停地转动，使其整个表面都轮流经历 这种加热和散热的周期变化。
风电空气动力学
第三空气动力学新型风力机的设计与开发技术
第一章风力机的设计基础
风力机依靠叶轮汲取风能，叶轮直接决定风力机的、重要性能指标-----风能利用系数。
叶轮性能的好坏则取决于叶轮上叶片的数量和外形设计。
现代风轮叶片的平面形状通常是接近矩形的直叶片，尖削度不大而展弦比比较大。
这样叶片的展向流动是次要的，叶片的气动特性很大程度上取决于叶片的翼剖面形状及其所处的相对位置!也即翼剖面的气动特性是研究叶片性能的关键。
研究绕翼剖面流动比较简单，易于观察、实验、理论推导与分析，同时翼剖面气动特性也是探讨复杂情况的基础。
空气动力学提供了对翼剖而作深入细致研究的理论基础，提供了丰富的翼剖面气动性能试验数据和理论计算方法!为风力机的气动研究和气动设计提供了依据。
近代风力机叶片广泛采用了机翼翼剖面!大大提高了风力机的风能利用系数。
第二节低速翼型空气动力学基础。
风机空气动力学
二维空气动力学叶片细长，展向速度远小于流向速度；二维流动The reacting force F：作用力升力系数、阻力系数、力矩系数均是攻角α，雷诺数Re、马赫数M的函数升力L：垂直于来流；升力系数：在α达到一定值前，升力系数随攻角线性变化，斜率大约为2排/rad；失速后，升力系数以一个非常几何依赖性的方式下降；阻力D：平行于来流；阻力系数在小攻角时几乎是一个常数，但是在失速后迅速增大；对于阻力系数，当雷诺数达到一定值时，雷诺数对其的影响很小。
升力阻力方向力矩M：作用点1/4弦长处；力矩系数雷诺数的影响主要和翼型边界层发生层流到湍流转变的点有关；翼型的失速依赖于几何形状；薄翼型的前缘曲率大，比厚翼型更易发生失速。
如果分离发生在翼型后缘，并且随着攻角的增加变化缓慢，这是一个平缓的失速；但是如果分离开始于翼型的前缘，整个边界层可能随着升力的突然下降而同时发生分离。
粘性边界层的性质非常复杂，和翼型的曲率、雷诺数、表面粗糙度，高速时的马赫数都有关系。
层流翼型三维空气动力学定量的描述流体流管三维翼，展向升力分布对上游流动及当地迎角的影响；翼是有限长度，以翼型为截面，上下表面存在压力差从而产生升力的横梁；尾涡小攻角，无粘，Laplace方程、Kutta-Joukowski方程一个强度为的涡线代替翼型；小攻角时，3维翼产生的升力用一系列展向的涡线模拟（附着涡）；尾涡模拟三维翼产生的涡流层。
由Biot-Savart定律知，自由涡在任意展向诱导产生一个向下的速度分量W为诱导速度Multhopp’s solution of Prandtl’s integral equation在旋转的叶片失速后，科氏力及离心力边界层分离中起着重要的作用；在分离的边界层中，相对于离心力，速度和动力都比较小，离心力式流体沿展向流向叶尖；科氏力产生顺压力梯度使流向叶尖的流体向尾缘偏离；科氏力和离心力改变了失速后二维翼型的数据风力机后的涡系由于水平轴风力机有旋转的叶片组成，那么必然存在与线性平移翼相似的涡系。
第一章水平轴风力机空气动力学与风力发电原理
图8 不第一同章水高平风度轴力风发的力电机速原空理气度动—力学—与 时间曲线
▪ 图8表示在十个不同高度上一天以内各个时 间的平均。除最下的两条曲线外，其他数 据都是用气球测得的。在不同高度上，平 均值变化最大的时间是在白天。在一天以 内，平均风速随高度增加。
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
第一章水平轴风力机空气动力学与
图7 三个高风力度发的电原风理 速——时间曲线
▪ 图7表示在15、30和100m的平面上空风速 变化。此图表明：在一个很短时间内，风 速是不规则的。在低高度的瞬时风速大于 较高高度的风速也是常见的。
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
地 面 高 度 （ m）
大都市中心地带 有森林覆盖的乡镇、 平原、沿海
城市郊区
地带
第一章水平轴风力机空气动力学与
图10 地风表力上发电高原理度与风速的关系
区域和当地地形对风能的影响
▪ 我国幅员辽阔，地形十分复杂。局部地形 对风能有很大影响。这种影响在总的风能 资源图上显示不出来，需要根据具体情况 进行补充测量和分析。
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
▪ 信风指在赤道两边的低层大气中，北 半球吹东北风，南半球吹东南风，这 种风的方向很少改变，也叫做“贸易 风”。类似的效应导致了在纬度高于 50°地区的“极区东风”。
第一章水平轴风力机空气动力学与 风力发电原理
▪ 在赤道的南方，地球的自转将向南流 动的空气折向朝东，而向北流动的空 气折向朝西，故在南半球也有类似的 盛行西风、信风和极区东风的情况。 全球性气流的模式如图1所示。