风力机空气动力学常识
3.风力机的空气动力学
6
风力发电机组的原理与控制（二）
风轮前后风速和压力的变化
风速变化是连续的
压力变化是突变的
图2-1 风轮的流管模型
7
风力发电机组的原理与控制（二）
动量定理推导（一）
伯努利方程
1 2 v p gh const 2
理想流体定常流动的动力学方 程，流体在忽略粘性损失的流 动中，流线上任意两点的压力 势能、动能与位势能之和保持 不变。
（1）弯度的影响 如果翼型存在弯度，即使没有攻角，翼型也 能产生升力和力矩。 当翼型弯度增大时，导致上下表面流速差增 大，从而使压力差加大，故而升力增加，升力系 数增大。特别是对前缘半径较小和较薄的翼型影 响尤其显著。 当翼型弯度增大时，上表面流速加大，摩擦 阻力上升，并且由于迎风面积加大，故而压差阻 力也加大，同时导致阻力上升。 因此，同一攻角时，随着弯度的增加，升力 和阻力都明显增加。但阻力比升力增加更快，升 阻比下降。当最大弯度的位置靠前时，最大升力 系数较大。
v v vd v (1 ) 2
1 2 2 9 Ad (v v ) (v v ) Ad v (1 a ) 2
风力发电机组的原理与控制（二）
动量定理推导（三）
气压力(作用在风轮上) 2 F ( pd p ) A 2 A v d d d a(1 a)
12
风力发电机组的原理与控制（二）
尾流(weak)
风施加在风轮上的力矩有一个大小相等，方向相反的反作用 力矩作用在空气上。它引起空气反向于风轮旋转，空气获得角动 量，其粒子在旋转面的切线方向和轴向上都有速度分量。 13
0.60 0.50 0.40 Cp 0.30 0.20 0.10 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 Tip Speed Ratio 8 9 1016 Betz - Without Wake Rotation With Wake Rotation
风力机空气动力学
第三章风力机气动力学§3.1 总论风力机功率的产生依赖于转子和风的相互作用。
风由平均风和附加于上的强烈的湍流脉动合成。
风力机的平均功率输出和平均载荷等主要性能由平均气流的气动力决定。
周期性的气动力是疲劳载荷源和风力机峰值载荷的一个因素。
周期性的气动力可以由切变风、偏轴风（off-axis winds）、转子旋转、由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起。
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。
本章为读者提供理解翼型产生功率的背景，以计算一个优化的叶片形状作为设计叶片的起点，对已知翼型特性线和叶型的转子分析其气动性能。
本章的大部分内容详细说明了采用古典分析方法分析水平轴风力机。
动量理论和基元叶片理论（blade element theory）构成了片条理论（strip theory）或基元叶片动量理论（BEM）。
以此计算转子环形截面的特性，然后通过积分就可以获得整个转子的特性。
内容分为：1、理想风力机的分析（Betz极限）2、翼型的运行和一般气动力概念3、重点放在水平轴风力机的经典分析方法和一些应用和例子§3.2 一维动量理论和贝兹极限控制体积和理想透平如图，气流通过透平只产生压力不连续，并假设●气流均匀，不可压缩，定常流动●气流无磨擦阻力●透平具有无限多叶片●推力均匀作用在转子叶轮旋转面上●尾流无旋转转子远上游和远下游静压等于无干扰时环境的静压设T 为风作用于风力机上的力，由动量定理可知，透平对风的作用力为：4114()()T m U m U m U U ∙∙∙=---=- (3.2.2) 对于稳态流动，14()()AU AU m ρρ==，m 是质量流量，这里ρ是空气密度，A 是横截面，U 是空气速度。
此外，还由理想流体伯努利方程可知：2211221122p U p U ρρ+=+ (3.2.3)2233441122p U p U ρρ+=+ (3.2.4)因为14p p =，且通过透平的前后速度一样（23U U =）。
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。
第八章 风力机空气动力学 new
V V1 (1 a) V2 V1 (1 2a)
风轮尾流处的轴向诱导速度是风 轮处的二倍。 1 V2 ∴ a 2 2V1 如果风轮吸收风的全部能量，即
而实际情况下，风轮仅能吸收部 分能量，因此 a 1/ 2 。
T
1 AV12 4a1 a 2
V2 0
风能专业课程《风力机空气动力学》源自12§8-1：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。
即、由于流体的粘性，激盘诱导了流动的旋转，导致激盘诱导的速 度沿激盘径向不是常数，或诱导因子a是变化的。同时，由于激盘的 转动，还会对流体产生周向的诱导速度,以及转动力矩，。
如果在风轮处气流的角速度和风轮的角速度相比是个小量的话， 那么一维动量方程仍可应用，仍假设风轮前后远方的气流静压相等。
取控制体如图
风能专业课程《风力机空气动力学》 13
§8-1：基础理论
应用动量方程，作用在风轮平 面圆环上的轴向力（推力）为
：单位时间流经风轮平面 dr dm
圆环上的空气质量流量,即
amax 1/ 2
风轮轴向力（推力）系 数 CT ，则 T CT 1 AV12 2 ∴ CT 4a1 a
风能专业课程《风力机空气动力学》
6
§8-1：基础理论
根据能量方程，风轮吸收的能 量（风轮轴功率P）等于风轮前后 气流动能之差（据假设流动前后静 压不变)
P 1 1 V12 V22 AV V12 V22 m 2 2
风能专业课程《风力机空气动力学》
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§8-1：基础理论
尖速比越大，理论最大功率系数越大 当考虑风轮后尾流旋转时，风轮轴功率有 损失，风轮功率系数要减小 。 在轮毂附近，a就接近其理想值1/3 在转子中叶高以上，b接近于0。
风力机空气动力学知识 64帧
图3-3 NREL S系列翼型的空气动力特性 （b）升力特性和阻力特性； （c）升阻比特性
3.翼型表面粗糙度对升力 特性的影响，有经验数据 显示，前缘粗糙可使原本 升力为1.2的翼型降为 0.6~0.7。如图3-4，表面粗 糙度对翼型空气动力特性 的影响。
图3-4 表面粗糙度对翼型 空气动力特性的影响
（2）阻力特性 翼型的阻力特性可以用翼 型阻力系数Cd随迎角变化的 阻力曲线来表示，也可以用 翼型阻力系数随翼型的升力 系数变化的极曲线来表示。 在附着区，翼型阻力主要是 摩擦阻力，阻力系数随迎角 增加缓慢增大；气流发生分 离后，翼型阻力主要是压差 阻力，阻力系数随迎角增加 迅速增大。如图3-3为Cl、 Cd及升阻比曲线图。
图2-1 叶素上的气流速度三角形 和空气动力分量
合成气流速度V0引起的作用在长度为dr叶素上的空气动力 dFa可以分解为法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分别表 1 示为： 1
dFn = 2 ρcV0 C n dr
dFt =
2
ρcV0 C t dr
式中 ：V0——合成气流速度； ρ——空气密度； c——叶素剖面弦长 Cn、Ct——分别表示法向力系数和切向力系数 这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力（推力）可表示为
4.雷诺数对翼型空气空力特性影响 雷诺数的大小影响流动分离，从而改变翼型的空气动 力特性。当雷诺数较小时，前缘分离气泡的存在、发展 和破裂对雷诺数非常敏感；当雷诺数较大时，翼型最大 升力系数也相应增大。
3.4风力机叶片气动外形设计
风力机叶片气动外形设计的任务是根据风力机总体设计技 术指标，确定风力机叶片的几何外形，包括叶片扭角、弦长 和相对厚度沿展向的分布。对于变桨距叶片还要给出桨距中 心位置和桨距角随风速变化的规律。
风力机的工作原理和气动特性
1. 空气动力学的基本知识
1.1 升力和阻力 物体在空气中运动或者空气
流过物体时，物体将受到空气的 作用力，称为空气动力。
通常空气动力由两部分组成：一部 分是由于气流绕物体流动时，在物体表 面处的流动速度发生变化，引起气流压 力的变化，即物体表面各处气流的速度 与压力不同，从而对物体产生合成的压 力；另一部分是由于气流绕物体流动时， 在物体附面层内由于气流粘性作用产生 的摩擦力。将整个物体表面这些力合成 起来便得到一个合力．这个合力即为空 气动力。
升力是使风力机有效工作的力，而
阻力则形成对风轮的正面压力。为了使 风力机很好的工作，就需要叶片具有这 样的翼型断面，使其能得到最大的升力 和最小的阻力，也就是要求具有很大的
升阻比K。
雷诺数是一个无量纲数。雷 诺数愈小的流动。粘性作用愈大； 雷诺数愈大的流动，粘性作用愈 小，雷诺数增加。由于翼型附面 层气流粘性减小，最大升力系数 增加，最小阻力系数减小，因而 升阻比增加。
样．则叶片各处的实际攻角都将不同，这样除了攻
角接近最佳值的一小段叶片升力较大外，其它部分 所得到的升力则由于攻角偏离最佳值而不理想。
所以这样的叶片不具备良好的气动力特
性。为了在沿整个叶片长度方向均能获得有 利的攻角数值，就必须使叶片每一个截面的 安装角随着半径的增大而逐渐减小。在此情 况下，有可能使气流在整个叶片长度均以最 有利的攻角吹向每一叶片元．从而具有比较 好的气动力性能。而且各处受力比较均匀， 也增加了叶片的强度。这种具有变化的安装 角的叶片称为螺旋浆型叶片，而那种各处安 装角均相同的叶片称为平板型叶片。显然， 螺旋桨型叶片比起平板型叶片来要好得多。
图中示出空气流过一块平板的情形，平板面与 气流方向形成一个夹角 a ，a称为攻角。由于平板上 方和下方的气流速度不同（上方速度大于下方速度）， 因此平板上、下方所受的压力也不同（下方压力大干 上方压力 ），总的舍力F即为平饭在流动空气中所受 到的空气动力，其方向垂直于板面。
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。
风力机的基本参数与理论
风力机的基本参数与理论风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。
2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。
弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。
4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。
5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。
6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。
7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。
对称翼型的中弧线与翼弦重合。
8）上翼面凸出的翼型表面。
9）下翼面平缓的翼型表面。
（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。
根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。
按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。
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。
风力发电机的气动力学分析
风力发电机的气动力学分析风力发电机作为一种可再生能源发电设备，其气动力学分析对于提高发电效率和稳定性具有重要作用。
本文将探讨风力发电机的气动力学原理，并进一步分析其影响因素以及相关的优化方法。
一、风力发电机的工作原理风力发电机利用风的动能来驱动发电机转子的旋转，从而产生电能。
其工作原理主要分为以下几个步骤：1. 风的捕捉：风力发电机通过叶片将风能转化为机械能。
风吹过风力发电机的叶片，叶片会受到风力的推力，进而开始旋转。
2. 发电机转子转动：风力的推力使叶片旋转，进而驱动发电机转子一同旋转。
3. 电能转换：发电机转子的旋转通过磁场与线圈之间的相互作用，将机械能转化为电能。
电能可以存储或传输供人们使用。
二、影响风力发电机性能的气动力学因素风力发电机的性能受多种气动力学因素的影响。
以下是几个主要因素：1. 风速：风速是影响风力发电机发电能力的关键因素。
风速越高，风力发电机叶片受到的风力越大，转速也会相应提高。
2. 叶片设计：风力发电机叶片的设计对其性能有直接影响。
合理的叶片设计可以提高叶片捕捉风能的效率，从而提高发电效率。
3. 刀片数目：风力发电机的刀片数目也会影响其性能。
一般来说，刀片数目越多，叶片受到的风力越均匀，转速也越稳定。
4. 叶片材料：叶片材料的选择会影响风力发电机的整体质量、强度和耐用性。
合适的叶片材料可以延长风力发电机的使用寿命。
三、风力发电机的优化方法为了提高风力发电机的性能，有以下几种常见的优化方法：1. 叶片优化：通过改变叶片的形状、结构和材料，来提高叶片捕捉风能的效率和减小阻力，以提高发电效率。
2. 控制系统优化：通过改进风力发电机的控制系统，可以实现更精确的风向和风速控制，提高发电机的稳定性和适应性。
3. 风场规划：选择适合风力发电机布局的地理位置和风场条件，可以最大程度地利用风能资源，提高整体发电能力。
4. 故障检测与维护：建立完善的故障检测和维护体系，及时发现并修复风力发电机的故障，保障其正常工作和延长使用寿命。
风力机空气动力学
控制系统
——叶轮处在单元流管模型中，如图。
——雷诺数的表达形式： Re=VC/
——流场中众多流线的集合称为流线簇。
而由伯努利方程，必使：
即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风
另一方面，dR还可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：
气动力矩系数：CM=M / (1/2 V2C2)
阻力系数： CD=D / (1/2 V2C)
当= 时，C 达到最大值C 。 称为临界攻 ——雷诺数的表达形式： Re=VC/
用—升—力 层系流数与C紊l随流攻：角两种变性化质的不曲同线的（流升动C力状T 特态性。曲线）来L描述。
Lmax
CT
角或失速攻角。当> 时，C 将下降。 由于机翼上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上翼面的合力，记为R。
速增大，即V2>V1。而由伯努利方程，必使： P2 < P1，即压力减小。 ——下翼面变化较小， V3≈V1，使其几乎保持原 来的大气压，即： P3 ≈ P1。
结论：由于机翼上下表面所受的压力差，使得机 翼得到向上的作用力——升力。
2.1.3 翼型的气动特性
一、翼型的几何描述
前缘与后缘：
O
B
翼弦
——气动力矩：合力R对（除自己的作用点外）其它 点的力矩，记为M。又称扭转力矩。
为方便使用，通常用无量刚数值表示翼剖面的气动特 性，故定义几个气动力系数：
升力系数： CL=L / (1/2 V2C) 阻力系数： CD=D / (1/2 V2C) 气动力矩系数：CM=M / (1/2 V2C2)
此处，L、D、M分别为翼型沿展向单位长度上的升 力、阻力和气动力矩。
——弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。
风力机空气动力学基础知识
机翼攻角
§1：空气动力学基础 §翼型空气动力特
性升力如何产生？
从空气流过机翼的流线谱中可以看 到，空气流到机翼前缘，分成上下 两股，分别沿机翼上、下表面向后 流动，由于机翼有一定的正迎角， 上表面又比较凸出，所以机翼上表 面的流管必然变细，根据连续方程 和伯努利方程可知其流速增大、压 强下降。下表面则相反，流管变粗， 流速减少，压强增大。垂直于相对 气流方向压力差就是机翼的升力。
下形式：
C
式中Ｃ为机翼表面某一点流速。根据实C验，在低速范围 内，机翼的流线谱基本不随速度变化，亦即流管截面积 基本不变，由不可压流连续方程可知 是一个确定的 数,压力系数也就是一个确定的数，当迎角和翼型改变时， 流线谱也要发生变化，压力系数也随之而改变。综上所 述，在低速范围内，压力系数只随翼型和迎角变化，与 气流动压无关。
最大厚度与弦长的比值称为翼型相对厚度，又称为厚弦比。 相对厚度用百分数表示。
§1：空气动力学厚基度t础 §翼型空气动力特
性
中弧线
前缘
弯度f
弦线 弦长c
后缘
后缘角
✓ 最大厚度位置：翼型的最大厚度所在的位置到前缘的距 离称为最大厚度位置，通常以其与翼弦的比值来表示。
§1：空气动力学厚基度t础 §翼型空气动力特
二 翼型表面的压力分布 为了便于分析机翼各部分对产生 升力的贡献，根据图的实验，可 绘出机翼上下表面压强分布图。 在压强分布图上绘出的不是各点 绝对压强值，而且压力系数 。 其定义如下：
式中P是机翼上某点的绝对压强
§1：空气动力学基础 §翼型空气动力特
性
根据气流的低速伯努C利p利方1程，CC压22 力系数可以表示为如
性
➢迎角的大小反映了相对气流与机翼
《风力机空气动力学》课件
智能化趋势
通过引入传感器和智能化 控制算法，实现风力机的 自适应调节和远程监控， 提高运行效率和安全性。
海上风电发展
海上风能资源丰富，且具 有较高的开发价值，未来 海上风电将成为风能开发 的重要方向。
风力机市场前景展望
数值模拟
利用计算机软件模拟风力机的运行，预测其气动性能。
03
风力机气动性能分析
风能转换效率分析
风能转换效率定义
提高风能转换效率的方法
风能转换效率是指风能转换为机械能 的效率，是衡量风力机性能的重要指 标。
通过优化风力机设计、提高转速、选 择合适的翼型等方式可以提高风能转 换效率。
风能转换效率影响因素
风力机技术发展历程
从最早的简易风车到现代的大型风力发电机，风力机技术经历了漫长的
发展过程。
02
当前主流风力机类型
水平轴风力机和垂直轴风力机是当前主流的风力机类型，各有其优缺点
和应用场景。
03
风能利用效率
随着技术的不断进步，现代风力机的风能利用效率已经得到了显著提高
。
风力机技术发展趋势
01
02
03
大型化趋势
噪声。
风力机气动稳定性分析
风力机气动稳定性定义
风力机气动稳定性是指风力机在运行过程中抵抗外界干扰的能力 。
风力机气动稳定性影响因素
风力机气动稳定性受到多种因素的影响，包括气流速度、湍流强度 、叶片质量和设计等。
提高风力机气动稳定性方法
通过优化叶片设计、增加质量块等方式可以提高风力机气动稳定性 。
04
风力机的选址
为了获得最佳的风能利用效果，风 力机通常安装在风力资源丰富、地 势开阔的地方，如山顶、海边等。
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风力机空气动力学常识
作者：曹连芃
关键字：翼型,升力，阻力，相对风速，攻角，失速迎角，叶尖速比，贝茨极限，雷诺数，实度
风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。
近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视，风力发电已成为重要的新能源。
对于想学习风力发电的朋友应该学习一些风力机空气动力学的基础知识。
升力与阻力
风就是流动的空气，把一块薄的平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力。
我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，D为阻力，当平板静止时，受阻力虽大但气流并未对平板做功；只有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。
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负压区，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，阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。
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。
飞机的翼片是用来产生升力的，一般翼片上表面弯曲，下表面平直，即使翼片与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，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。
由于飞机翼片截面为流线型，受气流阻力很小。
当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，升力会增大，阻力也会增加，适当选择翼片的攻角可获得最大的升力，尽量小的阻力。
风力机利用叶片受风的阻力运转的称阻力型风力机；利用叶片受风作用产生升力而运转的称升力型风力机。
水平轴风力机基本都是升力型，垂直轴风力机有多种阻力型结构，也有升力型结构。
翼型
翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
下面是翼型的几何参数图
翼型通过以下参数来描述
（1）前缘、后缘
翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。
（2）弦线、弦长
连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。
弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
（3）最大弯度、最大弯度位置
中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。
（4）最大厚度、最大厚度位置
上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。
（5）前缘半径
翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。
（6）后缘角
翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。
对称翼型的弯度为0，t1=t2,上下表面对称。
下图是一个性能较好的低阻翼型，是带弯度翼型，在水平轴风力机中应用较多。
翼型的升力与失速
下面为一个低阻翼型的气流动力图，翼型弦线与气流方向的夹角（攻角）为α，正常运行时气流附着翼型表面流过，靠近翼型上方的气流速度比下面的气流速度快，根据流体力学的伯努利原理，翼型受到一个上升的力Fl，当然翼型也会受到气流的阻力Fd。
这是正常的工作状态，有较大的升力且阻力很小。
但翼型并不是在任何情况下都能产生大的升力。
如果攻角α大到一定程度，气体将不再附着翼型表面流过，在翼型上方气流会发生分离，翼型前缘后方会产生涡流，导致阻力急剧上升升力下降，这种情况称为失速。
见下图
翼型什么时候开始失速，请看下节。
升力系数曲线与失速迎角
下面是有弯度翼型的升力系数与阻力系数随攻角的变化曲线参考图，图中绿色的是升力曲线、棕色的是阻力曲线。
在曲线中可看出，攻角α在11度以下时升力随α增大而增大，当攻角α大于11度时进入失速状态，升力骤然下降，阻力大幅上升，在α等于45度时升力与阻力基本相等。
翼型开始失速的攻角α的值称为失速迎角。
大多数有弯度的薄翼型与该曲线所示特性相近。
在曲线图中看出翼型在攻角为0时依然有升力，这是因为即使攻角为0，翼型上方气流速度仍比下方快，故有升力，当攻角为一负值时，升力才为0，此时的攻角称为零升攻角或绝对零攻角。
翼型在失速前阻力是很小的，在近似计算中可忽略不计。
对于对称翼型的升力与阻力等气动特性与有弯度翼型类似，但对称翼型在攻角为零时升力为零，因为此时翼型上面与下面气流速度相同。
下面是对称翼型的升力系数与阻力系数随攻角的变化曲线参考图，图中绿色的是升力曲线、棕色的是阻力曲线。
比较有弯度的薄翼与对称翼型两个曲线图，两曲线相似，可近似认为在对称翼型中升力曲线经过0点，随着翼型弯度增加升力曲线向左方移动。
同时也近似认为在翼型失速前升力曲线的斜率是个常数，其值为0.1/度或5.73/弧度。
普通翼型的失速迎角多在10度至15度，一般薄翼型失速迎角稍小，厚翼型失速迎角要大一些；对于同一个翼型影响失速迎角的是翼片运行时的雷诺数与翼片的光洁度。
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，该力与翼弦（翼片前缘与后缘的连线）的交点即为翼片的压力中心。
对称翼型在不失速状态下运行时，压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置。
运行在不失速状态下的非对称翼型，在较大攻角时压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置，在小攻角时压力中心会沿叶片弦长向后移。
雷诺数
雷诺数是衡量作用于流体上的惯性力与黏性力相对大小的一个无量纲参数，雷诺数用Re表示，
Re= v l ρ/μ
式中ρ——流体密度；v——流场中的特征速度；l——特征长度；μ——流体的粘度。
流体的粘度主要随温度变化，空气的粘度随气温升高加大；而液体则相反，温度升高粘度减小。
定义ν为流体的运动粘度，ν=μ/ρ 于是Re=v l /ν
由于空气的密度ρ随气温上升而减小、空气的粘度μ随气温上升而增加，所以雷诺数Re随气温上升而减明显减小。
在研究翼型的气动特性时，v取翼型的运动速度，l取翼型的弦长，得到的就是该翼型的雷诺数。
雷诺数对翼型气动特性影响较大，一般翼型的失速迎角随雷诺数的增大而增大、最大升
力系数也随失速迎角的增大而增大；阻力系数在总体上会有降低。
贝茨极限
风能就是空气运动的动能，风在通过风轮时推动风轮旋转，把它的动能转变为风轮旋转的能量，但经过风轮做功后的风速不会为零，仅仅是减小，故风只能把一部分能量转交给风轮。
那么风能把多大的能量转交给风轮呢，从理论上讲最大值为59.3%，这也是风力发电机组的风能利用系数的最大值，称为贝茨极限。
目前高性能的风力发电机组风能利用系数约为40%。
相对风速
风力机叶片运动时所感受到的风速是风速与叶片运动速度的合成速度，称为相对风速。
下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到的相对风速为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→
相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角α
叶尖速比
风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。
下图是一个风力机的叶轮，u是旋转的风力机风轮外径切线速度，v是风进叶轮前的速度，叶尖速比λ
λ=u/v
阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至0.6，升力型风力机叶尖速比一般为3至8。
在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。
实度
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
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，σ=BCL/2RL= BC/2R
多叶片的风力机有高实度比，适合低风速、低转速大力矩的风力机，其效率较低。
风
力发电机多采用少叶片与窄叶片的低实度比风力机，可以在很宽的风速范围高效率运行。