风力机空气动力学基本原理
空气动力学及其应用
空气动力学及其应用概述：空气动力学是研究空气对物体运动的影响的科学。
它在各个领域都有广泛的应用，包括航空航天、汽车工程、风力发电等。
本文将介绍空气动力学的基本原理及其在实际应用中的一些例子。
一、空气动力学的基本原理空气动力学研究的对象是空气流动对物体运动的影响。
其中，流体力学和动力学是空气动力学的两个基本分支。
流体力学主要研究流体的运动规律，动力学则探究力对物体运动的影响。
1. 流体力学流体力学分为两个分支：静力学和动力学。
静力学研究的是静止流体的力学性质，而动力学研究的是流体的运动特性。
在空气动力学中，我们主要关注的是流体的动力学性质，即液体或气体的流动过程。
2. 动力学动力学是研究运动物体的力学原理。
在空气动力学中，我们需要考虑物体在空气中移动时所受到的阻力、升力和推力等因素。
其中，阻力是空气对物体运动的阻碍力，而升力是物体在空气中产生的向上的力，推力是物体在空气中产生的向前的力。
二、空气动力学的应用空气动力学在各个领域都有重要的应用，下面将介绍其中一些常见的应用领域。
1. 航空航天工程航空航天工程是空气动力学的典型应用领域之一。
在飞机的设计和制造过程中，空气动力学原理被广泛应用。
例如，空气动力学可以帮助设计机翼的形状和尺寸，以达到减小阻力、增加升力的目的。
此外，空气动力学还能够帮助优化飞机的外形和气动布局，提高飞行稳定性和操纵性能。
2. 汽车工程空气动力学在汽车工程中也有重要的应用。
通过减小汽车的阻力，可以提高汽车的燃油经济性和行驶稳定性。
例如，在汽车外形设计中，空气动力学原理可以指导优化车身的流线型，减小车身与空气之间的阻力。
同时，空气动力学还可以帮助优化车辆底部的空气动力学布局，减小底部的气流阻力。
3. 风力发电风力发电是一种利用空气动力学原理的可再生能源技术。
风力发电机的叶片利用风的流动产生动力，并通过转子变速器将动力转化为电能。
在风力发电机的设计和优化中，空气动力学的原理被广泛应用。
《风力机空气动力学》课件
二、空气动力学理论
1
风力机的升力和阻力
2
探讨风力机叶片是如何产生升力和阻
力的。
3
风力机的效率和功率公式
4
讨论风力机的效率和如何计算出风力 机的功率。
风力机的叶片表面压力分布
讲解风力机叶片表面压力如何随风速 变化。
风力机的气动力矩
介绍风力机在转动过程中所受到的气 动力矩。
风力机的多目标优化设 计方法
介绍风力机优化设计中常用的 多目标优化方法。
风力机的材料和制造工艺
讲解风力机材料的选择和制造 工艺的重要性。
五、未来发展方向
1 未来风力机的设计和发展趋势
探讨风力机在未来可能的设计和发展方向。
2 风力发电在新能源领域中的地位和前景
介绍风力发电在新能源领域中的重要性和潜在前景。
3 风力机的可持续发展和环境影响问题
讨论风力机的可持续发展性和对环境的影响问题。
六、总结
风力机空气动力学 知识的重要性和应 用
总结风力机空气动力学知识 在实际应用中的重要性。
风力机的未来发展 和挑战
讨论风力机在未来可能面临 的发展和挑战。
风力机行业的职业 发展和就业前景
探讨从事风力机行业的职业 发展和就业前景。
《风力机空气动力学》 PPT课件
这是一份关于风力机空气动力学的课件，介绍了风力机的工作原理、空气动 力学理论、风洞实验、优化设计以及未来发展方向等内容。
一、介绍
什么是风力机空气动力学
解释风力机空气动力学的定义和重要性。
风力机的基本结构和工作原理
描述风力机的基本构成和如何转换风能为电能。
风力机的分类和发展历程
三、风力机风洞实验
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)
风力发电机工作原理：风能如何转化为电能
风力发电机工作原理：风能如何转化为电能
风力发电机是一种将风能转化为电能的设备。
其工作原理涉及风的动能通过旋转风轮（叶片）驱动发电机产生电能。
以下是风力发电机的基本工作原理：
1. 风的动能转化：
风力发电机的关键在于将风的动能转化为旋转机械部件的动能。
风是由地球上的温度和压力差异引起的，其中气流中的空气分子具有动能。
2. 叶片设计：
风力发电机通常包括三片或更多的叶片，这些叶片被设计成具有特定的空气动力学形状，以最大化从风中提取动能的效率。
3. 风轮转动：
当风吹过风力发电机的叶片时，叶片会受到气流的冲击，导致风轮
（转子）开始旋转。
4. 传动系统：
风轮的旋转通过传动系统（通常是齿轮箱）连接到发电机的转子。
这样的连接转换了机械能的形式，使其适用于发电机。
5. 发电机工作：
发电机的转子在旋转时，通过感应产生电流。
这是基于电磁感应的原理，即旋转的导体在磁场中产生感应电动势。
6. 电能产生：
通过电气系统，发电机产生的交流电被转换和调整为适用于输送到电网的电能。
7. 风向和控制：
风力发电机通常配备了风向控制系统，可以自动调整风轮的方向，确保始终朝向风的方向，最大化能量捕获效率。
8. 存储和输送：
有时，通过电能存储系统（如电池）或通过将电能输送到电网，风力发电机的产生的电能可以被存储或用于满足不同时间的用电需求。
风力发电机的工作原理基于通过叶片转动产生的旋转机械能，进而通过发电机产生电能。
这种技术是一种清洁、可再生的能源，对环境影响较小，因此在全球范围内得到广泛应用。
空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的应用
空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的应用风力发电机是一种非常具有发展潜力的新能源。
而其核心部件——叶片的设计则对于风力发电机的高效性、经济性、可靠性等方面至关重要。
而空气动力学技术对于叶片设计的应用,则能够提高风力发电机的发电效率，从而更好地满足能源需求，节约资源。
1. 空气动力学技术的定义与基本原理空气动力学技术是指研究流体（空气）在单位时间内通过流动的方式对于物体产生的力的规律或现象的技术。
它的基本原理是通过实验手段和数学模型对流体运动的速度和流量进行分析研究，从而更好地理解流体的运动规律，并应用这些规律于风力发电机的叶片设计中。
2. 空气动力学技术在风力发电机中的应用在风力发电机的叶片设计中，空气动力学技术主要应用在以下方面：1. 叶片形状优化空气动力学技术能够帮助设计者分析叶片的流场分布、气动特性及其对风力发电机发电效率的影响，从而通过优化叶片形状，改善风力发电机的发电效率。
2. 叶片材料选择由于叶片在高速运动的情况下需要承受很大的拉力和扭矩，因此选用合适的材料对于风力发电机的可靠性和寿命也至关重要。
空气动力学技术可以对叶片使用的材料进行分析，提供材料的适用性和优缺点，并建议叶片制造商在材料选择上做出合理的抉择。
3. 噪声控制风力发电机叶片在高速旋转时会发出噪音，影响了风力发电机的性能。
空气动力学技术可以针对叶片设计进行优化，提高叶片的气动特性，从而减小发电机的噪音。
4. 非定常气动特性分析除了在静态情况下对叶片进行分析，空气动力学技术还可以通过非定常气动流动分析，探讨叶片在旋转的情况下的动态响应特性，从而优化叶片的设计，提高其适应性和可靠性。
3. 空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的局限性虽然空气动力学技术在风力发电机叶片设计中发挥着重要作用，但是其应用也存在局限性。
主要包括以下方面：1. 受限于计算机硬件条件空气动力学技术的应用需要计算大量复杂的流场分布和气动特性数据，因此需要大量的计算机硬件支持，这对于一些软件开发商和设计者来说是一大挑战。
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。
风力发电技术概论
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电机组与变电所连接图
一台变压器多台风机
多台变压器多台风机
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
风速——功率特性曲线
1.0 Pmax PN
输出 0.8 功率 0.6
(kw) 0.4
0.2 vin
0
5
vN 10 15
当风速在额定风速以下时，输 出功率不超过额定功率时，属 于正常调节范围；当风速高于 额定风速时，机械调速装置的 存在将风力机的输出功率限制 在所允许的最大功率以内
适用范围：适用于国家电网公司经营区域内通过110（66） 千伏及以上电压等级与电网连接的新建或扩建风电场。
总的感受：[09]版比[06]版更加严格，对风电场开发商要 求更高
四、国网风电场接入电网技术规定
相同点
电网接纳风电能力以及无功调节 风电场运行电压以及电压调节
风电场运行频率及电能质量
风电场通信和信号 风电场接入电网检测
最小值对应一个确定的攻 角。
二、风力发电原理
风能转换成电能的过程
风
风(动)能 风机
机械能 发电机
风力发电系统的构成
监测显示装置
储能装置
电能
风能
能量转换装置 (风力发电机组)
电力用户
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
风力机空气动力学课程
风力机空气动力学课程风力机，大家肯定都不陌生吧。
说起风力机，可能很多人会想到那些高高的塔架，上面装着一对对大翅膀，在风中呼呼地转个不停。
看着它们，大家或许会觉得它们就像是天上的“风神”，默默地工作，帮我们发电，保护环境。
其实风力机背后的空气动力学，真的是一门有趣又复杂的学问，简单来说，它就像是风与风力机翅膀之间的“舞蹈”，只有双方配合得天衣无缝，才能产生最大的力量。
所以，今天就带大家一起走进这个神奇的世界，聊聊风力机的空气动力学。
我们得说说风力机翅膀到底是怎么工作的。
风力机的翅膀就像是巨大的飞机机翼，它们通过改变空气流动的方向来产生升力。
想象一下，如果你把手伸出车窗外，随着车速加快，你的手会被风推得向上升。
风力机的翅膀也是这个原理，只不过它们的翅膀要设计得更加精巧，能够适应不同的风速，最大化地利用风的力量。
这时候，风吹过翅膀时，空气的流动会因为翅膀的形状而发生改变，一部分气流被迫上升，另一部分则下压，这样一来就会产生一个升力。
升力越大，风力机转得越快，产生的电力也就越多，咱们可以用电的机会也就更多了。
要是你觉得这个过程有点难理解，那我再举个例子。
你看过海上的风车吗？你会发现这些风车并不是一直朝一个方向转的，而是根据风的变化不断调整方向。
这就是风力机背后一个关键的原理——“迎风性”。
简单来说，风力机翅膀总是尽量朝着风的方向转动，这样能确保它每一刻都能最有效地捕捉到风的力量。
如果它不调整方向，风就有可能从侧面刮过，浪费掉大部分能量，转得再快也没有用。
再说说气流的变化。
大家知道，空气并不是均匀的，有些地方空气密度大，风速快；有些地方空气稀薄，风速慢。
风力机的翅膀要面对的就是这种复杂的气流。
就像我们在人群中走路，如果周围有很多人，你就很容易被挤来挤去；但如果人少，路也宽，那你走得就很轻松，没那么费劲。
所以，风力机设计的关键之一就是如何在这些变化的气流中找到最适合的角度，让翅膀在任何风速下都能有最好的表现。
空气动力学原理
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。
• 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。
翼型绕流图画
0迎角绕流 (a) 0 (a) 00迎角绕流
(b) 50迎角绕流
(c) 150迎角绕流
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
M
1 2 A L C v M 2
翼的俯仰力矩系数
C
L-翼的弦长
M
M 1 2 A v L 2
由图可知： 切点处升阻比最大
cot CL / CD
叶素弦长、安装角 在叶尖（r>0.8R）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
升力系数 阻力系数 总的空气动力系数
CL
C
风力发电原理
风轮旳总转矩是由风轮桨叶全部叶素旳转矩微元之和。根据一样能够由总转矩得到风力机吸收总旳风能。
气流相对于叶片旳相对速度为：
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3 涡流理论
因为存在尾流和涡流影响，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要旳涡区：一种在轮毂附近，一种在叶尖。当风轮旋转时，经过每个叶片尖部旳气流旳迹线为一螺旋线，在轮毂附近也存在一样旳情况，风速旳涡流系统如下图。
5
当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增长升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度很好。超出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，这一现象称为失速。
6
7
发生转变旳临界角度称之为临界迎角或失速迎角，对于不同旳翼型失速迎角也不同，一般翼型多在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某些；对于同一种翼型影响失速迎角旳是翼片运营时旳雷诺数与翼片旳光洁度。
计算出升力为3075牛顿
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风力机叶片运动时所感受到旳风速是外来风速与叶片运动速度旳合成速度，称为相对风速。上图是一种风力机旳叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到旳相对风速为w，它是叶片旳线速度（矢量）u与风进叶轮前旳速度（矢量）v旳合成矢量。
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相对风速与叶片弦线之间旳夹角就是叶片旳攻角α
（2）
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根据国家原则，把风力发电机组旳分为5级，按年平均风速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四种风速和特殊设计风速一个（本处设为13 m/s），我们再增长停机风速20 m/s和起动风速3 m/s共七个风速来计算单位面积（每平方米）旳风功率与风压，计算所得数据填于下表： 风速、风功率、风压对照表
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风力机空气动力学-翼型动力学(1)
弦线 弦长c
后缘
后缘角
✓ 中弧线：翼型周线内切圆圆心的连线称为中弧线，也可将垂直于弦线度量的 上、下表面间距离的中点连线称为中弧线。它是表示翼型弯曲程度的一条曲 线
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§1厚：度t空气动力学基础 中弧线 前缘
翼型的形状
弯度f
弦线 弦长c
后缘
后缘角
✓ 前缘 ：翼型中弧线的最前点称为翼型前缘。 ✓ 后缘 ：翼型中弧线的最后点称为翼型后缘。 ✓ 弦长 ：翼型前后缘之间的连线称为翼型弦线，弦线的长度
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§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利利方C程p，压1力系CC数22 可以表示为如下形式：
式中Ｃ为机翼表面某一点流速。根据实验，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，C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。 C
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§1：空气动力学基础 §翼型空气动力特性
翼型的压强分布图分两种表示方 法。一种是矢量法，另一种是坐 标法。
矢量法：如图所示，图中各线段 均垂直于翼型表面，线段的长度 表示压力系数的大小，箭头向外 为负值，箭头向里为正值, 将各个矢量的外端用平滑的曲线 连接起来，便是用矢量表示的压 强分布图。 图中压强最低吸力最大的一点(B 点)是最低压强点。在前缘近， 压强最高的一点(A)，是前驻点。
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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。
空气动力学
风力发电的空气动力学原理风机叶片在空气中的受力特性与飞机的机翼在空气中的受力相类似，所以对风机叶片的空气动力学研究很多是借鉴了对飞机的翼型的空气动力学的研究技术以及飞机翼型的制造技术。
飞机在空气中运动所引起的作用于飞机上的空气动力取决于空气的物理属性，飞机的几何形状、飞行姿态以及飞机与空气之间的相对速度，因此在讨论空气动力的产生及其变化规律之前，首先来研究空气的基本属性。
空气动力学是关于气流特性的学说，相对于固体而言气体的特性。
空气动力学定律，尤其是旋涡、推力、正面阻力和升力使得飞机可以飞行。
相同的定律对于滑翔也很重要。
空气动力学是一门复杂的科学。
并非在每种具体情况下都可以通过假设计算对特定现象作数字上或理论上的精确说明，因而要利用风洞试验结果。
所以空气动力学也是一门以经验为依据的科学。
气体和液体统称为流体。
气体和液体同固体相比较，分子间引力较小，分子运动较强烈，分子没有一定的排列规律，这就决定了气体和液体具有共同的特性，不能保持一定形状，而具有流动性。
从力学性质来看，固体具有抵抗压力、拉力和切力的能力。
因而在外力作用下，通常发生较小的变形，而且到了一定程度后变形就停止。
流体由于不能保持一定形状，所以它不能抵抗切力。
当他受到切力作用时，就要发生连续不断变形（即流动）。
这就是流体同固体在力学性质上的显著区别。
气体和液体除了具有上述的共同特性外，还有如下的不同特性：液体的分子跟分子的有效直径差不多是相等的，当对液体加压时，由于分子距离稍有缩小，出现强大的分子斥力来抵抗外压力，这就是说：液体的分子距离很难缩小，可以认为液体具有一定体积，因此通常成液体为不可压缩流体。
一般来说，气体分子间距离很大，例如常温常压下空气的分子距离为3×10-7，其分子有效直径的数量级为10-8厘米。
可见分子距离比分子有效直径大得很多。
这样，当分子距离缩小很多时，才会出现分子斥力。
因此，通常称气体为可压缩流体。
又因为分子距离很大，分子引力很小，而分子热运动起决定性作用，这就决定了气体既没有一定形状也没有一定体积。
《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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翼型的气动参数
翼型攻角α ：在翼型平面上，把
来流 V 与弦线 C 之间的夹角定义翼型的
攻角，又称为迎角。
翼型的受力示意图
翼型的气动参数
当翼型攻角α大于零时，因此翼型下表面 压力大于上表面压力，气流在翼型上形成合力， 合力 F 即为翼型受到的空气动力, 其方向垂直 于翼型弦线。
合力可分解为两个分力: 一个分力FL与气
风轮叶片在风的作用下产生空气动
力使风轮旋转，将风的动能转换成机械
能，再将机械能转换成电能。风轮叶片
的性能直接影响到能量转换的效率。
风轮叶片
风轮叶片是风力机最重要的部件之
一。它的平面形状与剖面几何形状和风
力机空气动力特性密切相关, 特别是剖
面几何形状即翼型气动特性的好坏, 将
直接影响风力机的捕风效率。
叶片扭角分布
设计案例
叶片相对厚度分布
风轮参数
把叶片和轮毂组装起来就是风轮了，在风
力机整机中风轮还有以下参数：
叶片数：组成风轮的叶片个数。
锥角：叶片与旋转轴垂直平面的夹角
风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角。
风轮参数
风轮的性能参数
风轮的性能参数
通常用上面三个无量纲系数用来表示风力 机的特征性能指标。 推力系数CT 直接关系到风轮轴向推力的 大小，在很大程度上影响了风力机塔架的设计；
风力机空气动力学基本原理
主讲人：韩璐
2009年10月21日
空气动力学研究对象
空气动力学是流体力学的一个分支， 它主要研究空气与物体之间有相对运动 时，空气运动的基本规律以及空气
与物体之间作用力的学科。
运动的空气就是我们通常所说的风。
风的形成与定义
太阳辐射造成地球表面大气压
力分布不均匀，引起空气的运动就
翼型的选取对风轮的效率十分重要，性能
优良的翼型应该在某一攻角范围内保持升力系
数CL较高，而相应的阻力系数CD较小，即在某 一攻角范围内有较高的升阻比，另外，还应该 具有良好的制造工艺性。
叶素理论
设计案例
叶片气动外形设计结果以叶片弦长、扭角、厚 度沿叶片展长方向的分布形式给出。
叶片弦长分布
设计案例
空气动力的产生
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。
风轮空气动力学的几何定义
1、风轮轴：风轮旋转运动的轴线； 2、旋转平面：与风轮轴垂直，叶片旋转时的平面；
4、叶片轴：叶片纵向轴，绕此轴可以改变叶片相对 于旋转平面的桨矩角；
2
1.225kg m3
翼型的攻角与升阻比
翼型的选取对风轮的效率十分重要，
性能优良的翼型应该在某一攻角范围内
保持升力系数CL较高，而相应的阻力系
数CD较小，即在某一攻角范围内有较高
的升阻比。
翼型速度三角形
翼型桨距角
θ=α+ β
α：翼型攻角
β：叶片桨距角 θ：叶片入流角
设计风速
速比λ、设计风速V、每个叶素翼型、
风轮直径D、每个叶素的弦长C和安 装角θ。
风轮直径
给定输出功率的风力机，风轮直径D为：
D C p
P V
3 1
4
P — 风力机额定功率； Cp — 风能利用系数，一般取0.4~0.5之间； η — 传动装置和发电机总效率，一般取0.4~0.65； ρ — 空气密度， (15℃)；
形成了风。风向和风速是描述风特
征的两个重要参数。
风力机的组成
风力机就是将风能转换为电能的装 置。通常它由风轮系统、传动系统、电 气系统、控制系统和塔架系统等组成， 其中风轮是最关键得部件之一。
风力机的组成
风力机风轮系统的类型
风力机按照风轮结构不同分为两大类：
垂直轴风力机
水平轴风力机
水平轴风力机
垂直轴风力机
垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。 其主要优点是可以接受来自任何方向的风,因 而当风向改变时，无需对风。 对于较大型的风力机,因为受偏转与安全 极限应力的限制, 采用这种结构形式是比较困 难的。垂直轴风力机风能利用系数低于高速垂 直轴或水平轴风力机,在风轮尺寸、重量和成 本一定的情况下提供的功率输出较低,因而用 作发电缺乏竞争力。
设计风速 V 取决于使用风力机地区
的风能资源分布。
设计风速决定了风轮的最佳尖速比。
风轮的尖速比
风轮的尖速比λ是风轮叶片的叶尖速度和设计
风速之比(Tip Speed Ratio)。尖速比与风轮效率
密切相关，在风力机没有过速的条件下，运转 于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效 率。
nR V
翼型的选取
5、在半径r处的叶片截面（翼型）：叶片与半径为r并 以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面；
6、桨矩角：在半径r处翼型的弦线与旋转面的夹角。
风轮叶片
风轮叶片结构
风力机叶片 实质是从叶根到 叶尖径向位置上 不同翼型安照不 同扭角和弦长分 布组成。
叶片的二维假设
气流绕风轮叶片的流动比较复杂, 是一个空间的三元流动。当叶片长度与 其翼型弦长之比(展弦比) 较大时, 可以 忽略气流的展向流动，而把气流绕叶片 的流动简化为绕许多段叶片元(即叶素) 的流动, 叶素之间互相没有干涉。
流方向垂直, 称为升力; 另一个分力FD与气流方
向相同, 称为阻力。
升力、阻力和力矩系数定义
分别以V，ρ和C表示来流速度，空气密度
和翼型弦长，以M表示翼型的力矩，那么翼型
的基本空气动力学特性可以由以下无量纲系数 表示： 升力系数 阻力系数
力矩系数
翼型升阻特性曲线
风力机叶片核心参数 风力机叶片核心参数：设计尖
翼型结构和基本概念
翼型的几何参数
通常翼型几何外形由下列参数决定： 翼型前缘A：翼型的前部A为圆头； 翼型后缘B：翼型的尾部B为尖型； 翼型弦线C：翼型前缘与后缘的连线称为翼型弦线弦 线长度就是翼型的弦长C，弦长C是翼型的特征尺寸； 中弧线：翼型内切圆圆心的连线称为翼型的中弧线， 对称的翼型中弧线与翼弦重合；
风轮的性能参数
扭矩系数CM 则是表示风轮输出负载扭矩的 参数，它决定了齿轮箱的尺寸和发电机的选型； 风能利用系数CP（也称为功率系数）决定 了风力机风轮从风中所能获得的能量的能力， 即它是反映风力机的效率的参数。
谢谢大家！
低速水平轴风力机
高速水平轴风力机
高速风力机叶片数只有1 ~ 3片，高
速风力机由于速度高，特别适用于风力
发电，因此大多数发电用的风力机都是
由高速风轮所驱动的。
高 速 水 平 轴 风 力 机
风轮的组成和功能
风轮一般由1～3 个叶片和轮毂 所组成, 其功能是将风能转换为机械
能。
风轮系统工作原理
水平轴风力机
水平轴风力机按照风轮在气流中的位置分为： 上风式和下风式
水平轴风力机
按照风轮的旋转速度（叶尖速比），
水平轴风力机也可分为:
低速水平轴风力机 高速水平轴风力机
低速水平轴风力机
低速风力机的叶片数在12至24片之间不
等，叶片几乎覆盖了整个风轮表面，这些多叶
片的低速风力机特别适用于低风速环境，其起 动扭矩相对较高，主要用于提水等负载扭矩较 大的场合；