空气动力学原理空气动力学原理气流绕过物体的活动1.势函数的性质1〕等势面与流线笔直将流场中速度势持平的点连接起来，构成一个空间曲面，称为等势面。在平面流中，称为等势线〕〕速度势在任何一个方向上的偏导数，等于速度在该方速度势在任何一个方向上的偏导数，等于速度在该方向上的投影向上的投影依据数学上方向导数的概念，速度势在恣意方向依据数学上方向导数的概念，速度势在恣意方向ll上的方向上的方向导数为导数为33〕〕在势流场中，沿恣意关闭曲线的速度环量为零。在势流场中，沿恣意关闭曲线〕〕流函数的等值线与流线重合流函数的等值线.平行流平行流便是流体质点以相同的速度彼此平行地作便是流体质点以相同的速度彼此平行地作等速直线运动。等速直线运动。存在速度势存在速度势当当φφ＝常数时，＝常数时，xx＝常数，所以等势线是＝常数，所以等势线是xx＝＝cc的一族与的一族与yy轴平行的直线。轴平行的直线。存在流函数存在流函数平行流的等势线和流线图流体从平面上一点均匀地向四周流出，一流体从平面上一点均匀地向四周流出，一向流向无量远处，这样的活动称为平面点直流向无量远处，这样的活动称为平面点源。流体流出的点称为源点，单位时刻内源。流体流出的点称为源点，单位时刻内流出的体积流量称为源强，用流出的体积流量称为源强，用qvqv表明。表明。速度速度势函数势函数4.偶极子偶极子一对等强度的点源和点汇间隔为零时，称一对等强度的点源和点汇间隔为零时，称偶极子偶极子5.平行流绕圆柱体无环流活动平行流绕圆柱体无环流活动阻力界说阻力界说粘性阻力粘性阻力物体前后压力物体前后压力dydu圆柱外表的压强散布圆柱外表的压强散布2、翼型受力、翼型受力剖析剖析环流的存环流的存在导致了叶在导致了叶片的作业。片的作业。F—翼叶上受的气动力，与翼弦AB笔直；FL—效果在风轮旋转平面上升力；FD—效果在笔直风轮旋转平面上阻力。50迎角绕流翼型绕流图像升力与阻力升力与阻力(D(D为阻力，为阻力，LL为升力为升力)平板与气流方向笔直时的状况，此刻平板平板与气流方向笔直时的状况，此刻平板遭到的阻力最大，升力为零遭到的阻力最大，升力为零当平板停止时，阻力虽大但并未对平板做当平板停止时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力效果下运动，气流才对功；当平板在阻力效果下运动，气流才对平板做功；假如平板运动速度方向与气流平板做功；假如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。一般说来受零，气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的阻力运动的平板当速度是气流速度的20%20%至至50%50%时能取得较大的功率。时能取得较大的功率。当平板与气流方向平行时，平板遭到的作当平板与气流方向平行时，平板遭到的效果力为零用力为零〔〔阻力与升力都为零）阻力与升力都为零）当平板与气流方向有夹角时，在平板的向当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会遭到气流的压力，在平板的劣势面风面会遭到气流的压力，在平板的劣势面会构成低压区，平板两面的压差就发生了会构成低压区，平板两面的压差就发生了侧向效果力侧向效果力FF，该力可分解为阻力，该力可分解为阻力DD与升力与升力LL。。当夹角较小时，平板遭到的阻力当夹角较小时，平板遭到的阻力DD较小；此较小；此刻平板遭到的效果力主要是升力时平板遭到的效果力主要是升力LL。。截面为流线型的翼片阻力很小，即便与气截面为流线型的翼片阻力很小，即便与气流方向平行也会有升力，因为翼片上方气流方向平行也会有升力，因为翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受原理，上方气体压强比下方小，翼片就遭到向上的升力效果。到向上的升力效果。当翼片与气流方向有夹角当翼片与气流方向有夹角〔〔该角称攻角时，升力会增大，阻力也会增大，平衡这时，升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利害，一般说来攻角为一利害，一般说来攻角为88至至1515度较好。超度较好。超过过1515度后翼片上方气流会发生别离，发生度后翼片上方气流会发生别离，发生涡流，升力会敏捷下降，阻力会急剧上升。涡流，升力会敏捷下降，阻力会急剧上升。升力系数阻力系数总的空气动力系数关于同一种翼型关于同一种翼型〔〔截面形状），其升力系数和截面形状），其升力系数和阻力系数的比值，被称为升阻比阻力系数的比值，被称为升阻比〔〔kk）：压力中心压力中心正常作业的翼片遭到下方的气流压力与上正常作业的翼片遭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方气流的吸力，这些力可用一个合力来表明，该力与弦线示，该力与弦线〔〔翼片前缘与后缘的连线翼片前缘与后缘的连线〕的交点即为翼片的压力中心。关于一般薄的交点即为翼片的压力中心。关于一般薄翼型，在攻角在翼型，在攻角在55至至1515度时，压力中心约度时，压力中心约在翼片前缘开端的在翼片前缘开端的1/41/4的方位。的方位。翼的俯仰力矩翼的俯仰力矩系数相对风速相对风速下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感遭到的风速称为相对风速动时，叶片感遭到的风速称为相对风速ww，它是叶片的线速度〔矢量〕，它是叶片的线速度〔矢量〕uu与风进叶轮前的速度〔矢量〕进叶轮前的速度〔矢量〕vv的组成矢量的组成矢量埃菲尔极线埃菲尔极线升力、阻力曲线埃菲尔极线埃菲尔极线埃菲尔极线埃菲尔极线曲线上的每一个点与原点的连线代表总气动力系数的巨细和方向，天然咱们我们能够在埃菲尔曲线上找到升力阻力和总气动力的实在联系过原点的射线与埃菲尔极线相切的点所对应的攻角是最佳攻角。由图可知：切点处升阻比最大叶素弦长、安装角叶素弦长、安装角在叶尖在叶尖〔〔r0.8Rr0.8R〕〕选用最佳安选用最佳安装角，接近叶跟处增大攻角来装角，接近叶跟处增大攻角来减小弦长，且功率下降不多。减小弦长，且功率下降不多。叶片翼型的空气动力学根底叶片翼型的空气动力学根底11、叶片翼型几许参数：、叶片翼型几许参数：（（11〕〕翼的前缘；翼的前缘；（（22〕〕翼的后缘；翼的后缘；（44〕〕翼的上外表翼的上外表（（55〕〕翼的下外表翼的下外表（（66〕〕翼的最大厚度翼的最大厚度hh（77〕〕叶片安装角叶片安装角（（88〕〕迎角迎角〔〔攻角）（（99〕〕入流角入流角三、功率调理三、功率调理当风速到达某一值时，风力发电机组当风速到达某一值时，风力发电机组到达额外功率。因为风速和功率是三到达额外功率。因为风速和功率是三次方的联系，风速再添加，发电机就会次方的联系，风速再添加，发电机就会过载，必须有相应的功率调理办法，使过载，必须有相应的功率调理办法，使 机组的输出功率不再添加。现在主要有机组的输出功率不再添加。现在主要有 两种调理功率的办法，都是选用空气动两种调理功率的办法，都是选用空气动 力办法来进行调理的。力办法来进行调理的。 一种是定桨距〔〔失速失速〕〕调理办法； 调理办法； 一种是变桨距调理办法。一种是变桨距调理办法。 11、定桨距、定桨距〔〔失速 失速〕〕调理办法 调理办法 叶片与轮毂刚性联合。 叶片与轮毂刚性联合。 失速操控主要是经过确认叶片翼型 失速操控主要是经过确认叶片翼型 的扭角散布，使风率到达额外点 的扭角散布，使风率到达额外点 后，削减升力进步阻力来完成的。 后，削减升力进步阻力来完成的。 在一般运转状况下，风轮上的动力 在一般运转状况下，风轮上的动力 来源于气流在翼型上流过发生的升力。 来源于气流在翼型上流过发生的升力。 因为风轮的转速稳定，风速添加叶片 因为风轮的转速稳定，风速添加叶片 上的迎角随之添加，直到最终气流在 上的迎角随之添加，直到最终气流在 翼型上外表别离而发生掉落，这种现 翼型上外表别离而发生掉落，这种现 象称为失速。 象称为失速。 就像图就像图2.7 2.7所示的那样。 所示的那样。 一旦迎角到达失点，叶素将进入失速区，一旦迎角到达失点，叶素将进入失速区，CL CL减小， 减小， CD CD添加，这两个改动导致扭矩减 添加，这两个改动导致扭矩减 小，功率也小，功率也 跟着减小。跟着减小。 但因为阻力但因为阻力 项的添加，项的添加， 效果在机组效果在机组 •留心留心:: 失速不总是在同一迎角下，而与迎失速不总是在同一迎角下，而与迎 角改动有关 角改动有关((如阵风 如阵风))，是一个动态变 ，是一个动态变 化进程。在失速与气流康复到正常流 化进程。在失速与气流康复到正常流 动之间，有滞后现象存在，形成叶片 动之间，有滞后现象存在，形成叶片 受力改动很大。 受力改动很大。 失速型机组对安装角比较灵敏，叶失速型机组对安装角比较灵敏，叶 片的安装角要尽量到达最佳，避免影 片的安装角要尽量到达最佳，避免影 响机组额外出力。别的失速型机组受 响机组额外出力。别的失速型机组受 空气密度的影响也比较大，在高海拔 空气密度的影响也比较大，在高海拔 区域有或许达不到其额外输出。 区域有或许达不到其额外输出。 长处： 长处： 1〕〕叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构相对比较简单，叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构相对比较简单， 费用低； 费用低； 22〕〕没有功率调理体系的保护费 没有功率调理体系的保护费;; 在失速后功率的动摇小。在失速后功率的动摇小。 缺点： 缺点： 11〕 〕气动刹车体系可靠性规划和制作要求高 气动刹车体系可靠性规划和制作要求高；； 22〕 〕叶片、机舱和塔架上的动态载荷高； 叶片、机舱和塔架上的动态载荷高； 33〕〕因为常需求刹车进程，在叶片和传动体系中 因为常需求刹车进程，在叶片和传动体系中 发生很高的机械载荷； 发生很高的机械载荷； 44〕〕起动性差； 起动性差； 55〕〕机组接受的风载荷大； 机组接受的风载荷大； 66〕〕在低空气密度区域难以到达额外功率。 在低空气密度区域难以到达额外功率。 22、变桨距操控 、变桨距操控 叶片与轮毂经过轴承组织联接。叶片与轮毂经过轴承组织联接。 变桨距操控主要是经过改动翼型变桨距操控主要是经过改动翼型 迎角改动，使翼型升力改动来进行 迎角改动，使翼型升力改动来进行 调的。变桨距操控多用于大型风力 调的。变桨距操控多用于大型风力 发电机组。 发电机组。 变桨距操控是经过叶片和轮毂之间变桨距操控是经过叶片和轮毂之间 的轴承组织滚动叶片来减小迎角， 的轴承组织滚动叶片来减小迎角， 由此来减小翼型的升力，以到达减 由此来减小翼型的升力，以到达减