空气动力学课程设计指导书

《风力机空气动力学》课程设计指导书
一、基础理论 动量理论：
描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。

根据叶素理论：
将风轮叶片沿展向分成许多微段，即叶素，并假设在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力。

叶素-动量理论：
假设各个叶素单元作用相互独立，各个圆环之间没有径向干扰，轴向诱导因子a 并不沿着叶轮径向改变。

图1-1 风力机受力示意图 参考公式：
轴向速度：0)1(v a v a -= 切向速度：r a v rot ω)'1(+=
图1-2 叶素速度示意图
叶素入流流速：222
2)()'1()1(r a v a v rel ω++-= 入流角：rel rel v a r v a v )
1(cos ;)1(sin ,0+=
-=ωφφ 攻角：βφα-=
法向力系数：φφsin cos d l n C C C += 切向力系数：φφcos sin d l t C C C -= 诱导系数迭代方程：
)sin 4(sin 4122
2t r n r C C a a
φσφσ-=- φ
φσcos sin 4'1t r C a a
=
+ φλμσ2sin 41'
t r C a a =
- 风轮实度：R
Nc
r Nc r πμπσ22=
=
叶素单位圆环扇面转矩：r r a a wr v M δπρδ2,0)1()(4-= 功率系数表达式：2
302
1R
v P
C p πρ=
翼型与叶尖速比的关系：2
2
2))
'1(()1('4a a a C l r ++-=
λμμλλσ
风轮直径设计：3
8v C P D p u
πρ=
叶尖速比：0
2
/v D ωλ=
二、叶片设计流程
(一) 按照给定叶尖速比设计叶片参数
(二) 改变叶尖速比，比较设计
改变λ，绘制C p 和λ的对应关系曲线。

符号表
a ：轴向诱导系数 a ’：切向诱导系数 c ：弦长
d C ：阻力系数： l C ：升法向力系数：
C：法向力系数：
n
C：切向力系数：
t
C p：功率系数
M：转矩
N：叶片数
P：风轮功率
P u：设计功率
r：叶素半径
R：风轮半径
v0：来流风速
v a：轴向风速
v rel：入流总速度
v rot：切向速度
α：冲角
β：当地叶片弦线到相对于风轮平面的倾角（例如，叶片钮角加上桨距角）φ：入流角
λ：叶尖速比
μ：无因此径向位置，μ=r/R
σr：风轮实度
ω：旋转角速度
参考文献
[1] 风力机空气动力学. [丹麦]Martin O.L.Hansen 著. 肖劲松译. 中国电力出版社. 2009.6
[2] 风力机空气动力学. 吴双群赵丹平主编. 北京大学出版社. 2011.10
[3] 风能技术. [美]Tony Burton 等著. 武鑫等译. 科学出版社. 2007.9
[4] 小型风力发电机设计与制作. [日]久保大次郎著. 姚兴佳王益全译. 科学出版社. 2012.7。