风力发动机气动理论

圆盘上游剖面管的横截 面积比圆盘面积小，而 下游的则比圆盘的面积 大 。流 管 膨 胀 主 要 是 因 为要保证流管每一处横 截面积的质量流量相等。
2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （DDMT）
将多流管模型中的流管 分为上风和下风两个部 分，用于计算垂直轴风 力机的气动载荷与转子 特性，也就是所谓的双 致动盘多流管模型。上 风区域致动盘接收到来 自远场的风速，而下风 区域致动盘则接收到的 是来自风力机内部流场。
1. Blade element theory
1. Blade element theory
1. Blade element theory
2.Double Actuator-Disk Theory
2.1 2.2 2.3 2.4 Single Actuator-Disk & Single Stream-tube （SDST） Single Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （SDMT） Double Actuator-Disk & Single Stream-tube（DDST） Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT）
• 动态失速是指一个振荡(或做其它非定常运动) 的物体在其压力面 超过临界迎角时绕流流场发生非定常分离和失速的现象,例如,直 升机桨叶旋转、航空发动机的涡轮和风力机叶片的颤振等流动中 都会发生动态失速。动态失速可以在许多情况下出现如大气紊流、 塔座影响、偏航工况等等。风力机的动态失速发生在进口来流攻 角快速变化的过程中风轮叶片表现出的与风洞实验完全不同的气 动特性。1988 年首次发表的关于由实验发现的动态失速现象论文 证实了动态失速对叶轮负荷的严重影响。
2.1 Single Actuator-Disk & Single Stream-tube （SDST）
• 为计算垂直轴风机的气动特性, 第一个提出了基于动量定理的单 盘面单流管模型。该模型将风机叶轮简化为被一个流管包围的盘 面,并假设整个盘面上叶片诱导速度均匀分布,将所有叶片经过流 管上游区域和下游区域的作用力之和作为该流管上的外力,应用动 量定理建立联系这一外力和流管动量变化的方程式,从而求解出诱 导速度,然后计算叶轮的气动性育旨。 • 结果证明这种方法在低速比和低密实度情况下,预报风力机的整体 气动力性能是可行的。这种模型相对简单,但是不能反映转子作用 盘面范围内上游区域和下游区域以及垂直于流向不同位置处的流 动参数的变化,因此是一种比较粗糙的方法。
• Paraschiviou随后还对双盘多流管理论进行了改进，在原来的基础 上，加入了流管膨胀、叶片几何形状和翼型类型、塔架、支柱以 及气动扰流板等引起的二次效应，以及动态失速的影响。双盘多 流管理论是现下最先进的气动模型。
• 双盘多流管模型理论是已经证实对于中小尺寸、小叶轮实度的垂 直轴风力机的性能预测有比较好的准确性。
2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （DDMT）
• 对提出的双盘面多流管模型进行了改进，不仅假设每个微流管上、 下游盘面处的诱导速度不相同,而且假设上游盘面和下游盘面不同 微流管的诱导速度也不相同。同时,在流管的扩张效应、叶片的非 定常运动效应等方面做了大量修正,使得该模型更趋完善。
求解其诱导速度,从而得到叶轮的气动性能。单盘面多流管模型考 虑了垂直于来流方向上流动参数不同的影响,理论上比单盘面单流 管模型显得更合理。
2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （DDMT）
• Paraschiviou提出了双盘面多流管模型。该模型采用同单盘面多流 管模型相同的流管细分方法,即在轮机盘面处沿垂直于来流方向细 分多个独立微流管；不同之处在于将每个流管进一步细分为上游 区域和下游区域,并将上游流管的尾流速度作为下游流管的来流速 度,分别建立动量方程并独立求解上、下游盘面处的诱导速度。双 盘面多流管模型既考虑了垂直于来流方向流动参数的不同,又考虑 了转子作用盘面上游区域对下游区域的影响,提高了计算的准确性, 但该模型假设上游盘面和下游盘面的各个微流管的诱导速度分别 相同,没有考虑同一盘面处不同流管诱导速度的差异。
2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （DDMT）
2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （DDMT）
• Paraschiviou等学者将多流管模型进行了改进，将多流管模型中的 流管分为上风和下风两部分，用于计算垂直轴风力机的气动载荷 与转子特性，双盘多流管理论的数学模型主要为：
3. Dynamic stall
• 动态失速的典型特征为涡扰动沿上部升力面的脱落与发展。由于 涉及更多参数，动态失速比静态失速更难分析和预测。动态失速 特性除取决于翼型俯仰振荡的初始攻角、折算频率、俯仰中心位 置和攻角变化幅值外，还与翼型形状、运动形式、表面粗糙度、 雷诺数、马赫数和三维效应有关，是一种非常复杂的非定常效应。 • 对于给定翼型，决定流动分离程度的主要参数为最大攻角。动力 失速一个重要因素是大幅度运动，从而导致很大的攻角峰值。 • 国内外学者对动态失速进行了大量的研究工作，并提出了一系列 的失速模型，用于对动量—叶素理论模型的修正。其中应用较广 泛的有 Gormont 模型MIT 模型和 Beddoes 模型。
实际情况下，在能量的转 换过程中，由于存在各种 损失，风轮的输出功率必 然有所下降，而且由于采 用的风力机和发电机的形 式不同，其能量损失也不 一样，一般约为最大输出 功率的 1/3。也就是说实际 风力机的功率利用系数 Cp<0.593。
1. Blade element theory
• 叶素理论是从叶素附近流动来分析叶片上的受力和能量交换。风 轮是风力机组成的最核心部分，它要获取能量，是通过组合多个 叶片在一起吸收转化风所具有的动能。翼型是构成叶片的基本元 素，翼型的展向延长便构成了叶片，即叶片的剖面形状就是翼型。 叶素理论就是基于对叶片翼型的分析来分析叶片的受力状况，取 叶片翼型微元段为基础研究对象，分析叶片所受的气动力。翼型 的形状和受力分析如下图。
• Gormont 模型是第一个用于风轮设计及性能分析的方法,该模型需 要知道实际攻角值,和攻角的时间变化率,以及两个由实验决定的 常数,实践证明该方法仅对一部分风轮有效,这是由于修正系数的 不确定性造成的。Beddoes 发展了一个新的动态失速模型它基于 对动态失速现象较深入的了解,因此比第一种方法更合理可靠,对 攻角的时间变速特性,但不足是也必须依赖于经验修正常数。ONEAR 于 1991年发展了一种新模型,在该模型中,用常系数线性微分方程用 于描述升力和阻力系数的线性和非线性部分,本方法的适用范围及 预估精度正在不断完善中。
• Gormont 模型不考虑动态失速效应对翼型的升力线斜率与零升力 攻角的影响，通过修正失速时的攻角以达到对升、阻力系数和转 矩系数的修正，可直接与流管模型结合，用于预测垂直风力机叶 片的动态失速效应。Gormont 模型主要针对低叶尖速比情况，由 描述直升机叶片的动态失速发展而来，现已被众多学者应用于 VAWT 的研究。下面主要阐述 Gormont 动态失速模型和 Masse 修 正方法
2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （DDMT）
• 基于动量定理的流管模型在一定速比、密实度和载荷范围内能够有效 地预报风机叶轮的总体气动性能,例如能量利用率一速比特性、风速一 转速一功率特性等而且多流管模型能够计算流场的某些细节,例如上游 盘面对下游盘面的影响。流管模型简单快捷,便于工程应用,在垂直轴风 机叶轮气动性能预报上得到了广泛的应用和发展。但是,流管法由于其 模型本身的局限性,也存在一些不足首先不太适用于计算较高速比、密 实度和载荷情况下的风机叶轮的气动性能,在大速比情况下,动量方程求 解容易发散,从而得不到诱导速度其次动量定理模型忽略了垂直来流方 向的诱导速度,在求解风机计卜轮侧向受力时有一定的困难另外由于流 管法不能精确地计算流场细节,因而无法准确地预报风机叶片的非定常 特性和瞬时载荷。
Multiple Stream-tube & Double Actuator-Disk Theory for VAWT
────A practical design model
Name: Zhaoxinhui Time : 10 December 2015
Content
1. Blade element theory
2. Double Actuator-Disk Theory
3. Dynamic stall
4.Wind conditions of turbulence
1. Blade element theory
贝茨理论
• 贝茨理论是基于水平轴风力发电机的，但是作用在运动翼型上的空气 动力、以及在力学相似条件下运行的几何相似风力机的概念，对垂直 轴也是适用的。而且，对垂直轴风力机功率的估算也要与用贝茨公式 计算的最大功率相比较。贝茨理论是应用一元定常流动的动量方程， 来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。贝茨理论的假 设条件如下： • 1.风轮流动模型可简化成一个流管 • 2.风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘 • 3.风轮叶片旋转时没有摩擦阻力，风轮前未受扰动的气流静压和风轮 后的气流静压相等 • 4.作用在风轮上的推力是均匀的
2.2 Single Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （SDMT）
• 为了提高流管模型预报的精确性, 发展出了单盘面多流管模型。 该方法在单盘面单流管模型的基础上,将转子作用盘面沿垂直于来 流的方向细分成多个独立微流管,假设每个流管均同来流方向平行,
且流管截面上的诱导速度均匀分布,对每个流管分别运用动量定理
• 在大多数风场，提高展弦比增加风轮的平均高度，是捕获更多能 量的另一种方法，但要求增加风轮转子材料的刚度。一般情况下 风轮的高径比为0.8~1.2。 • 风力机风轮转速主要受控于风况、转子实度和额定功率。通过增 加转子转速可以用最小的叶片扫略面积获得更多的能量；但这很 可能导致叶片不能承受气动和惯性载荷。
1. Blade element theory
• 对风力机来说，风力机转动其实就是风轮叶片的转动，在转动的 过程中，空气以相对速度W吹向叶片。由伯努利方程可知，这种 运动会使空气产生的压力不均匀的分布在翼型表面上，这样势必 使翼型上表面的气流压强要高于翼型下表面，使翼型上、下表面 产生压差。由于压差的存在，翼型表面会产生力的作用。翼型表 面上的作用力可分解为垂直于相对速度W的升力Fl和与相对速度 平行的阻力Fd。
• 垂直轴风力机风轮在旋转过程中，风轮叶片单元类似翼型的俯仰振荡运动， 攻角的大小和方向随方位角的变化呈周期性规律变化。当叶片单元攻角增 加达到静态失速攻角时，翼型的绕流仍然保持附着流动；随着攻角的增大， 绕翼型的气流将会在后缘和前缘发生分离，导致法向力系数过大，俯仰力 矩系数减小；接着法向力系数急剧减小，此时的攻角称为法向力动态失速 攻角。经过动态失速攻角范围后，翼型并不会在攻角小于动态失速攻角时 立即恢复到静态失速时的绕流状态，而是对攻角的反应稍有滞后，在气动 力特性曲线上表现为一个迟滞现象。造成这种情况的原因是由于叶片在大 攻角下非定常运动时，绕翼型气流发生分离及迟滞的现象，即动态失速。 动态失速是立轴风力机低尖速比下运行时的必 然结果。
2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （DDMT）
• 如果结构和材料类似，质量 （或成本）与转子直径的立方 成正比。风能的捕捉与扫略面 积和风速的立方成正比。在具 有“标准”的垂直风切变的地 区，这将导致总捕获能量随直 径的2.4次方增加。因此，随着 扫略面积的增加，风力机将产 生总的负面效益。（Malcolm ; • Schienbein ）