空气动力学考试题与答案

(1~6)

一、概念

1、理想流体：忽略粘性的流体。

2、粘性：当流体各流层间发生相对滑移时，流体内部表现出阻碍这种相对滑移的性质。

3、完全气体：忽略气体分子的体积，忽略分子间引力和斥力，忽略碰撞完全弹性。

4、等温压缩系数：在可逆定温过程中，压力每升高一个单位体积的缩小率。

5、绝热压缩系数：在可逆绝热过程中，压力每升高一个单位体积的缩小率。

6、热胀系数：在准平衡等压过程中，温度每升高一个单位体积的膨胀率。

7、功率系数：风（空气）实际绕流风机后，所产生的功率与理论最大值P max=1/2ρV02A之比。

8、贝兹极限：功率系数的最大值，其数值为0.593。

9、弦长：前、后缘点所连接直线段的长度。

10、骨架线（中轴线）：风力机叶片截面上内切圆圆心的连线。

11、弯度、最大弯度：中轴线与几何弦长的垂直距离称为弯度；中轴线上各点弯度不同，其中最大值为最大弯度。

12、拱度、最大拱度：截面上弦的垂线与轮廓线有两个交点，这两个交点之间的距离称为拱度；截面上弦的垂线上的拱度不同，其中最大值为最大拱度。13、NACA4412：“NACA”，美国航空总局标志；第一个“4”，表示最大弯度出现在弦上距前缘点4/10弦长处；第二个“4”，表示最大弯度为弦长的4%；“12”表示最大拱度为弦长的12%。

14、简述绕流翼型产生升力的原因。

无穷远处均匀来流，绕流如图所示翼型，在尾部锐缘点处产生一个逆时针的漩涡，均匀来流无涡，因此在翼型表面形成一个与尾涡大小相当，方向相反，顺时针漩涡，使上表面流速加快，下表面流速减慢，由伯努利方程，上表面流速减慢，压力增大，上下表面压差产生升力。

15、写出理想流体的伯努利方程（不计重力），并说明其物理意义。

P+1/2ρV2=常数（P/ρ+1/2=常数）

物理意义:流体压力势能与动能之间相互转化，二者之和守恒。

16、简述风能本身及当前风力发电产业链的优缺点。

风能本身优点：清洁、可再生、无污染、分布广

缺点:过于分散、难于收集、稳定性差

风力发电产业链优点：可再生、分布广

缺点：过于分散、难于集中与控制、稳定性差、使用寿命短、成本高17、风力机叶轮转速是多少？20~50r/min

励磁电机转速是多少？1000r/min、1500r/min、3000r/min

如何实现变速？通过变速齿轮箱来实现

二、图表分析与简答。

1、P27 图4.4

①推力系数C T关于a=0.5对称。当a=0.5时，C T取最大值，C Tmax=1;当a=0或1时，C T取最小值C Tmin=0;②功率系数C p在a≈0.33时，取最大值，C pmax≈0.59

（0.6，略小于0.6）；当a=0或1时，C p 取最小值，C pmin =0。

2、P37 图5.2与图5.3

图5.3 说明在同一推力系数下，闭式风轮的功率系数（功率）大于开式风轮；开式风轮的最大值略小于0.6，而闭式风轮没这个限制；其功率系数可接近1；采用闭式风轮后，最大功率系数C pma 所对应的推力系数C p 变小。

图5.2 说明采用闭式风轮后，C p.d 大于C p.b ，同时流经风力机叶片的质量流量也有所增加，md>mb ；二者的增加率相等，即C p.d /C pb =m d /m b ；最小增加率略大于50%，最大增加率80%左右。

3、比较各功率系数C p 计算公式，①Cp=4a(1-a)2

②

⎰-=λ

λ03)1('28/Cp dx x a a

③

⎰-=λ

λ03)1('28/Cp dx Fx a a

①仅考虑了一维动量理论，未考虑尾涡损失，更未考虑仅有的3个叶片不能充满整个风力机的叶片旋转平面，因此计算结果较大，误差也大；②考虑了尾涡损失，但未考虑仅有的3个叶片不能充满整个风力机的叶片旋转平面，因此计算结果中等，误差居中；③但考虑尾涡损失，又考虑仅有的3个叶片不能充满整个风力机的叶片旋转平面，因此计算结果最小，但最精确。

4、经典的叶素动量理论做了哪些假设？普朗特叶尖损失因子是对其中哪个理论的修正？

（1）空气是完全气体，密度均匀，不可压缩；（2）空气是理想流体，即忽略空气粘性；（3）径向性质相互独立，即在某个单元发生的情况不影响其他单元；（4）每个环形单元中，叶片作用在流体上的力是定常的；该假设对应叶片无穷的风轮。 对（2）进行了修正。

(7～~15章)

1.简述控制/调解的目的与方法.

目的:保证风力机运行在设计范围内，

（1）风力机转速保持在特定范围内。

（2）风力机能偏航。

（3）功率输出保持在一定范围内。

（4）风力机能启动和停机。

方法:为了限制高风速时的功率输出,可采用以下四种策略，其中前两种最常用。

(1)失速调节。

(2)桨距调节。

(3)偏航调节。

(4)变速。

2.已知发电机的极对数P=1,2,3,求转速n 。

P=1，n 1=60f/p,n=3000r/min

P=2,n 2=1500r/min

P=3,n

=1000r/min

3

3简述失速产生原因，及其对气（汽）轮机危害。

当攻角α过大（α>15º）时，尾涡前移，使绕流不畅，阻力加大，升力锐减，造成失速；前移尾涡内，空气对叶片有磨损和腐蚀作用，缩短气（汽）轮机使用寿命，甚至直接损坏，飞机失速可能造成机毁人亡。

4.P56 图7.3，说出失速调节的优缺点。

图1，风速在16～24m/s内变化，平均风速20m/s，浮动范围±4m/s,浮动率±20%；

≈100r/min,图2，起初τ=400~420s，风力机未启动，异步发电机转速很低，n

开始从100 r/min 但未静止，接下来τ=420～445s左右启动，风力机开始启动，n

上升至1600 r/min﹥1500 r/min，τ=445s后，风力机完全启动，此时转速完全稳定在1600r/min，虽稳定但略大于1500 r/min；图3，τ=420～445s左右，即风力机完全启动前发电机功率为零，在τ=445s左右瞬间，发电机功率经历三次突变，先充当电动机，再跳落至1.5MW，后回落至1.1MW，幅度±0.1MW，浮动率±9.1%，远小于±20%，平均功率略大于1MW.

由此可见失速调节优缺点：

优点：调节结果稳定，功率和转速稳定；

缺点：在风力机完全启动瞬间，会发生接连三次功率突变，损害发电机；此外，风力机停不下来，正常运行时功率较大。

5.从原理上看，桨距调节和失速调节有什么不同？

每一个叶片都可以配置一个小的电动机，这样每一个叶片的桨距都可以单独调节。桨距角已经调节的叶片可以发挥启动刹车的作用，因此，在桨距调节风机中，无需像失速型风机那样，在叶尖配置启动刹车。通过调节整个叶片的桨距角就有可能控制叶片攻角，从而控制功率输出。

6.P59 图

7.5（图1 图3）说明桨距调节的优缺点。

图1，风速变化大致在10～25m/s内变化，平均风速17.5m/s，浮动范围±7.5m/s，浮动率±37.5%；图3，在0～200s内，风力机未启动，异步发电机功率P=0，转速n

=0；200～250s，风力机开始启动，功率开始逐步振荡上升，在250s左右，0

风力机正常运行，异步发电机功率维持在1MW上下，振幅约±0.3MW，有时达到±0.5MW，浮动率±30%，有时达±50%。

优点：不再有突变，可以停机，调节后输出功率和转速均值维持在额定值1MW 和1500 r/min。

缺点：输出功率和转速振幅较大，不稳定。

7.P64 图7.12，说明该风力机在不同来流风速下，转速与输出功率的关系？

相对同一来流风速，随转速的增加，功率先增加后减小，相对不同的风速，同一转速下，来流风速越大，输出功率越大；不同风速下，最大功率所对应的转速不同，该转速随来流风速的增加而增大。

8.从纯技术角度讲，什么是风机最优化设计？

从纯技术观点来看，所谓最优化设计，就是给定风轮直径的风力机每年能获取尽可能多的发电量。

9.P68 图8.1，对风力机采用哪种设计，为什么？

采用设计2。

设计1虽然在设计风速上取得最大功率，但是达不到贝兹极限Cp=0.593。而风速稍有偏离，Cp值下降快，功率系数不稳定，年发电量小；设计2在设计风速上取得平稳功率，虽然Pmax远离贝兹极限，但当风速偏离时，Cp值几乎不下降,